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四川电力技术
SICHUAN ELECTRIC POWER TECHNOLOGY
2003年 第26卷 第1期
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同步发电机出口端短路分析及采用大容量
高速开关装置的建议
刘守书1，吴 卫2
（1．四川映秀湾水力发电总厂，四川汶川 623003；
2．四川省水利电力学校，四川都江堰 611830）
摘 要：阐述了同步发电机出口端发生突然短路故障情况下的短路电流延迟过零的机理，并介绍了现有发电机出口端短路的保护方法，根据耿达电厂实例计算分析其不足之处，建议采用大容量高速开关装置。
关键词：同步发电机；出口端；短路故障；保护方法；高速开关装置
发电机是电力系统的关键设备，其状态的好坏直接影响整个电网的稳定性和运行的可靠性。发电机出口端或出口端附近发生短路故障时，短路电流的幅值大，而且从短路开始至第一次短路电流过零经历的时间较长，大约需要20～150 ms的时间。这给发电机造成很大的危害，同时也对其保护设备提出更高的要求。因此对其短路过程进行具体分析，寻找切实可行、行之有效的保护措施是十分重要的。
1 机理分析及最大延时的计算方法
发电机是利用电磁感应原理将其它形式的能量转换为电能的设备，因此无论在什么状态下，它必然遵循磁链守恒定律；由于气隙及磁路的非线性等因素影响使发电机内部的电磁规律复杂化，特别是发生短路时使以前平衡的电磁过程突然不平衡。这里以同步发电机出口端发生三相同时短路为例来分析发电机的短路过程。
当三相同时发生短路时，由于发电机负载改变，定子内突然增加了相应的三相交流电流，并欲使转子磁链发生突变，但转子回路中必须磁链连续守恒，因而会相应地产生非周期电流以保持磁链不变。短路时若将气隙、阻尼线圈等作用考虑在内时，定子中短路电流的表达式为：
θ0—发生三相短路时转子d轴超前A相轴线的
将上式的θ0换为θ0－120°，θ0＋120°即得同步发电机B、C相短路电流。
由式（1）可见定子中短路电流交流分量按T″d和T′d两个时间常数衰减，直流分量按Ta衰减，还有二次谐波分量也按Ta时间常数指数形式衰减。一般相差不大，可忽略二次谐波分量的影响，可见只有当直流分量衰减到小于或等于交流分量时短路电流才能过零。而短路点若在同步发电机出口端时等效时间常数比发生于电力系统任何其它部位的短路时间常数都大，如表1。
因为时间常数大，各量衰减慢。因此在发电机出口端的短路电流延迟过零现象特别严重，但并不是同步发电机出口端短路电流均延迟过零。由式（1）可见，这与短路前负载情况有很大关系，即与θ0有关，若θ0＝90°，则短路电流的表达式中就没有了非周期分量，因此不存在电流延迟过零问题，若θ0＝0°，则式（1）变为
这时短路最严重，某一发电机的短路示波图如图1所示。
根据以下两个假定：①同步发电机直轴超瞬变电抗T″d与其交轴超瞬变电抗X″q相等。其物理含义为：隐极同步发电机转子是圆柱形的整体，具有很强的阻尼作用。②直轴同步电抗与交轴同步电抗相等，即Xd＝Xq。由此两个假定可以得出短路电流持续不过零的最长时间为
式中：U0为短路前同步发电机端电压；
Uq0为U0在交轴方向的分量；
Id0为短路前电枢电流的直轴分量。
其余各量与式（1）中相应各量含义相同。可见可能的最长延迟时间不仅与同步发电机参数有关也与短路前工作状态有关。当Id0与Uq0均较小时，Tmax最大，即发电机带容性负载时的情况。
发电机出口端或其附近发生三相同时短路故障情况比两相短路故障和单相短路故障严重，但有时两相短路故障电流比三相的还大。短路时短路电流峰值很大，而且发电机端口短路时电流冲击系数比发生于其它地点的短路电流冲击系数要大得多，如表2。
短路电流大所产生的电动力也大，它对发电机所产生的破坏力是不容忽略的；另外电流热效应还会使发电机的绝缘和机械强度下降。
2 现有发电机短路故障的保护措施
发电机出口断路器是用来开断短路故障的电器。对于电磁分闸系统的断路器其开断动作过程为：检测装置（一般为电流互感器）检测到故障信号，启动继电器触头闭合，断路器操动机构分闸线圈通电，断路器触头打开、燃弧以至熄弧。从分闸线圈接到信号至触头运动至最大开距的时间定义为断路器全分闸时间td，将继电保护装置的起动机构和执行机构的动作时间、断路器固有分闸时间以及断路器触头电弧持续时间的总和定义为保护时间，用tjs表示，将不同类型断路器的td和tjs值列表3。
当用断路器来保护发电机出口端短路时，对于高速断路器从继电保护装置的起动机构动作至断路器触头打开至少需要30～40 ms；对于低速断路器则需60～70 ms、甚至80～90 ms。触头打开后电弧开始燃烧。由于电弧的存在相当于在定子回路中串入了一个直流电阻，使短路电流非周期分量衰减的时间数由Ta变为T′a。
r0为电弧等效电阻，r0＝Ub／Ih为电弧电压，Ih为电弧电流。直流衰减时间常数减小意味着短路电流中直流分量（即非周期分量）衰减加快，使短路电流能提早过零。对比图1与图2可明显看出电弧的作用。
从用断路器保护发电机出口端短路的过程来看，在发电机出口端或出口端附近发生短路时，将出现很大的短路电流；由于断路器的固有动作时间大于100ms，断路器开断的仅是接近于稳态电流的短路电流，而短路电流的最大值已从发电机及断路器中流过，这对发电机和断路器都有很大的电动力和热效应。几次重大故障就可能将一台造价数百万元的发电机损坏，并可能引起断路器的爆炸。
大容量高速开关装置（FSR）利用其自身的快速性达到了限流目的，即在短路电流上升的初级阶段即将短路电流加以限制，使其不能以短路电流的峰值流向短路点，使配电设备不会承受高出其许可的电流值。所以大容量高速开关装置（FSR）是解决短路电流难题的一种理想的配电设备。下面以耿达电厂为实例进行分析。
3 实例分析
3．1 系统接线图
耿达电厂一次接线示意图见图3，其中虚线框为大容量高速开关装置（FSR），主要包括FU（限流熔断器）、FS（主电流导体）、FR（限压移能氧化锌电阻），K1、K2为真空断路器。
3．2 系统参数及其计算
3．3 短路电流分析计算
若在1号发电机组的FSR1下端发生短路时，流过FSR1的预期短路电流有效值为：
42．1 kA
预期电流峰值为：
其中Ik1为2号发电机提供的短路电流，Ik2为主变提供的短路电流。
3．4 主电流导体FS的额定电流和动作电流选择
1、2号发电机的额定电流IN1＝1969A
所以取FS额定电流INfs＝2500A
考虑发电机最大可能出现的过载电流为额定电流的1．5倍，该过载电流定为FS的动作电流Ilimit＝KLIN1。FS的动作既取决于Ilimit，也取决电流增长率di／dt，见图4。只有在两者同时超过了事先调好的整定值时，FS才会动作。
3．5 FSR的截止电流和截止时间
曲线图见图4，取KL＝1．5，Ilimit＝KLIN1＝2 954 A
当短路点在FSR1上端时，流过FSR1和FSR2的短路电流为11．3 kA，FS1和FS2不动作。
当短路点在FSR1下端时，流过FSR1的短路电流为41．2 kA。
截止时间t1＝0．83 ms
3．8 kA＋10．1 kA
其中IP1是2号发电机提供的截止电流（3．8kA），仅为发电机额定电流峰值
的1．36倍；IP2是主变提供的截止电流（10．1 kA），仅为主变额定电流峰值（=5.917kA)的1．7倍。
对图4的说明：①1号发电机的FSR1下端短路时流过FSR1的短路电流，其有效值为41．2kA。②短路电流在FR中衰减曲线。③1．5倍发电机额定电流的峰值，其值为Ilimit=×1.5×IN1=4178A。④FSR1下端短路时，2号机提供的流过FSR1的电流；或者是FSR2上端短路时（与FSR1上端短路相同）流过FSR2或FSR1的电流，其有效值为11．3 kA。⑤在曲线4上（短路电流有效值为11．3 kA时）最大的di／dt＝228 A／μS。
可见，由于截断时间短，短路电流产生的对发电机、主变及短路网络的冲击力大大减少。
3．6 FSR的优点
当发电机出口出现短路，电流上升到Ilimit时，测量装置通过测di／dt判断短路是否真正发生。一旦短路故障发生，经0．1 ms时间FS开断，电流转入FU中，转入时在FS断口上产生的电压只有100 V左右不会燃起电弧，易于FS断口绝缘恢复，电流在FU中经0．5 ms熔断，最大截止电流在IP＝13．9 kA，FU产生弧压将电流迫入FR中快速衰减。FS的作用是通过回路总的额定电流，FU的作用是限流截断，产生弧压，FR的作用是限制操作过电压，吸收磁场能量，减轻对FU的壳体压力，并快速将电流衰减至零，使电源提供能量最小。
4 结论
大容量高速开关装置（FSR）额定通流能力强，对于超允许值的短路电流，可以在极短的时间内将之开断并加以限制，使所出现的短路电流瞬时值远远低于短路电流冲击值。故障电流能在1 ms之内截流，3 ms之内衰减到0，故障被完全切除。高遮断容量的熔断器产生的弧压足以使非线性电阻导通，非线性电阻导通使熔断器可靠熄弧，只要配置相应的非线性电阻来吸收磁能，开断容量就可以做得足够大，解决了发电机出口断路器遮断容量不足的问题，所以完全可以代替发电机出口断路器。
四川电力技术
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