巴基斯坦T电站磁场断路器参数设计与选型研究

邹来勇 周强 桂远乾

摘要：巴基斯坦T电站机组单机容量大、励磁参数高，对磁场断路器的参数要求也非常高。为了确定磁场断路器的参数要求，给磁场断路器选型设计提供量化理论依据，采用定性分析与定量计算相结合的研究方法，对巴基斯坦T电站可能出现的各种故障类型和相应的灭磁工况，以及各种灭磁工况下的转子电压和转子电流进行了分析、计算和研究，进而确定磁场断路器的参数要求。通过对具有高分断能力的Gerapid 4207 2X2和CEX 06 5000 4.2开关的比选分析，发现Gerapid 4207 2X2开关能满足巴基斯坦T电站发电机事故灭磁分断要求。

关键词：磁场断路器； 额定分断能力； 巴基斯坦T电站

中图法分类号：TM312

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.06.017

文章编号：1006-0081（2023）06-0089-05

0 引 言

磁场断路器作为发电机灭磁系统的核心设备，其选型得当与否直接关系到遇发电机事故时能否可靠切断发电机励磁电源。因磁场断路器参数选择不当造成磁场断路器烧毁的事故屡见报道［1-3］，该类事故的主要原因是断路器分断能力不足［4-5］。因此在工程设计中，对磁场断路器的参数及产品选型进行分析、计算和研究十分必要，尤其是励磁电流和励磁电压高的大型发电机。

巴基斯坦T电站单机容量为502.2 MW，额定励磁电压和额定励磁电流高达472 V和3 261 A，额定励磁电压甚至超过乌东德右岸电站的421.5 V。由于巴基斯坦T电站发电机采用自并励励磁方式，励磁电压高必然会抬高励磁变压器的副边电压，灭磁时（三相短路除外）晶闸管整流器的输出电压也将相应提高，因此，对磁场断路器的额定分断能力提出了更高要求。

关于磁场断路器的研究，大多只限于磁场断路器额定分断弧压的分析，而未对该额定分断电压（或弧压）下的额定分断电流进行计算并考核，也未有对磁场断路器其他参数进行分析计算［6-8］。长江勘测规划设计研究有限责任公司励磁团队结合工程和科技攻关项目对磁场断路器进行了持续、系统的研究，从磁场断路器灭磁工况计算、参数选择、到产品选型均进行了深入研究［9-11］，形成了较完整的分析方法和理论体系［12-13］。

本文根据巴基斯坦T电站可能的各种故障类型和相应的灭磁工况分析，按照ANSI/IEEE C37.18-1979（R2003）《旋转电机磁场放电回路封闭式断路器》及中国标准DL/T 294.1-2011《发电机灭磁及转子过电压保护装置技术条件 第1部分 磁场断路器》要求，对磁场断路器各灭磁工况下的转子电流和转子电压进行分析计算，得出磁场断路器的参数要求，最终选出满足该参数要求的磁场断路器。

1 磁场断路器参数计算和分析

1.1 发电机参数及灭磁工况分析

巴基斯坦T电站发电机及励磁系统相关参数见表1。

表1中，顶值电压倍数1.6为业主招标文件要求，低于中国标准DL/T 583-2018《大中型水轮发电机静止整流励磁系统技术条件》要求的2倍。当顶值电压倍数小于2时，顶值电流倍数应与顶值电

压倍数相同，故也为1.6。业主招标文件还要求在发变组500 kV侧发生短路故障且发电机电压下降70%时，应保持励磁性能，这高于中国标准要求的80%。

业主招标文件要求磁场断路器为带灭弧室的双极空气断路器，能在包括短路在内的所有运行条件下，分断最大磁场电流。可见，业主只要求机组在各种短路事故下灭磁，对空载误强励灭磁没有特殊要求，这与ANSI/IEEE C37.18-1979（R2003）《旋转电机磁场放电回路封闭式断路器》的要求一致，该标准也只要求按机端三相短路来要求磁场断路器的额定分断能力。

盡管如此，鉴于该电站在巴基斯坦电网的重要地位，加之空载误强励事故时有发生且破坏性极强，中国标准中对空载误强励灭磁作出了明确要求，对巴基斯坦T电站这种容量大、影响深远的电站，不但需要计算机端三相短路、励磁回路短路两种典型短路灭磁工况的参数，更应该对空载误强励灭磁工况进行计算，确保磁场断路器能在任何恶劣的灭磁工况下可靠灭磁。

根据机组运行工况和事故类型，机组还有空载灭磁、负载灭磁、正常强励灭磁等其他工况，文献分析表明，这几种灭磁工况均不如机端三相短路及空载误强励严重［12-13］。因此，本节不对这3种事故灭磁过程中的参数进行分析计算。

1.2 额定分断能力分析与计算

1.2.1 空载误强励时分断能力分析计算

（1） 空载误强励灭磁时最大分断电压Ubm计算。在空载误强励时，发电机主保护不会动作，待机端电压上升至1.3倍额定电压后，按中国标准DL/T 684-2012《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》规定，定子过电压保护延时0.3 s动作跳闸，保护动作后约0.4 s，磁场断路器分闸。

发电机机端1.3倍额定电压时，转子磁路已较饱和，时间常数已很小，可认为0.4 s期间，发电机电压仅有较小增加，估算时参考其他电站［7］发电机过电压倍数取1.35，强励时晶闸管控制角α=10°。此时励磁功率整流器的输出电压Udm可计算如下：

Udm=1.35×1.35U2Ncosα-

π3KciIfNXTE-∑ΔU（1）

式中：Udm为整流器输出电压，V；U2N、SN、Kci、IfN、uk等参数定义、数值及单位见表1；XTE为励磁变电抗，XTE=uk·U22N/SN；∑ΔU为包括励磁变电阻压降、晶闸管压降和电缆压降等压降总和，强励时按30 V估算。

一般认为1.3倍过电压灭磁开始时，转子电流已达到稳态值。转子起始电流If（0）可计算如下：

If（0）=UdmRf（2）

式中：If（0）为转子起始电流，A；Udm为整流器的输出电压，V，由式（1）计算；Rf为转子电阻，数值及单位见表1。

灭磁分断过程中，转子电流向灭磁电阻转移，灭磁电阻电压逐渐升高，熄弧分断时达最高值，此时转子电流If（0）完全转移至灭磁电阻，灭磁电阻电压Urm为：

Urm=CIβf（0）（3）

式中：Urm为灭磁电阻电压，V；If（0）为转子电流起始电流，A；β为灭磁电阻非线性系数，取0.4；C为灭磁电阻电压系数，取34.15。

忽略各种压降，磁场断路器最大分断电压Ubm，等于整流器的输出电压和灭磁电阻电压之和，可由式（1）和式（3）计算如下：

Ubm=Udm+Urm=Udm+CIβf（0）=3000（4）

式中：Ubm为最大分断电压，V；Udm为整流器的输出电压，V；Urm为灭磁电阻电压，V；If（0）为转子电流起始电流，A；β为灭磁电阻非线性系数，取0.4；C为灭磁电阻电压系数，取34.15。

（2） 空载误强励灭磁时最大分断电流Ibm计算。磁场断路器分断电流随灭磁分断过程衰减，最大值为触头刚分离时，熄弧分断时为零。由于磁场断路器触头分离前灭磁电阻投入，在整流器输出电压Udm的作用下将产生流过磁场断路器触头的附加电流分量Ir（0），最大分断电流Ibm为转子初始电流If（0）与流过灭磁电阻的附加电流Ir（0）之和：

Ibm=If（0）+Ir（0）=If（0）+elnUdmCβ=25.6（kA）（5）

式中：Ibm为最大分断电流，A；If（0）为转子初始电流，A；Ir（0）为流过灭磁电阻的附加电流，A；Udm为整流器输出电压，V；β和C分别为灭磁电阻非线性系数和电压系数。

1.2.2 机端三相短路时分断能力分析计算

（1） 机端短路灭磁时最大分断电流Ibm计算。机端三相短路时，发电机主保护动作跳闸灭磁，计及保护动作时间及磁场断路器的分闸时间约0.1 s后，最大分断电流Ibm为机端三相短路发生后0.1 s时的转子电流，由文献计算如下［13］：

Ibm=If（0.1）=I-f 0e-0.1T′d+Xd-X′dU（0）X′de-0.1T′d+Xd-X′dU（0）X′de-0.1TaIf 0=9293（6）

式中：Ibm为最大分断电流，A；If（0.1）为机端三相短路发生后0.1 s时的转子电流，A；

I-f 0为短路发生前转子电流，A，取1.1倍发电机额定励磁电流；

U（0）为短路前发电机电压，标么值，取1.05；

If 0、Xd、X′d、T′d等參数定义、数值及单位见表1。

（2） 机端三相短路时最大分断电压Ubm计算。如三相短路发生在发电机断路器与发电机之间，发电机断路器分闸后，短路点仍然存在，此时机端电压为0，灭磁电阻上无附加分断电流分量，故要求的分断能力不高。

如三相短路发生在发电机断路器另一侧（电网侧），强励动作，短路切除后机端电压快速恢复，假设灭磁时仍未达到切除强励的机端电压，取机端电压0.95UN，晶闸管强励控制角α=10°，最大分断电压Ubm为整流器输出最大电压Udm与灭磁电阻最大电压Urm之和，忽略压降，由式（1）和式（3）计算为

Ubm=Udm+Urm=1.35×0.95U2Ncosα+CIβbm

=2469（7）

式中：Ubm为最大分断电压，V；Udm为整流器输出电压，V；Urm为灭磁电阻电压，V；U2N为励磁变副边电压，A；α为晶闸管控制角，（°）；Ibm为最大分断电流，A；β为灭磁电阻非线性系数；C灭磁电阻电压系数。

（3） 磁场断路器额定分断能力分析。比较空载误强励和机端三相短路两种灭磁工况下的分断电压和分断电流，空载误强励灭磁的数值更大，因此磁场断路器额定分断能力应按空载误强励灭磁工况来考核，应具有在3 000 V电压下分断25.6 kA的额定分断能力。

1.3 额定短路分断能力分析与计算

额定短路分断能力主要考证断路器在发电机励磁回路发生正、负极短路时的开断能力，若整流器晶闸管的快速熔断器未熔断切断短路电流，励磁变压器过电流保护将动作停机并跳磁场断路器灭磁，此时磁场断路器需分断磁场短路电流。

（1） 额定短路分断电流Idsm计算。按照ANSI/IEEE C37.18-1979（R2003）《旋转电机磁场放电回路封闭式断路器》定义，直流磁场断路器额定短路分断电流应不小于顶值电压时的转子短路电流。此时，发电机机端电压仍小于0.95UN，整流器输出顶值电压（即强励），短路电流平均值Ids为

Ids=32πukSN3U2NKu=5.49（kA）（8）

式中：Ids为短路电流平均值；U2N、SN、uk等参数定义、数值及单位见表1；机端电压倍数Ku取0.95。

额定短路分断电流Idsm应不小于Ids，即

Idsm≥Ids （9）

（2） 额定短路分断电压计算。此时直流侧已短路，恢复电压Ubsm就是整流器的输出电压，忽略励磁变压器的换流压降，恢复电压Ubsm可计算如下：

Ubsm≥1.35KuU2Ncosα=1149（V）（10）

式中：Ubsm为恢复电压，V；U2N为励磁变副边电压，A；Ku为机端电压倍数取0.95；α为晶闸管控制角，强励取10°。

（3） 磁场断路器额定短路分断能力分析。由以上分析可知，磁场断路器应具有在1 149 V电压下分断54.9 kA电流的额定短路分断能力。

1.4 磁场断路器其他主要参数分析与计算

磁场断路器其他参数按ANSI/IEEE C37.18-1979（R2003）《旋转电机磁场放电回路封闭式断路器》标准计算如下。

（1） 额定电压UN。该电压为磁场断路器长期连续工作的最大电压。该电压应大于发电机机端1.1倍额定电压且整流桥全开放时的励磁电压，即UN≥1.35×1.1U2N=1 351（V），取1 500 V。

（2） 额定连续电流IN。该电流应大于发电机额定励磁电流110%，即IN≥1.1IfN=3 587（A），取4 000 A。

（3） 磁场断路器的绝缘耐压Uj。磁场断路器应具有与发電机转子回路相同的额定绝缘水平，即与转子回路直接连接的设备或回路的绝缘耐压试验电压值。对发电机额定励磁电压为500 V及以下者，出厂试验电压（50 Hz，有效值）为10倍额定励磁电压，且最小值不得低于1 500 V，即Uj ≥10UfN=4 720（V），取4 800 V。

2 磁场断路器选型研究

2.1 磁场断路器参数要求

根据上节的计算和分析，磁场断路器的主要参数要求见表2。

2.2 磁场断路器性能参数分析研究

目前分断能力较高的断路器有法国LENOIR CEX系列开关、瑞士Sécheron公司的UR开关和HPB开关、美国GE公司Gerapid开关等，其中CEX开关为双极多断口开关，其他开关均单断口开关，有文献［8，14］表明，Gerapid开关弧压稳定且比同级别UR及HPB断路器分断能力强。因此，选取其中代表性的CEX 06 5000 4.2和Gerapid 4207 2X2开关进行分析比选，其参数及巴基斯坦T电站磁场断路器的参数要求如表3所示。

对表3数据分析如下。

（1） 额定电压和额定连续电流：两种开关都不小于1 500 V，均满足要求。

（2） 额定最大分断电压及额定最大分断电压下的额定分断电流：Gerapid 4207 2X2开关并非励磁系统专用的磁场断路器，无磁场断路器特有的额定最大分断电压参数，但给出了最大弧压值4 500 V，大于所需要的最大分断电压要求值3 000 V，中国磁场断路器标准对磁场断路器分断能力是按最大分断弧压来要求的，所以也满足要求。CEX 06 5000 4.2开关额定最大分断电压为3 000 V，满足要求。

同样，Gerapid 开关也无磁场断路器特有的额定最大分断电流这一参数，一般整流器直流侧短路电流总大于发电机的额定分断电流，故满足整流器直

流侧短路分断要求（即额定短路分断能力）的磁场断路器，可满足发电机额定分断电流的要求。由表3知，Gerapid 4207 2X2开关额定短路分断电流为71 kA，大于25.6 kA，满足要求。CEX 06 5000 4.2开关在3 000 V的电压下分断电流为5 kA，小于25.6 kA，从数值上看，不满足要求。

（3） 额定短路分断电压和额定短路分断电流：Gerapid 06 5000 4.2开关在额定短路电压2 000 V时额定短路电流为71 kA（大于54.9 kA），满足要求。CEX开关的产品样本只有700 V电压下的短路分断电流值，为80 kA，无法判断在1 149 V电压下是否能分断54.9 kA短路电流。

（4） 绝缘耐压：两种开关均大于4 800 V，满足要求。

2.3 磁场断路器分析与选择

下面从参数、型式、结构等方面对两种开关进行综合分析判断。

从参数看，Gerapid 4207 2X2开关能满足巴基斯坦T电站磁场断路器所有主要参数的要求;CEX 06 5000 4.2开关额定分断电流不足，而额定短路分断能力又无法判断，所以从参数看，CEX开关不能完全满足要求，需采取其他辅助措施才能满足要求，如误强励保护［11］、优化定子过电压保护定值 ［15-16］、辅助逆变器［17］措施等。

从型式看，Gerapid 4207 2X2开关为单断口开关，不满足业主双极多断口的要求；CEX 06 5000 4.2开关为双极4断口断路器，满足业主要求。

从结构看，Gerapid 开关拥有紧凑封闭的结构，体积小；CEX开关体积较大，电站机旁盘柜布置空间紧张，采用Gerapid 断路器可减少1面盘柜，利于设备合理布置。

一般认为，参数的重要性远大于其他方面的要求，参数不够可能会带来灭磁失败乃至设备烧毁等灾难性后果。而结构方面比如双极要求，可通过增加负极隔离开关或断路器来满足。负极隔离开关或断路器只用作隔离和检修断口，不用于灭弧，它与磁场断路器之间应设置电气闭锁，只有在磁场断路器跳闸后才能动作。

基于以上分析，投标方案选用了Gerapid 4207 2X2开关作为磁场断路器，与外方签订的项目主合同一致。在合同执行阶段，也将Gerapid 4207 2X2断路器为单极开关，与招标文件要求的双极多断口开关有出入，告知业主，并将多断口开关CEX 06 5000 4.2作为备选方案供业主工程师审查，以便业主综合评判和取舍。

3 结 语

目前，巴基斯坦T电站暂按Gerapid开关设计，但由于其单断口结构不能完全满足业主合同要求，所以还不能完全排除CEX开关。CEX开关作为目前唯一带有放电辅助触头的多断口励磁系统专用磁场断路器，具有许多独特优势，例如其多断口结构利

于产生检修断口，独有的放电常闭触头使灭磁电阻

投入回路大大简化，专门弧触头设计能更好地保护主触头等。从CEX 98/06 5000 - 5500 A磁场断路器型式试验报告看，其分断弧压远高于其样本上的额定分断电压，其分断能力被低估。鉴于其分断电流的不足，可采取2.3节所述措施来降低灭磁时转子电流，从而降低断路器分断电流的要求。对于巴基斯坦T电站，还可采用交直流冗余灭磁方式，在励磁变压器低压侧增加1个交流磁场断路器构成交流灭磁系统，在空载误强励时采用交流灭磁，由交流磁场断路器分断灭磁，三相短路时，采用直流灭磁，主要由直流磁场断路器分断灭磁，交直流灭磁相互配合，可大大降低磁场断路器的要求，但这种方案需增加投资，暂不推荐。

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（编辑：唐湘茜）

Parameters design and selection of magnetic field circuit breaker for T power station in Pakistan

ZOU Laiyong，ZHOU Qiang，GUI Yuanqian

（Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：

T-station in Pakistan has large generator capacity and high rated excitation parameters，so the parameters of field circuit breakers are also very high.In order to determine the parameter requirements of field circuit breaker and provide a quantitative theoretical basis for the selection and design of field circuit breaker，the research method of qualitative analysis combined with quantitative calculation is adopted to analyze and study various possible fault types and corresponding de-excitation conditions of Pakistan T power station，and calculate the rotor voltage and rotor current under various serious de-excitation conditions，so as to determine the parameter requirements of field circuit breaker.Through the comparison and analysis of the Gerapid 4207 2X2 and CEX 06 5000 4.2 breakers with high breaking capacity.It is shown that the Gerapid 4207 2X2 breaker can meet the requirements of de-excitation breaking in case of generator accident for Pakistan T power station.The research conclusion can provide technical support for the equipment selection during the project bidding and the main contract signing．

Key words：

field circuit breaker； rated breaking capacity； Pakistan T power station