基于ETAP软件的发电机断路器选型计算

李振中

（北京沃利帕森工程技术有限公司北京100012）

摘要：发电机断路器的使用越来越广泛，但国内对于其选型方法尚存在争议。本文借助ETAP软件中的IEC和IEEE两个不同短路电流计算模块，分别对一个案例发电厂的发电机断路器进行选型，并对短路电流计算方法及其对应的选型结果进行了对比讨论。认为IEEE短路计算标准是使用ETAP进行发电机断路器选型时应该优先考虑的算法。

关键词：发电机断路器，选型，短路电流计算，ETAP

Abstract：TheuseofGeneratorCircuitBreaker（GCB）isincreasinginChina，yetthesizingmethodofGCBremainscontroversial.Inthisarticle，bothIECandIEEEshortcircuitcalculationmodulesinETAPareemployedforsizingtheGCBinastudycase.Bythecomparingthetworesults，IEEEmethodisrecommended.

KeyWords：GeneratorCircuitBreaker，Equipmentsizing，ShortCircuitCalculation，ETAP

0发电机断路器使用现状

发电机断路器在发电机与主变压器之间提供了一个断开点，可以提供更高的运行灵活性，提高电厂的可利用率。但是由于我国以煤电为主，电网也比较健壮，发电机断路器一直没有得到广泛应用。随着近年来核电、燃机电厂以及海外项目逐渐增多，发电机断路器才开始逐步被国内工程师熟悉。

1发电机断路器选型原则

美国电气和电子工程师协会（IEEE）及我国相关机构均发布了专门针对发电机断路器的标准，用于指导该设备的设计、制造及选型。在选型时，除去常规的额定电压、额定电路等参数，最应该重视的是发电机源短路和系统源短路时的交流分量有效值以及直流分量百分数。

由此可见，发电机断路器的选型在很大程度上是基于短路电流计算结果的。使用不同的短路电流计算方法将得到不同的计算结果，以此为指导选出的断路器就有可能不同。

目前国内外常用的短路电流计算方法有三种，分别是传统算法，IEC标准算法及ANSI/IEEE标准算法。

传统算法基于对系统阻抗网络的变换化简，并借助运算曲线来确定发电机的短路电流水平。传统算法被广泛使用于电力工程设计。

IEC60909标准早在1995年就被引入我国并成为国家标准。IEC算法对于不同元件的计算阻抗都有着明确的规定，并对发电机近端及远端短路做了区分。在IEC标准中还引入了电压源的电压修正因子。所以IEC算法更加精确并贴近实际。

ANSI/IEEE短路电流计算标准主要在使用美标的国家和地区使用。IEEE短路计算标准是专门针对断路器等设备选型的。该算法对于系统元件的等值电抗、短路前电压等做了相应规定。

对于发电机断路器选型而言，并没有相关标准中规定用于指导其选型的短路计算应当使用哪种算法。在国标GB/T14824及IEEEStdC37.013中都附上了一个发电机断路器选型的算例，该算例计算了发电机在额定功率因数下空载运行时的短路水平。但是，对于发电机源短路电流而言，短路前满载的短路水平可能大于短路前空载，发电机欠励状态的短路电流非对称度通常大于正常状态，所以该算例中计算的滞后功率因数下空载状态短路并不一定是最严重的工况。不同的工况对于系统源短路电流也有影响。所以在上述两本标准中也都推荐使用适当的计算机程序计算发电机欠励状态时的短路电流[1][2]。

3工程算例

本文将使用一个FX发电厂工程作为算例，使用ETAP12.5.0中的IEC标准和ANSI标准模块分别进行发电机出口处的短路计算，并使用计算结果进行发电机断路器选型。

FX发电厂工程主要相关设备的参数如下：

其中发电机主要参数为SG=612MVA，UG=20kV，x"d=0.206，cosφ=0.85；

主变压器主要参数为ST=610MVA，UT=242kV/20kV，Uk=16%；

电网主要参数为S=14670MVA，X/R=30。

将简化后的FX电厂主接线在ETAP软件中建立模型，如图1所示。为了对比IEC与IEEE算法对于发电机断路器选型的影响，本文在使用不同算法时仅对发电机断路器模型和计算方法做了修改，其他设备参数均保持不变。

3.1IEC标准算法

在ETAP软件短路模块下的案例分析编辑器中选择使用IEC标准，并将发电机断路器也选为IEC标准。其他主要参数如下表1所示。

当使用ANSI标准的断路器且使用ANSI算法模块时，ETAP会针对发电机断路器自动计算不同发电机工况下系统源与发电机源的短路电流，并给出选型所需的各个结果。从ETAP软件生成的报告中摘录主要计算结果如下表5所示：

从上表短路电流计算结果可知，如果只考察发电机滞后功率因数满载短路的工况，选择开断电流为100kA，关合电流为300kA等级的断路器设备是满足要求的。这与使用IEC算法的选型结果是一致的，甚至使用ANSI算法计算得到的对称开断电流及直流分量比使用IEC算法得到的结果还要小一些。这就意味着使用该断路器有更大的裕度。

但实际情况并非如此，其它几种工况的计算结果表明，该断路器需要开断的最大电流出现在发电机欠励时的系统源短路工况，为106.819kA。所以该100kA型号的断路器并不能满足要求，应该选择大一级的开断电流为130kA的断路器产品。

4分析及结论

通过对比多个工程的计算结果可知，该算例的计算结果具有一定普遍性。对于发电机在额定功率因数下带额定负载的工况而言，IEC算法的结果通常要比IEEE算法大一些。但是使用IEEE算法计算出的其他工况的短路水平则可能会更大。所以在选型时十分有必要计算不同工况下的短路水平以便更加稳妥的选择设备。

另一方面，IEC与IEEE两个标准体系评价短路电流水平及电气设备的参数是不同的。总体而言，IEC标准偏向于理论计算，而IEEE则更偏重于指导设备选型。而发电机断路器是按照ANSI/IEEE标准制造的。所以使用IEEE标准选型具有其合理性。目前断路器制造商也使用IEEE算法选型。

综上，使用ETAP软件进行发电机断路器选型时推荐使用IEEE短路计算标准以校核多种工况，并适当保留一定裕量以获得更大的可靠性。而IEC算法则可以用来校验选型结果。

参考文献：

[1]GB/T14824-2008，高压交流发电机断路器；

[2]IEEEC37.013，ACHigh-VoltageGeneratorCircuitBreakersRatedonaSymmetricalCurrentBasis。