摘要：发电机断路器具有额定电流大、开断短路电流直流分量高、开断瞬态恢复电压（TRV）上升快等特点，分析了这些特点产生的原因，并阐述了目前解决这些特性问题的主要方法，即利用电弧特性避免短路电流长延时过零、断路器两端加装吸收电容限制TRV上升率，为大容量发电机选型提供参考。

    0 引言

    发电机断路器（Generator Circuit Breaker、GCB）是联结于发电机和变压器之间的大电流开关设备，由于其具有能够提高厂用电可靠性和灵活性、提高发电机组和主变压器的可靠性、改善机组同期条件、满足机组频繁启停、简化继电保护接线等技术优势，以及制造水平和运行经验的成熟，近年来在多种类型发电厂中得到广泛应用。
    目前商用发电机断路器主要有S F6型断路器和真空型断路器两种。压缩空气型断路器由于其尺寸大、操作过程中机械振动较大，现已很少应用。SF6型发电机断路器额定电压一般为24 kV和36 kV、额定电流一般在10～24 kA，通常用于300 MW及以上的发电机组。真空型发电机断路器额定电压一般为15 kV及以下，额定电流为6 300 A以下，主要用于100 MW及以下的发电机组。
文中分析了大容量发电机断路器的主要参数，为设备选型提供参考。

    1 发电机出口故障特点
    同步发电机出线突然短路后，短路电流峰值可达额定电流的20倍，这是因为突然短路过程中发生于同步电机内部的物理现象与稳态短路有很大区别，电枢电流和相应的电枢磁场幅值会发生突然变化导致定子绕组与转子绕组电流相互影响，从而使短路过渡过程变得非常复杂。由于发电机空载短路时短路电流最大，文中主要研究发电机出口空载短路后短路电流直流分量的产生与发展。
    1.1发电机出口短路直流分量的产生
    发电机空载时，由于定子绕组开路，气隙主磁通φ0。仅由励磁电流If建立，对于定子绕组而言是一个频率为。的交变磁场。短路后，定子绕组已闭合，根据磁通守恒定理，定子绕组将产生感应电流以阻止气隙磁场的变化。短路时刻同步电机磁场分布示意如图1所示。

    图1中n1为转子转速；φ0为气隙磁场主磁通；N0、S0为转子等效磁极。


    式（1）中φia、φib、φic为定子a、 b、 c相主磁通；口f为励磁磁通；φ0a、φ0b、φ0c为定子a、 b、c相漏磁通。
    当忽略定子回路电阻时，由式（1）可知，为实现气隙磁场磁通守恒，短路后定子电流产生的磁链应由两部分构成，一部分为交流分量，用于补偿励磁电流产生的旋转磁通φfsinwt；另一部分为直流分量，用于维持短路瞬间气隙磁场磁通φ0，该部分磁通空间上保持静止（下文称气隙静止磁场）。因此，定子电流将会出现交流分量和直流分量，且磁路不饱和情况下，短路电流直流分量与气隙静止磁场成正比。由于短路瞬间气隙磁场也是由励磁电流建立，故其可能出现的最大值为φf，从而可知定子短路电流直流分量可能出现的最大值与交流分量初始峰值相等。

    1.2发电机出口短路直流分量的发展
    短路电流直流分量是由气隙磁场静止分量在定子绕组上感应出的电流，因短路后气隙磁场静止分量失去励磁，短路直流分量也随即失去电源，故定子直流回路等效为零状态电路，其衰减时间常数Ta将有定子绕组电阻Ra和气隙静止磁场对应的等效电感L。确定，对应能量转换过程为气隙静止磁场能量转变为定子电阻消耗的热能。由于气隙静止磁场与旋转的转子交、直轴交替的重合，故其对应的电抗可取即X＂d与X＂q的算术平均值，即负序电抗X_。
    发电机短路电流直流分量衰减时间常数Ta与发电机容量、型式以及制造工艺等等有关。GB 14824-2008《高压交流发电机断路器》中推荐发电机时间常数值为150 m s、《水电站机电设计手册》中推荐水轮发电机组时间常数为110～300 m s。由于短路交流分量衰减快于直流分量衰减，导致短路电流延时过零点，如图2所示，严重时甚至短路后的多个周期无过零点。随着发电机容量增加，发电机负序电抗（标么值）并未显著变化，但电阻值（标么值）却明显减小，因此导致大容量发电机时间常数超过上述值，部分发电机组时间常数见表1。

[1] [2] [3]  下一页