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发电机断路器的应用和技术条件
张希泰1，弋东方2
(1.天水长城开关厂，甘肃天水741018；
2.西北电力设计院，陕西西安710032)  
    摘  要:文章介绍了发电机断路器的现状、应用范围及特殊技术要求，为开发此类产品提供了技术参考。
    关键词:发电机断路器；技术条件；应用
    发电机断路器作为发电机主回路的重要设备，已在国外发电厂中得到广泛应用。近年来，国内一些大中型发电厂的应用也日渐成趋势。
1发电机断路器的应用
    单机容量为50 MW及以下的小型电厂，一般设有发电机电压母线，以直配式方式供电。现有国产的6～10 kV中压真空或SF6断路器，其额定电流、开断电流等主要技术性能已基本能满足运行要求。小型电厂因其效率低、成本高、浪费资源、污染环境等原因，国家已明令限制发展。因此，这里不讨论小型电厂用发电机断路器。
1.1发电机断路器在大型电厂中的应用
    单机容量为300～600 MW的大型发电厂，传统采用发电机——变压器单元接线方式，18～20 kV的发电机电压直接通过主变压器升高到220～500 kV电压，然后汇流送出。机组的厂用电则从发电机与变压器之间分支。
     以送出电压为500 kV 2台300 MW机组为例，电气主接线如图1所示。
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    发电机（F）与变压器（B）之间不允许短路，同时为了解决大电流引起的钢构发热，在发电机与主变、厂变之间的导体采用离相封闭母线。
    启／备变的作用是给电厂提供启动和备用电源。当电厂附近没有变电站，而需要从较远处引接送电时，投资会大幅增加，而且还会有电相角偏差等其它技术问题。如果启／备变的高压侧直接从本厂500 kV升压站引接，代价也非常昂贵。
    这时，如图１虚线所示，在发电机出口加装一台断路器（CB）会有以下优越性：提高电厂的整体经济性，初期投资和运行费都会降低；提高供电可靠性，减化操作程序；改善保护性能，提高安全性；增加电厂运行的灵活性，适应多种运行方式；缩小继电保护分区，提高保护的动作选择性和故障分辨能力。
    自1969年第一台发电机断路器诞生以来，发电机——断路器在世界各国得到了广泛应用。据国际大电网会议（CIGRE）统计，目前全世界有超过50％的核电厂与超过10％的火电厂采用了发电机断路器。近年来，国内核电站、水电站以及新近建设的火力发电厂也都装设了发电机断路器。核电站如秦山、大亚湾等；水电站如四川二滩、广西岩滩、青海李家峡、黄河小浪底、广东从化等；火电厂如广东沙角Ｃ电厂、河南沁北（在建）、湖南黄冈（在建）等。国内大容量以及安全性要求高的机组中装设发电机断路器已渐成趋势。
    我国每年新建的大型机组在30台以上，而在发电机出口装设断路器（CB）的需求，也日渐增长。
1.2发电机断路器在中型电厂中的应用
    单机容量为100～135 MW的中型电厂，也都是采用发电机——变压组单元接线方式。不过，它是从13.8 kV升压到110～220 kV。机组厂用电也是从发电机与变压器之间引接，如图２所示。

    所不同的是，这种机组在发电机到变压器之间，不采用离相封闭母线，大多是槽形母线构成的共箱母线桥，不能杜绝短路的发生。所以，在发电机出口装设断路器（CB１）和在厂用变压器高压侧装设断路器（CB２）是必要的。它增加了发电厂运行的安全可靠性和操作灵活性。
    CB１和CB２安装位置不同决定了它们不同的运行工况和技术要求。
    虽然，中型电厂在限制发展。但我国每年的在建和新建项目总量仍然相当可观，每年仍有数十台发电机投入运行。
2发电机断路器的工作条件及技术要求
    发电机断路器属中压范畴，与配电用断路器相比，有其共性，也有自己突出的个性，需要区别对待。
2.1环境条件
    DL 427-1991《户内型发电机断路器订货技术条件》规定如下：
    环境温度分级：＋40　℃～－15　℃
    　　　　　　　 ＋40　℃～－25　℃
  　　　　　　　 允许在－35 ℃条件下储运
    周围空气温差：15　℃
    海拔：1 000 m及以下地区
    　　　1 000～3 000 m地区
    耐受地震能力：水平加速度：0.15 g，0.3 g
                  地震强度：８度，９度
    瞬间噪音：＜115 dＢ
2.2型式结构
    根据工程实际需要，通过技术经济比较，分析确定发电机断路器的型式。其基本分类如下：
    a. 型式少油型、压缩空气型、SF6型、真空型。
    b. 操作机构电磁式、压缩空气式、液压式、弹簧式。
    c. 本体结构立式、卧式（大型机型适合配卧式，中型机型适合配立式）。
    d. 冷却方式强制水冷、自然风冷、强制风冷、强制水冷和强制风冷，将根据额定电流大小，发热情况和结构型式而定。
    e. 操作方式三相联动（电气或机械）。
    f. 操作频度承担调峰任务的水电厂或抽水蓄能电厂有较频繁的操作，其它为一般。
2.3通用技术要求
    这里是指与普通的配电用断路器雷同的一些技术要求。
2.3.1额定最高工作电压及绝缘水平
    DL 427-1991《户内型发电机断路器订货技术条件》分别给出了额定最高电压及相应的绝缘水平，见表1。

2.3.2额定电流
    发电机断路器的额定电流应为发电机额定电流的1.05倍，即发电机回路的持续工作电流。选用R10系列，可在以下数值中选取：1.25、1.6、2.0、3.15、4.0、5.0、6.3、8.0、11.0、12.5、14、16、18、20、22、25、31.5、40、50 kA等。
    考虑到断路器是没有过负荷运行能力的，此时断路器工作的周围环境温度也高，特别是卧式全封闭结构，因此断路器的额定电流的取值应比回路最大工作电流大，建议见表2。
2.3.3额定频率
    额定频率为50 Hz、60 Hz。
2.3.4额定热稳定电流及其额定持续时间
    额定热稳定电流等于额定短路开断电流，持续时间一般为1 s。

2.3.5额定动稳定电流
    额定动稳定电流为峰值电流，等于额定开断电流的2.8倍。
2.3.6额定关合电流
    额定关合电流等于额定动稳定电流。
2.3.7时间参数额定值
    三相分闸不同期性：相间≤5 ms；
    三相合闸不同期性：相间≤10 ms。
2.4关键技术要求
    发电机回路电气设备工作的特点是：额定电流大、短路电流大、直流分量含量高、失步开断等。额定电流已为前述，下面仅讨论几个关于开断方面的问题。
2.4.1额定开断电流（对称值）
    如图3所示，K1、K2、K3不同短路点对GCB和TCB的要求是不同的。对GCB而言，K1点短路通过的是系统源提供的短路电流；K2点短路通过的则是来自本机组发电机源提供的短路电流。由于主变压器及系统的短路电抗之和总低于发电机的次暂态电抗（Xd″），所以系统源提供的对称短路电流总大于发电机源提供的短路电流。IEEE Std C37.013给出的算例中，发电机额定容量为588 MVA，机端额定电压21 kV，高压厂用变压器容量为2×35 MVA。计算结果，系统源提供的短路电流为105.9 kA，厂用高压电动机提供6.14 kA，合计为112.04 kA。 

    一般中型机组还要装设TCB。虽然回路额定电流不大，但K3短路时通过的短路电流却为系统源和发电机源提供的短路电流之和。发电机提供70.8 kA，则总和达到105.9＋70.8=176.7 kA。
    推荐的额定开断电流对称值如下：
    300 MW机组GCB：80～100 kA；
    600 MW机组GCB：160～180 kA；
    135 MW机组GCB：63 kA；TCB：80 kA。
2.4.2额定开断电流（非对称值）
    短路电流中常伴有直流分量。直流分量的衰减与系统的X／R有关。由于系统参数的不同，直流分量衰减常数也不同。国际电工委员会（IEC）给出的通用值为X／R=15。相当于T=0.04～0.047 s。我国国标考虑到常用配电断路器的固有分闸时间，规定出配电断路器的直流分量的开断能力一般为周期分量幅值的20%。发电机断路器所处的位置X／R非常小，直流分量衰减时间较长，如图4所示。

    在相同的开断时间内，直流分量的含量很高。特别是发电机源(K2点短路)比系统源（K1点短路）提供的短路电流中，直流分量含量更高。
    同样，虽然厂用支路中的TCB额定电流不大，但开断短路电流的周期分量和直流分量都非常之大。
    据IEEE估计，大中型机组发电机出口短路其非对称度可达到110%～130%（非对称度为直流分量与周期分量幅值的比值）。非对称值的开断往往超过了额定短路开断电流对称值。
2.4.3失步开断
    失步状况是在断路器操作瞬间，由于发电机和电力系统之间失去同步或达不到同步而引起的一种不正常回路状况。此时在断路器两边电压的旋转向量之间出现了相位差，这种相位差有可能超过正常值，甚至高达180°。
    显然，在失步状态下，断路器的合分能力将下降。这对发电机断路器将提出苛刻的条件。在全反相开断（失步角180°）情况下，额定失步开断值为额定短路开断电流值的25%。如果不考虑全反相开断，例如，仅设定最大失步角为90°，其额定失步开断电流用不大于额定开断电流的50%。试验条件见表3。

2.4.4暂态恢复电压
    由于回路参数的不同，发电机断路器在开断时将面临高的暂态恢复电压陡度，其原因是回路分布电容较小，而发电机电抗也较小，导致断路器开断时引起的高频振荡频率甚高，陡度甚高。因为：

式中L为MH级、C为pF级，估计振荡频率可达10.4～10.5　Hz。
    西门子公司生产的发电机断路器，通过的恢复电压陡度试验达到4.5～10 kV／μs，而普通配电断路器，IEC 56规定为0.24～0.57 kV／μs。
    为了降低或改善恢复电压陡度，国外一些厂家生产的发电机断路器，在其两侧都配有吸收电容器。如果装设阻容吸收器，不仅能降低频率，降低陡度，还能降低截流过电压。
    尚未见到该装置的真型试验报告及相应示波测试图。关键问题是阀片吸收能量能否满足短路电流的能量；弧压降不大，能否保证阀片如期导通。
3小结
    a. 发电机断路器在中大型电厂中的应用有增长趋势，前景广阔。国内制造水平和产量远不能满足要求。
    b. 发电机断路器的工作条件有其特殊性，研发制造时应充分把握其技术关键和控制难点。
参考文献：
［１］DL 427-1991，户内型发电机断路器订货技术条件［S］.
［２］GB/T 14824-1993，发电机断路器通用技术条件［S］.
［３］GB 1984-1989，交流高压断路器［S］.
［４］DL 402－1999，交流高压断路器订货技术条件［S］.