发电机大机组中发电机断路器应用的探讨

1　发电机断路器的发展概况

　　自本世纪40年代初起，随着工业、制造水平的提高以及电力需求的不断增加，大容量发电机组的生产制造不仅成为可能，而且成为满足电力市场需求的要求。随着发电机单机容量的不断增大致使短路电流迅速提高，使普通的中压开关已无法满足开断能力的要求，同时为了提高安全可靠性，导致了离相封闭母线的迅速发展以及发电机、变压器单元接线的广泛采用。至60年代中期，为了简化电厂的运行操作，提高机组的可用率以及核电技术的需要，越来越多的专家认为采用发电机断路器是十分必要的。正是这种需要导致了BBC公司在1969年开发出第一台可在大型发电机机端直接操作的DR型空气断路器。该断路器为离相式全封闭结构，以压缩空气为灭弧介质，操动机构也采用压缩空气，额定电流达50000A，开断能力为250kA，其中额定电流为11000A以下的断路器采用自然风冷，11000～20000A采用强迫水循环风冷，20000～50000A则为水冷。从第一台DR型断路器投运至今，BBC/ABB共生产了大约600台投放市场，其故障率逐步缩小到0.5％左右，且渐趋稳定。操作故障率为20×10－6，相当于50000次操作出现一次故障，这一指标较高压断路器低20倍左右。1984年ABB推出了第一台HE型SF6发电机断路器，采用SF6气体作为灭弧介质，操动机构仍为气动。它利用SF6气体自灭弧(Selt－extinguishing)原理，由触头分开时产生的电弧来加热SF6气体，使其膨胀，形成熄弧所需的气体，同时电流流过固定触头内的线圈产生磁场，导致电弧旋转，以使对触头的烧伤减小至最低限度，而且相对独立的荷载触头与灭弧触头，保证了连续载流能力。1996年3月，ABB研制的HEC—8型发电机断路器通过了荷兰KEMA试验，该断路器额定电流可达24000A，开断能力达160kA，使得SF6断路器用于600MW发电机出口成为可能。由于SF6的采用使得整个断路器的结构更趋紧凑，故障率也更低，ABB公司1200台HE型(HEC和HEK)发电机断路器的故障率小于0.3％。现在发电机断路器已不仅仅是一台断路器，而是集成了电压互感器、电流互感器、隔离开关、接地开关等发电机与主变压器之间的设备，成为具有多种功能的组合电器。

　　除了ABB公司之外，法国GEC—ALSTOM公司、日本三菱等公司也先后开发出了SF6发电机断路器。GEC—ALSTOM公司生产制造发电机的历史较长，虽然它也生产SF6发电机断路器，但它是以生产空气式发电机断路器见长。它生产的SF6发电机断路器发展较缓慢，而且容量也小。空气式发电机断路器的最大参数是：额定电压36kV，额定电流37500A，开断电流275kA。空气式发电机断路器是利用压缩空气作为绝缘介质和灭弧介质以及断路器的操作与冷却用气。虽然空气式发电机断路器是一种系列性强、通用性高的产品，但其外形尺寸大，占地多，价格昂贵，且还需另外设置压缩空气系统。日本三菱公司于1977年开始生产发电机断路器采用的绝缘介质是SF6气体，其最大开断电流为110kA，开断次数10次；开断额定电流42000A时的开断次数为50次。目前开断电流为125kA的发电机断路器正在制造中。

　　除了以SF6气体和空气作为绝缘介质的SF6发电机断路器和空气式发电机断路器外，80年代末90年代初又利用真空技术开发了真空型发电机断路器，这种发电机断路器是由德国西门子公司开发和生产。8BK40、8BK41系列即是西门子公司生产的真空型发电机断路器，其额定电压7.2～17.5kV，其中8BK40的额定电流5000A，最大开断电流为63kA；8BK41的额定电流4000～12000A，最大开断电流为80kA。真空型发电机断路器由于在开断水平上受到限制，开断电流大于63kA的真空断路器制造已非常困难，而且价格也较昂贵，所以目前真空型发电机断路器在小容量机组中使用较多，在大机组中的使用受到限制。

　　国内发电机断路器的发展水平相对来讲还比较低，目前只有沈阳高压开关厂一家生产发电机断路器，80年代，引进法国GEC—ALSTOM制造技术，开始研制PKG2型发电机断路器，该型断路器自1986年开始至1988年已在葛州坝水电厂投运了14台，总的运行情况尚好，但是该产品体积大、噪声大，维护工作量较大。具了解，葛州坝水电厂已将这14台断路器全部更换为ABB公司的SF6断路器。目前沈阳高压开关厂正在积极开发研制SF6发电机断路器。

　　由于发电机断路器的独特性，发电机断路器除需满足现有的开关制造标准如IEC56—1987(High－voltage altemating－current circuit－breakers)、IEEE/ANSI－C37.08—1987、IEC694—1980(Common clauses for high－voltage switch－gear and control－gear standards)、IEC298—1990(A.C.metal－enclosed switch－gear and control gear for rated voltages above 1kV and up to and including 52kV)以外，1993年IEEE还专门颁布了用于发电机断路器的制造标准：IEEE C37.013—1993(ANSI/IEEE Standard for AC high－voltage generator circuit breakers rated on a symmetrical current basis),从而规范了现代发电机断路器的制造、试验及安装标准。我国相继也颁布相应的行业标准和国家标准：DL427－92《户内型交流发电机断路器订货技术条件》、GB/T14824《发电机断路器通用技术标准》。

2　发电机断路器在发电厂中的应用

　　从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。根据CIGRE所做的调查资料表明，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，特别是对厂用电系统可靠性要求较高的核电厂与大容量火力发电厂采用发电机断路器已成为一种趋势。在美国、英国、法国等发达国家中，其电力以核能、抽水蓄能电站为主，且机组容量较大，发电机出口均装设了断路器。在德国，新建设的容量大于259MVA的核电与容量大于588MVA的火力发电厂发电机也装设了发电机断路器。俄罗斯、芬兰等国的设计规范中明确规定火力发电厂中装设出口断路器。俄罗斯在其《火电设计技术规程》8.9条中规定：“单机容量为300MW及以上的每台发电机……在单元接线的所有情况下，在发电机与变压器之间均应装设断路器……”，因此在俄罗斯国内300MW及以上机组均装设了断路器或负荷开关。也正是由于这个原因，国内从俄罗斯引进的工程中，如：天津盘山电厂(2×500MW)、伊敏电厂(2×500MW)、辽宁绥中电厂(2×800MW)、辽宁营口电厂等均装设负荷开关。之所以采用负荷开关而不装设出口断路器，是因为俄罗斯仅生产敞开式空气断路器，无法使主回路封闭，降低了机组运行的可靠性。而负荷开关是封闭式的，可以通过外壳两端和封闭母线连接，使发电机主回路全部封闭，可避免发电机出口三相短路，提高机组的可靠性。我国的相关设计规程中也对采用发电机断路器的原则作了规定。《小型火力发电厂设计规范》GB 50049－94中第12.1.6条规定，“发电机与双绕组变压器为单元连接时，对供热式机组，可在发电机与变压器之间装设断路器；对凝汽式机组，不宜装设断路器，发电机与三绕组变压器为单元连接时，在发电机与变压器之间，宜装设断路器和隔离开关。厂用分支线应接在变压器与断路器之间。”；《火力发电厂设计技术规程》DL500—94中第11.2.6条规定，“容量为125MW及以下的发电机与双绕组变压器为单元连接时，在发电机与变压器之间不宜装设断路器；发电机与三绕组变压器或自耦变压器为单元连接时，在发电机与变压器之间宜装设断路器和隔离开关，厂用分支线应接在变压器与断路器之间。容量为200～300MW的发电机与双绕组变压器为单元连接时，在发电机与变压器之间不应装设断路器、负荷开关或隔离开关。容量为600MW发电机，当升高电压仅有330kV及以上一级电压，且技术经济合理时，可装设发电机出口断路器或负荷开关。当2台发电机与1台变压器或2组发电机双绕组变压器组作扩大单元连接时，在发电机与变压器之间应装设断路器和隔离开关。”近年来，国内核电站、水电站以及新近建设的火力发电厂也广泛装设了发电机断路器。核电机组因其重要性，均在发电机出口装设断路器，如秦山、大亚湾核电站等。水电机组由于要调峰，起动频繁，因此也都装设发电机断路器，如最近建设的四川二滩、广西岩滩、青海李家峡、黄河小浪底、广东从化水电厂等。火电厂中，截止1998年3月底投产的14台600MW机组中，只有广东沙角C电厂的3台机组装设了发电机断路器，其它机组均未装设。但是，从目前正处于前期设计中的火力发电厂中，大部分机组都有发电机断路器的方案，如河南沁北电厂、湖北黄冈电厂等。由此看来，国内在发电厂中采用发电机断路器，特别是大容量以及安全性要求较高的机组中装设发电机断路器也渐成趋势。

3　发电机断路器的主要作用

　　发电厂装设发电机断路器的主要作用是在于简化运行操作程序，减小发电机和变压器的事故范围，简化同期操作、提高其可靠性，方便调试和维护。

3.1　简化厂用电切换/操作程序

　　目前，我国的300MW及以下机组和部分600MW机组火力发电厂中，均设有专用的启动/备用变压器，无论是机组的正常启动、停机，还是因厂用工作变压器故障、检修，都需要进行厂用电源切换。

　　在发电机正常起动时，首先通过启动/备用变压器获得启动电源，当发电机建立正常电压并带一定负荷后，在通过厂用电切换装置切换到厂用工作变压器供电；发电机的停机过程与之相反。因此，在不设发电机断路器的发电厂，其正常启、停机组不可避免的要进行厂用工作变压器与启动/备用变压器之间的关联切换。由于厂用工作变压器与启动/备用变压器的电源取自不同的系统，两台变压器的阻抗值也不相同，这就造成了两台变压器低压侧母线之间存在初始相位差。由于初始相位差的存在，使得在正常并联切换时，两台变压器之间将产生较大的环流。严重情况下环流可达数千安培，如此之大的环流，即使在并联切换时间内对变压器不造成损害，也会对变压器的寿命产生累积影响。这对变压器的安全运行构成了很大的威胁。

　　发电厂厂用电的事故切换过程中，也存在着与正常厂用电切换过程中厂用工作母线电压与启动/备用母线电压之间的相位差。相位差过大，则难以保证事故切换的成功，而且会对设备造成直接危害。例如，在事故快切过程中，如果允许相位差整定过大(超过40°)，则对高压电动机的暂态冲击电流可达额定值的18倍，极有可能引起高压电动机的损坏，这是安全运行所不允许的，即使将相位差整定到允许的范围内，由于频繁的厂用电源切换所造成的过电压、过电流、过负荷仍会对设备的使用寿命和安全运行带来不利的影响。因此，减少避免厂用电源切换将提高发电厂运行的安全可靠性。

　　采用发电机断路器后，发电机组的启停电源是经过主变压器倒送电至厂用工作变压器获得，从机组启动一直到发电机并网发电，整个过程都无须厂用电源切换。只有当厂用工作变压器发生故障或主变压器故障时，才需要厂用电源切换。有关分析结果表明：采用发电机断路器后，使厂用电源切换减少到约1/348，作用显著，从而有效地提高了发电厂安全可靠性。同时，这也使得厂用电的操作、运行难度大大降低。

3.2　提高发电机、变压器的保护水平

　　采用发电机断路器后，不论是在发生操作故障或在系统振荡时，还是在发电机或变压器发生短路故障时，都将提高保护的选择性，从而提高机组运行的安全、可靠性。

　　在发生操作故障或在系统出现振荡时，将引起发电机和电网之间的功率波动，不平衡电流引起发电机转子绕组过热。故障发生后，断开发电机断路器即可，而厂用电无须切换。待故障消失后，发电机与电网之间又可以通过发电机断路器快速恢复连接，避免了由于厂用电源切换故障造成的全厂停电事故。同样，当发电机发生内部故障时，发电机断路器可以在不切换厂用电源的条件下切除发电机内部故障，保证了安全停机。

　　由于采用了发电机断路器，不仅实现了发电机、变压器分别地、有选择地进行保护跳闸，简化了保护接线，而且机组内部故障无须动作于高压断路器从而避免了厂用电源的切换，这对于消除一些瞬时性故障特别是来自于锅炉、汽轮机的热工误发信号，尽快恢复机组的运行及避免因误操作而导致的损失非常有益。据沙角C电厂的经验，3台机组调试期间共动作800余次，多数情况下可在数十分钟内恢复机组的运行。

　　当发生故障后，保护有选择地动作于发电机断路器而减小动作于高压断路器的几率所带来的另一个更有利的作用是，避免或减少了由于高压断路器的非全相操作而造成的对发电机的危害。实际上，对于发电机变压器组接线，其高压断路器由于额定电压较高(220～500kV)，敞开式断路器相间距离较大，不能做成三相机械连动，更何况每相断路器还会是多断口的，高压断路器的非全相操作即使正常操作时也时有发生，毫无疑问，高压断路器的非全相操作(运行)会在发电机定子上产生负序电流，而发电机转子承受负序磁场的能力是非常有限的(发电机故障状态下的负序运行限制(I2/TN)2t约为8s)，严重时会导致转子损坏。这种事故在国内外多次发生，我国自1980年至1992年底就发生了50起，仅1991年就发生了12起。每次此类事故都会造成转子严重受损。例如：1990年6月12日，首阳山电厂1号发电机变压器组高压侧断路器B相拒分，造成发电机转子过热，转子护环出现9.1mm宽的裂纹。造成这种严重后果的直接原因是高压断路器不是三相机械连动的，容易发生非全相操作。目前，发电机断路器在设计和制造中都考虑了三相机械连动，防止了非全相操作的发生。另外，发电机断路器的快速动作特性，也是保证发电机组安全的重要原因。发电机断路器的固有动作时间连同保护动作时间约为75ms，当发生故障(如单相或两相故障)时，发电机断路器会很快动作并切除故障，有效地避免了对发电机组的损害。相反，若没有发电机断路器，发电机更会继续提供不平衡电流，直到灭磁过程完成。而灭磁过程可能会持续数秒钟(5～20s)，此间发电机会遭到严重损坏。因为，研究表明，根据国标设计的机组，对单相操作的临界时限分别为：空载运行大约70s；满负荷时大约6s；主变压器及共高压侧短路时(两相/三相)时大约4.5s。由此可见，没有发电机断路器时，灭磁过程(特别是无刷励磁系统)持续时间(5～20s)已大大超过了发电机组的耐受时限。

　　同样的道理，由于发电机断路器的快速动作特性，使得发电机提供的短路电流受到限制，因而对于事故发生几率较高的变压器高压侧套管接地故障(几率为30％)或变压器内部故障发电机断路器将会使其危害性减小，有效提高安全可靠性。

3.3　简化同期操作，便于检修、调试

　　采用高压断路器进行同期操作时，断路器将会承受电压应力，在受到污染的情况下，这些电压应力可以造成断路器外部绝缘介质的闪络，当同期操作在发电机电压等级进行时，对高压断路器的电压应力便会消失。利用发电机断路器进行同期操作，比较的是发电机断路器两侧的同级电压，因而使得同期操作系统更加简单、可靠。另外，由于发电机断路器安装于室内的封闭金属壳内，环境条件好，其充分的绝缘安全裕度保证同期操作更加可靠。

　　发电机断路器将发电机变压器组分隔为两个部分，即发电机部分和变压器部分，这种电气分隔是由发电机断路器/隔离开关组合后实现的，因此不同的断电器可以分组逐级测试，此外，当厂用电由主变压器提供时发电机可以在欠励磁条件下进行测试。由发电机断路器实现的这种实体分隔为发电机和变压器的调试与维护提供更大的便利。发电机断路器也为发电机短路试验提供了方便。

3.4　适应厂网分开的需要

　　电力工业管理的改革，倡导厂网分开，竞价上网，要求发电厂启动/备用变压器除上交用电量费用外，还要上交基本电费。而这项基本电费与启动/备用变压器容量有关，其额度为每月每kVA容量8～12元。例如，一台40MVA的变压器，每年就要上交基本电费384～576万元。在投资方日益注重投资效益的今天，上述问题不能不引起投资方的重视。解决问题的首选方案即是减小启动/备用变压器容量。减小启动/备用变压器容量的方法就是通过装设发电机断路器，以主变压器倒送电至高压厂用变压器提供启/停机电源，只设事故停机时的备用变压器或者不设任何备用变压器，减小变压器的数量和容量，降低运行费用，提高经济效益。

4　发电机断路器的应用前景

　　综上所述，目前国内外发电机断路器的发展和应用十分迅速，已从原来的压缩空气型向SF6型发展，在火电厂、水电厂、核电站、抽水蓄能等电厂中得到了更加广泛的应用。发电机断路器的技术水平不断提高，体积越来越小，噪声减低，而额定电流和开断电流却越来越大，并且发电机断路器的机械寿命也在增大，高压10000次以上，远高于普通高压断路器3000～5000次的机械寿命。由于各公司的竞相开发，使得发电机断路器的结构型式发生了巨大革新，从压缩空气型发展到SF6气体型和真空型，SF6气体型又由双压式发展单压式、自能灭弧式和压气加自能灭弧的发电机断路器。随着开发和制造能力的不断提高，发电机断路器的配置和保护性能更趋完善，可靠性也大大提高。开发和制造能力的不断提高促使发电机断路器更加广泛的使用，广阔的市场前景又促使发电机断路器技术水平的不断提高，发电机断路器的广泛使用已逐渐成为趋势。