1　發電機斷路器的發展概況 自本世紀40年代初起，隨著工業、制造水平的提高以及電力需求的不斷增加，大容量發電機組的生產制造不僅成為可能，而且成為滿足電力市場需求的要求。隨著發電機單機容量的不斷增大致使短路電流迅速提高，使普通的中壓開關已無法滿足開斷能力的要求，同時為了提高安全可靠性，導致了離相封閉母線的迅速發展以及發電機、變壓器單元接線的廣泛采用。至60年代中期，為了簡化電廠的運行操作，提高機組的可用率以及核電技術的需要，越來越多的專家認為采用發電機斷路器是十分必要的。正是這種需要導致了BBC公司在1969年開發出第一臺可在大型發電機機端直接操作的DR型空氣斷路器。該斷路器為離相式全封閉結構，以壓縮空氣為滅弧介質，操動機構也采用壓縮空氣，額定電流達50000A，開斷能力為250kA，其中額定電流為11000A以下的斷路器采用自然風冷，11000～20000A采用強迫水循環風冷，20000～50000A則為水冷。從第一臺DR型斷路器投運至今，BBC/ABB共生產了大約600臺投放市場，其故障率逐步縮小到0.5％左右，且漸趨穩定。操作故障率為20×10－6，相當于50000次操作出現一次故障，這一指標較高壓斷路器低20倍左右。1984年ABB推出了第一臺HE型SF6發電機斷路器，采用SF6氣體作為滅弧介質，操動機構仍為氣動。它利用SF6氣體自滅弧（Selt－extinguishing）原理，由觸頭分開時產生的電弧來加熱SF6氣體，使其膨脹，形成熄弧所需的氣體，同時電流流過固定觸頭內的線圈產生磁場，導致電弧旋轉，以使對觸頭的燒傷減小至最低限度，而且相對獨立的荷載觸頭與滅弧觸頭，保證了連續載流能力。1996年3月，ABB研制的HEC—8型發電機斷路器通過了荷蘭KEMA試驗，該斷路器額定電流可達24000A，開斷能力達160kA，使得SF6斷路器用于600MW發電機出口成為可能。由于SF6的采用使得整個斷路器的結構更趨緊湊，故障率也更低，ABB公司1200臺HE型（HEC和HEK）發電機斷路器的故障率小于0.3％。現在發電機斷路器已不僅僅是一臺斷路器，而是集成了電壓互感器、電流互感器、隔離開關、接地開關等發電機與主變壓器之間的設備，成為具有多種功能的組合電器。 除了ABB公司之外，法國GEC—ALSTOM公司、日本三菱等公司也先后開發出了SF6發電機斷路器。GEC—ALSTOM公司生產制造發電機的歷史較長，雖然它也生產SF6發電機斷路器，但它是以生產空氣式發電機斷路器見長。它生產的SF6發電機斷路器發展較緩慢，而且容量也小。空氣式發電機斷路器的最大參數是：額定電壓36kV，額定電流37500A，開斷電流275kA。空氣式發電機斷路器是利用壓縮空氣作為絕緣介質和滅弧介質以及斷路器的操作與冷卻用氣。雖然空氣式發電機斷路器是一種系列性強、通用性高的產品，但其外形尺寸大，占地多，價格昂貴，且還需另外設置壓縮空氣系統。日本三菱公司于1977年開始生產發電機斷路器采用的絕緣介質是SF6氣體，其最大開斷電流為110kA，開斷次數10次；開斷額定電流42000A時的開斷次數為50次。目前開斷電流為125kA的發電機斷路器正在制造中。 除了以SF6氣體和空氣作為絕緣介質的SF6發電機斷路器和空氣式發電機斷路器外，80年代末90年代初又利用真空技術開發了真空型發電機斷路器，這種發電機斷路器是由德國西門子公司開發和生產。8BK40、8BK41系列即是西門子公司生產的真空型發電機斷路器，其額定電壓7.2～17.5kV，其中8BK40的額定電流5000A，最大開斷電流為63kA；8BK41的額定電流4000～12000A，最大開斷電流為80kA。真空型發電機斷路器由于在開斷水平上受到限制，開斷電流大于63kA的真空斷路器制造已非常困難，而且價格也較昂貴，所以目前真空型發電機斷路器在小容量機組中使用較多，在大機組中的使用受到限制。 國內發電機斷路器的發展水平相對來講還比較低，目前只有沈陽高壓開關廠一家生產發電機斷路器，80年代，引進法國GEC—ALSTOM制造技術，開始研制PKG2型發電機斷路器，該型斷路器自1986年開始至1988年已在葛州壩水電廠投運了14臺，總的運行情況尚好，但是該產品體積大、噪聲大，維護工作量較大。具了解，葛州壩水電廠已將這14臺斷路器全部更換為ABB公司的SF6斷路器。目前沈陽高壓開關廠正在積極開發研制SF6發電機斷路器。 由于發電機斷路器的獨特性，發電機斷路器除需滿足現有的開關制造標準如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還專門頒布了用于發電機斷路器的制造標準：IEEE C37.013—1993（ANSI/IEEE Standard for AC high－voltage generator circuit breakers rated on a symmetrical current basis）,從而規范了現代發電機斷路器的制造、試驗及安裝標準。我國相繼也頒布相應的行業標準和國家標準：DL427－92《戶內型交流發電機斷路器訂貨技術條件》、GB/T14824《發電機斷路器通用技術標準》。 2　發電機斷路器在發電廠中的應用 從1969年第一臺發電機斷路器誕生以來，發電機斷路器在世界各國得到了廣泛應用。根據CIGRE所做的調查資料表明，目前全世界有超過50％的核電廠與超過10％的火電廠采用了發電機斷路器，特別是對廠用電系統可靠性要求較高的核電廠與大容量火力發電廠采用發電機斷路器已成為一種趨勢。在美國、英國、法國等發達國家中，其電力以核能、抽水蓄能電站為主，且機組容量較大，發電機出口均裝設了斷路器。在德國，新建設的容量大于259MVA的核電與容量大于588MVA的火力發電廠發電機也裝設了發電機斷路器。俄羅斯、芬蘭等國的設計規范中明確規定火力發電廠中裝設出口斷路器。俄羅斯在其《火電設計技術規程》8.9條中規定：“單機容量為300MW及以上的每臺發電機……在單元接線的所有情況下，在發電機與變壓器之間均應裝設斷路器……”，因此在俄羅斯國內300MW及以上機組均裝設了斷路器或負荷開關。也正是由于這個原因，國內從俄羅斯引進的工程中，如：天津盤山電廠（2×500MW）、伊敏電廠（2×500MW）、遼寧綏中電廠（2×800MW）、遼寧營口電廠等均裝設負荷開關。之所以采用負荷開關而不裝設出口斷路器，是因為俄羅斯僅生產敞開式空氣斷路器，無法使主回路封閉，降低了機組運行的可靠性。而負荷開關是封閉式的，可以通過外殼兩端和封閉母線連接，使發電機主回路全部封閉，可避免發電機出口三相短路，提高機組的可靠性。我國的相關設計規程中也對采用發電機斷路器的原則作了規定。《小型火力發電廠設計規范》GB50049－94中第12.1.6條規定，“發電機與雙繞組變壓器為單元連接時，對供熱式機組，可在發電機與變壓器之間裝設斷路器；對凝汽式機組，不宜裝設斷路器，發電機與三繞組變壓器為單元連接時，在發電機與變壓器之間，宜裝設斷路器和隔離開關。廠用分支線應接在變壓器與斷路器之間。”；《火力發電廠設計技術規程》DL500—94中第11.2.6條規定，“容量為125MW及以下的發電機與雙繞組變壓器為單元連接時，在發電機與變壓器之間不宜裝設斷路器；發電機與三繞組變壓器或自耦變壓器為單元連接時，在發電機與變壓器之間宜裝設斷路器和隔離開關，廠用分支線應接在變壓器與斷路器之間。容量為200～300MW的發電機與雙繞組變壓器為單元連接時，在發電機與變壓器之間不應裝設斷路器、負荷開關或隔離開關。容量為600MW發電機，當升高電壓僅有330kV及以上一級電壓，且技術經濟合理時，可裝設發電機出口斷路器或負荷開關。當2臺發電機與1臺變壓器或2組發電機雙繞組變壓器組作擴大單元連接時，在發電機與變壓器之間應裝設斷路器和隔離開關。”近年來，國內核電站、水電站以及新近建設的火力發電廠也廣泛裝設了發電機斷路器。核電機組因其重要性，均在發電機出口裝設斷路器，如秦山、大亞灣核電站等。水電機組由于要調峰，起動頻繁，因此也都裝設發電機斷路器，如最近建設的四川二灘、廣西巖灘、青海李家峽、黃河小浪底、廣東從化水電廠等。火電廠中，截止1998年3月底投產的14臺600MW機組中，只有廣東沙角C電廠的3臺機組裝設了發電機斷路器，其它機組均未裝設。但是，從目前正處于前期設計中的火力發電廠中，大部分機組都有發電機斷路器的方案，如河南沁北電廠、湖北黃岡電廠等。由此看來，國內在發電廠中采用發電機斷路器，特別是大容量以及安全性要求較高的機組中裝設發電機斷路器也漸成趨勢。 3　發電機斷路器的主要作用 發電廠裝設發電機斷路器的主要作用是在于簡化運行操作程序，減小發電機和變壓器的事故范圍，簡化同期操作、提高其可靠性，方便調試和維護。 3.1　簡化廠用電切換/操作程序 目前，我國的300MW及以下機組和部分600MW機組火力發電廠中，均設有專用的啟動/備用變壓器，無論是機組的正常啟動、停機，還是因廠用工作變壓器故障、檢修，都需要進行廠用電源切換。 在發電機正常起動時，首先通過啟動/備用變壓器獲得啟動電源，當發電機建立正常電壓并帶一定負荷后，在通過廠用電切換裝置切換到廠用工作變壓器供電；發電機的停機過程與之相反。因此，在不設發電機斷路器的發電廠，其正常啟、停機組不可避免的要進行廠用工作變壓器與啟動/備用變壓器之間的關聯切換。由于廠用工作變壓器與啟動/備用變壓器的電源取自不同的系統，兩臺變壓器的阻抗值也不相同，這就造成了兩臺變壓器低壓側母線之間存在初始相位差。由于初始相位差的存在，使得在正常并聯切換時，兩臺變壓器之間將產生較大的環流。嚴重情況下環流可達數千安培，如此之大的環流，即使在并聯切換時間內對變壓器不造成損害，也會對變壓器的壽命產生累積影響。這對變壓器的安全運行構成了很大的威脅。 請登陸:輸配電設備網 瀏覽更多信息 發電廠廠用電的事故切換過程中，也存在著與正常廠用電切換過程中廠用工作母線電壓與啟動/備用母線電壓之間的相位差。相位差過大，則難以保證事故切換的成功，而且會對設備造成直接危害。例如，在事故快切過程中，如果允許相位差整定過大（超過40°），則對高壓電動機的暫態沖擊電流可達額定值的18倍，極有可能引起高壓電動機的損壞，這是安全運行所不允許的，即使將相位差整定到允許的范圍內，由于頻繁的廠用電源切換所造成的過電壓、過電流、過負荷仍會對設備的使用壽命和安全運行帶來不利的影響。因此，減少避免廠用電源切換將提高發電廠運行的安全可靠性。 采用發電機斷路器后，發電機組的啟停電源是經過主變壓器倒送電至廠用工作變壓器獲得，從機組啟動一直到發電機并網發電，整個過程都無須廠用電源切換。只有當廠用工作變壓器發生故障或主變壓器故障時，才需要廠用電源切換。有關分析結果表明：采用發電機斷路器后，使廠用電源切換減少到約1/348，作用顯著，從而有效地提高了發電廠安全可靠性。同時，這也使得廠用電的操作、運行難度大大降低。 3.2　提高發電機、變壓器的保護水平 采用發電機斷路器后，不論是在發生操作故障或在系統振蕩時，還是在發電機或變壓器發生短路故障時，都將提高保護的選擇性，從而提高機組運行的安全、可靠性。 在發生操作故障或在系統出現振蕩時，將引起發電機和電網之間的功率波動，不平衡電流引起發電機轉子繞組過熱。故障發生后，斷開發電機斷路器即可，而廠用電無須切換。待故障消失后，發電機與電網之間又可以通過發電機斷路器快速恢復連接，避免了由于廠用電源切換故障造成的全廠停電事故。同樣，當發電機發生內部故障時，發電機斷路器可以在不切換廠用電源的條件下切除發電機內部故障，保證了安全停機。 由于采用了發電機斷路器，不僅實現了發電機、變壓器分別地、有選擇地進行保護跳閘，簡化了保護接線，而且機組內部故障無須動作于高壓斷路器從而避免了廠用電源的切換，這對于消除一些瞬時性故障特別是來自于鍋爐、汽輪機的熱工誤發信號，盡快恢復機組的運行及避免因誤操作而導致的損失非常有益。據沙角C電廠的經驗，3臺機組調試期間共動作800余次，多數情況下可在數十分鐘內恢復機組的運行。 當發生故障后，保護有選擇地動作于發電機斷路器而減小動作于高壓斷路器的幾率所帶來的另一個更有利的作用是，避免或減少了由于高壓斷路器的非全相操作而造成的對發電機的危害。實際上，對于發電機變壓器組接線，其高壓斷路器由于額定電壓較高（220～500kV），敞開式斷路器相間距離較大，不能做成三相機械連動，更何況每相斷路器還會是多斷口的，高壓斷路器的非全相操作即使正常操作時也時有發生，毫無疑問，高壓斷路器的非全相操作（運行）會在發電機定子上產生負序電流，而發電機轉子承受負序磁場的能力是非常有限的（發電機故障狀態下的負序運行限制（I2/TN）2t約為8s），嚴重時會導致轉子損壞。這種事故在國內外多次發生，我國自1980年至1992年底就發生了50起，僅1991年就發生了12起。每次此類事故都會造成轉子嚴重受損。例如：1990年6月12日，首陽山電廠1號發電機變壓器組高壓側斷路器B相拒分，造成發電機轉子過熱，轉子護環出現9.1mm寬的裂紋。造成這種嚴重后果的直接原因是高壓斷路器不是三相機械連動的，容易發生非全相操作。目前，發電機斷路器在設計和制造中都考慮了三相機械連動，防止了非全相操作的發生。另外，發電機斷路器的快速動作特性，也是保證發電機組安全的重要原因。發電機斷路器的固有動作時間連同保護動作時間約為75ms，當發生故障（如單相或兩相故障）時，發電機斷路器會很快動作并切除故障，有效地避免了對發電機組的損害。相反，若沒有發電機斷路器，發電機更會繼續提供不平衡電流，直到滅磁過程完成。而滅磁過程可能會持續數秒鐘（5～20s），此間發電機會遭到嚴重損壞。因為，研究表明，根據國標設計的機組，對單相操作的臨界時限分別為：空載運行大約70s；滿負荷時大約6s；主變壓器及共高壓側短路時（兩相/三相）時大約4.5s。由此可見，沒有發電機斷路器時，滅磁過程（特別是無刷勵磁系統）持續時間（5～20s）已大大超過了發電機組的耐受時限。 同樣的道理，由于發電機斷路器的快速動作特性，使得發電機提供的短路電流受到限制，因而對于事故發生幾率較高的變壓器高壓側套管接地故障（幾率為30％）或變壓器內部故障發電機斷路器將會使其危害性減小，有效提高安全可靠性。 3.3　簡化同期操作，便于檢修、調試 采用高壓斷路器進行同期操作時，斷路器將會承受電壓應力，在受到污染的情況下，這些電壓應力可以造成斷路器外部絕緣介質的閃絡，當同期操作在發電機電壓等級進行時，對高壓斷路器的電壓應力便會消失。利用發電機斷路器進行同期操作，比較的是發電機斷路器兩側的同級電壓，因而使得同期操作系統更加簡單、可靠。另外，由于發電機斷路器安裝于室內的封閉金屬殼內，環境條件好，其充分的絕緣安全裕度保證同期操作更加可靠。 發電機斷路器將發電機變壓器組分隔為兩個部分，即發電機部分和變壓器部分，這種電氣分隔是由發電機斷路器/隔離開關組合后實現的，因此不同的斷電器可以分組逐級測試，此外，當廠用電由主變壓器提供時發電機可以在欠勵磁條件下進行測試。由發電機斷路器實現的這種實體分隔為發電機和變壓器的調試與維護提供更大的便利。發電機斷路器也為發電機短路試驗提供了方便。 3.4　適應廠網分開的需要 電力工業管理的改革，倡導廠網分開，競價上網，要求發電廠啟動/備用變壓器除上交用電量費用外，還要上交基本電費。而這項基本電費與啟動/備用變壓器容量有關，其額度為每月每kVA容量8～12元。例如，一臺40MVA的變壓器，每年就要上交基本電費384～576萬元。在投資方日益注重投資效益的今天，上述問題不能不引起投資方的重視。解決問題的首選方案即是減小啟動/備用變壓器容量。減小啟動/備用變壓器容量的方法就是通過裝設發電機斷路器，以主變壓器倒送電至高壓廠用變壓器提供啟/停機電源，只設事故停機時的備用變壓器或者不設任何備用變壓器，減小變壓器的數量和容量，降低運行費用，提高經濟效益。 4　發電機斷路器的應用前景 綜上所述，目前國內外發電機斷路器的發展和應用十分迅速，已從原來的壓縮空氣型向SF6型發展，在火電廠、水電廠、核電站、抽水蓄能等電廠中得到了更加廣泛的應用。發電機斷路器的技術水平不斷提高，體積越來越小，噪聲減低，而額定電流和開斷電流卻越來越大，并且發電機斷路器的機械壽命也在增大，高壓10000次以上，遠高于普通高壓斷路器3000～5000次的機械壽命。由于各公司的競相開發，使得發電機斷路器的結構型式發生了巨大革新，從壓縮空氣型發展到SF6氣體型和真空型，SF6氣體型又由雙壓式發展單壓式、自能滅弧式和壓氣加自能滅弧的發電機斷路器。隨著開發和制造能力的不斷提高，發電機斷路器的配置和保護性能更趨完善，可靠性也大大提高。開發和制造能力的不斷提高促使發電機斷路器更加廣泛的使用，廣闊的市場前景又促使發電機斷路器技術水平的不斷提高，發電機斷路器的廣泛使用已逐漸成為趨勢。