中型水电站发电机断路器应用探讨

　　1　引言

　　发电机断路器(以下简称GCB)，作为在最苛刻开断条件下的大电流、大容量、价格昂贵的中压断路器，已在大型水电站中得到广泛，但在中型水电站中，过去由于普遍存在认识不足的问题，再加上场地布置和经济方面的考虑，发电机出口采取装设GCB的设计极为少见，大多以普通替代，其结果给机组长期安全运行造成了潜在的危害。2000年随着中小容量GCB制造技术的发展，GCB在中型水电站中的应用与研究已逐步提到议事日程。我院设计的小浪底水利枢纽西霞院反调节水库电站，在中型水电站电气主接线设计方面具有典型性。本文以此为例，对中型水电站发电机出口装设GCB的必要性进行了探讨，并对中小容量GCB在国内的应用和发展谈一些个人的见解。

　　2　西霞院水电站电气主接线设计

　　西霞院水电站装设6台轴流式水轮发电机组，单机容量为35MW，总装机容量为210MW，距洛阳地区负荷中心仅33km，在系统中的作用主要是在满足反调节发电的基础上参与系统调峰运行。电站以220kV电压等级接入系统，220kV出线2回。借鉴国内同等类型水电站的设计经验，经过多方案的综合比较，最终推荐发—变组合采用二机一变扩大单元接线，220kV升压侧采用双母线接线的方案，西霞院水电站电气主接线方案的主接线简图见图1。

　　3　发电机出口装设GCB的问题探讨

　　3.1　发电机出口装设断路器的技术条件

　　发电机—变压器组合采用扩大单元接线，每台发电机出口必须加装断路器。西霞院水电站35MW发电机出口回路持续工作电流为2358A，三相短路电流计算结果为36.4kA。

　　根据35MW机组对装设在发电机出口断路器的主要要求，现将GCB与普通配电型断路器的有关技术条件比较见表1。

　　3.2　GCB和普通配电型断路器的性能比较

　　3.2.1　GCB是发电机出口专用断路器，安全是针对发电机出口回路的特殊技术要求而产生，与普通配电型断路器相比，具有极强的开断短路电流直流分量的能力和失步开断的能力，极高的机械和电气操作寿命，其三相联动操作机构能提供安全的同步操作，应用GCB还可以减小升压变压器的故障平均恢复时间和发电机的故障平均恢复时间，使电厂的可利用率增加，从而提高电厂的效益，尤其是GCB开断发电机出口延迟过零短路电流的能力，是普通配电型断路器所不具备的。

　　3.2.2　由于本电站发电机电压设备均集中布置在主厂房下游侧狭长的副厂房内，场地紧张，希望出口断路器体积小，并能与其他发电机电压成套柜并排布置。目前，国产10kV真空断路器柜已具有开断短路电流交流分量有效值50kA的分断能力，但这种普通配电断路器并非针对发电机回路的特点而设计，对短路电流直流分量的分断能力很低。

　　每一种交流断路器的开断都需要有一个电流过零点，电弧会在电流过零点自动地分开。在某些条件下，来自发电机的短路电流可能具有100ms或更长的延时电流零点。在发电机空载状态下，如果短路发生在电压最低状态，那么就会出现具有直流分量的非对称短路电流。尤其是在故障前，当发电机在欠砺磁状态下且具有超前功率因数时出现最高非对称值。在此条件下，短路电流的直流分量将高于对称分量，并一直保持到延时电流零点。图2为发电机源馈电故障时短路电流的计算实例。

　　从图2可以看出，短路电流的交流分量和直流分量的衰减规律不同，交流分量随着发电机短路次暂态和暂态时间常数Td″、Td′，Tq″、Tq′按指数递减，直流分量随着短路时间常数Ta=Xd″/(2πfRa)，(式中：Xd″为直轴次暂态电抗；Ra为电枢电阻)按指数规律衰减。根据发电机不同尺寸和设计结构，这些时间常数值变化很大，当短路电流的交流分量比直流分量衰减得快时，在某段时间内就产生了延时电流零点。小容量发电机因电感与电阻的比值小，短路时间常数小，直流分量衰减很快，短路一般经数十毫秒，即通过零点，灭弧较易。而35MW发电机短路时间常数Ta较大，超过150ms，直流分量衰减慢，短路电流有经数百毫秒也不通过零点的情况。若发电机出口选用常规配电断路器，断路器动作切断短路故障时会产生异常过电压，灭弧不易。而需选用GCB，利用断路器触头分离产生很高的电弧电压，来增大与Ra相串联的电弧电阻，使短路电流直流分量快速衰减，从而强迫过零。也就是说，只有GCB才能满足不过零时切断短路电流，而不致产生危险的过电压。

　　3.2.3　GCB除了适用于开断不过零的电流外，还具有极高的绝缘水平、极强的失步开断能力、开断小电感和小电容电流的能力等，其保护发电机和主变压器的功效是普通配电型断路器所不可取代的。近几年来已有一些小水电机组相继选用了成套的普通配电型柜替代作GCB用，虽然这些用户装设了过电压保护装置(有些用户甚至仅在真空断路器的两侧配置了氧化锌避雷器)，但从长期看却存在着隐患。一是新机组刚投运时绝缘水平相对较高，绝缘尚能配合，而机组绝缘水平随着运行时间增加在逐步下降，绝缘配合就成了问题；二是普通配电型断路器的性能毕竟与发电机出口专用断路器的性能要求相差较大，难以胜任苛刻的使用条件，故存在着随机性损坏机组的可能和不安全因素。

　　综上所述，西霞院水电站发电机容量虽然不大，但发电机出口加装GCB而非常规配电断路器，在技术上是极其必要的。

　　3.3　中小容量GCB在国内的应用

　　大容量的GCB在国内外大型电站中已得到广泛应用，其中以瑞士ABB、法国阿尔斯通、日本三菱的SF6型和德国西门子的真空型最具有代表性，国内也已有沈高的LN-18型产品。对于中小容量的GCB，真空型产品因价格低廉、结构简单、维护容易、体积小而占有一定的优势，如德国西门子的3AF2288真空型GCB，电压17.5kV、额定电流4000A、额定开断电流63kA、额定峰值耐受电流160kA，在尺寸和价格上都与普通配电型断路器差不多，只是与SF6型GCB相比，其缺点是需另配备过电压保护装置，开断容量及载流量受到限制。据了解，目前国内已具有开发先进水平新产品的实力，希望能早日研制出价廉质优的国产中小容量的GCB填补空白，这种产品的尺寸应与通常的中压柜相仿，并能组合入成套柜中，以解决中型水电站地下式厂房电气设备布置的难题。

　　4　结论

　　4.1　中型水电站发电机——变压器组合若采用扩大单元接线，每台发电机出口必须加装断路器。

　　4.2　中型水电站发电机出口虽然短路电流不太大，例如西霞院35MW发电机组出口三相短路电流计算结果仅为36.4kA，但因其所处位置的重要性和对的特殊要求，有装设GCB的必要性。国内一些中小水电机组选择普通配电型断路器替代GCB的作法，给机组长期安全运行埋下了隐患。

　　4.3　希望能早日研制出质优价廉的国产中小容量的GCB成套柜，以适应中型水电站发电机电压设备选型和布置的需要。