发电机出口断路器应用与研究

张炎

摘要：根据核电站特点结合国内发电机出口断路器应用现状，分析了发电机出口断路器的技术优势，并结合核电站运行特点分析了其重要作用。通过某核电站的选择实例，对设计过程加以分析，论证了发电机出口装设断路器的优越性，对核电站电气设计人员有一定的指导作用。

关键词：发电机；断路器；技术比较

随着电力工业的迅猛发展，发电机出口装设断路器的主要作用是简化运行操作程序，减小发电机和变压器的故障范围，便于调试和维护工作，简化同期操作程序，提高其安全可靠性能。

核电站厂用电系统功能是在任何工况下，无论堆型一般要求具有两个相互独立的厂外电源作为厂用电的工作电源和辅助电源（500kV和220kV），发电机和主变压器之间装设发电机出口断路器（GCB）。

一、应用现状

1、在大型火电机组的应用现状。由于目前配600MW及以上发电机组的全封闭断路器尚全部依赖进口，昂贵的投资迫使建设单位不得不综合考虑是否采用GCB方案。目前全世界有超过20%的大型常规火电机组采用了GCB方案。

2、在核电机组的应用现状。发电机出口断路器已经集成了电压互感器、接地开关、隔离开关等设备，成为具有多种功能的组合电器，发电机出口断路器在大型核电机组上已经得到了广泛的应用。

二、主接线的影响

装设发电机出口断路器的模块式电气主接线，在运行维修和试验、发电系统可用率、投资费用等方面都优于不装设发电机出口断路器的单元制电气主接线。

1、单元制电气主接线。发电机与主变压器及机组厂用变压器之间没有断路器，在主变压器的高压侧装设断路器，作为发电机启动并网和停机时断开之用。为了满足机组启动和停机时的厂用电要求，还需从220kV（或其它等级）母线接一台启动备用变压器（简称启备变），

2、装设GCB方案的电气主接线。装设GCB方案电气主接线也是由发电机与主变压器组成的发电系统，在断路器与主变压器之问引接出机组厂用变压器，发电机与断路器和断路器与主变压器及机组厂用变压器之间用分相封闭母线相互连接。发电机启动并网或者停机时，用发电机断路器接入电网或者从电网断开，主变压器正常持续带电运行。这种接线用断路器把发电机与变压器分成两部分，发电机启动和停机时，机组厂用变压器通过主变压器从电网受电，发电机并网后，机组厂用变压器直接从发电机受电。所以装设GCB方案的电气主接线，不需要另外装设从电网受电的启备变。

大容量机组出口安装断路器时，备用电源的引接方式有如下几种：①直接从电厂主母线引接，作为全厂事故备用电源。②从附近较低电压等级的变电所引接1路事故备用电源。③不设专用的备用变压器，适当加大厂用工作变压器的容量，作为另一台机组的事故备用电源，或每台机组设置专用的备用变压器，从发电机出口引接，作为另一台机的事故备用电源。

3、核电机组电气主接线。为贯彻核电厂设计安全规定纵深防御理念，电气设计中为核电厂厂用电系统配置多种厂用电源。电气纵深防御顺序，基本都是500kV外电网——孤岛运行——220kV电网——厂内柴油发电机——蓄电池和小柴油机。对于M310和WWER1000机组核电站，当电源转至220kV电网供电时，反应堆必须停堆，而AP1000机组，具备可以不停堆的条件，停堆停机与否需根据实际情况确定。

三、技术优越性

1、提高机组可用率。对一个发电系统来说，影响可用率的因素有两个：一是设备故障率，二是修理时间。

设备和部件的修理时间与发生故障的次数和切除故障时间有关，模块式接线分区配置继电保护，保护的灵敏度高，切除故障的时间较短，设备损坏的程度相对较轻，所以设备的修理时间也相对较少。

从设备的故障几率和修理时间分析，模块式接线的可用率比单元制接线的可用率要高。

2、提高机组安全运行的可靠性。在技术上加装发电机出口断路器可提高机组的安全运行可靠性，具有以下几点。①保证系统故障时厂用电源的稳定性；②提高了500 kV系统供电的可靠性；③提高发电机和变压器保护水平；④缩小故障范围提高运行操作的可靠性。

3、方便调试和改善同期条件。当同期在高压侧进行操作时，高压断路器可能会受到过电压作用。在污染较重的情况下，可能使高压断路器外部绝缘介质的闪络。再者，高压断路器一般都不是三相机械联动的，所以在同期操作过程中就有可能产生有较大不同期，这样会产生一个不平衡负载，给发电机带来严重的机械和热应力，从而损坏发电机。

当同期在发电机电压等级进行操作时，断路器电压等级的降低有助于防止外部绝缘闪络。用GCB实现同期操作完全在发电厂操控范围内，变电站操控可以不介入，从而不会产生任何操控责任上的重叠。

4、运行维修和试验操作灵活。单元制主接线的主要缺点：一是机组启动和停机时（包括正常停机和事故停机），都要进行厂用电源切换，操作复杂，还容易诱发瞬变现象；二是发电机与变压器不能分开进行试验和检修，继电保护的整定和试验也不能分开进行。

发电机出口安装断路器后，运行、维修和试验操作更加简单、灵活：①并网和正常运行；②发电机运行异常；③试验和检修分开进行试验和检修，互不干扰。

四、经济合理性

核电机组为确保厂用电的可靠性，一般不允许厂用电切换。主要以提高机组的可用率及保证核安全为主，装设发电机出口断路器后的接线型式，相应的减少厂用备变的台数和容量，只作机组安全停机用。在提高电厂可用率等多方面经济分析，远期收益大于初期投资的差异。

五、结论

基于发电机出口装设断路器的优点，目前，国外GCB的发展十分迅速，已从原来的压缩空气型向SF6型发展，操作机构也由液压向弹簧机构型发展，GCB的体积越来越小，噪声减低，而额定电流和开断电流却越来越大，并且GCB的机械寿命也在增大，20年无需维护（或20，000 次开关操作免维护）。现在的GCB已经不仅只是一台断路器，而是集成了电压互感器，接地开关、隔离开关等发电机与主变之间的设备，成为具有多种功能的组合电器。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。核电站如方家山、福清、岭澳核电厂、田湾核电站等都采用发电机断路器。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。

参考文献

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