發電機出口斷路器應用與研究

張炎

摘要：根據核電站特點結合國內發電機出口斷路器應用現狀，分析了發電機出口斷路器的技術優勢，并結合核電站運行特點分析了其重要作用。通過某核電站的選擇實例，對設計過程加以分析，論證了發電機出口裝設斷路器的優越性，對核電站電氣設計人員有一定的指導作用。

關鍵詞：發電機；斷路器；技術比較

隨著電力工業的迅猛發展，發電機出口裝設斷路器的主要作用是簡化運行操作程序，減小發電機和變壓器的故障范圍，便于調試和維護工作，簡化同期操作程序，提高其安全可靠性能。

核電站廠用電系統功能是在任何工況下，無論堆型一般要求具有兩個相互獨立的廠外電源作為廠用電的工作電源和輔助電源（500kV和220kV），發電機和主變壓器之間裝設發電機出口斷路器（GCB）。

一、應用現狀

1、在大型火電機組的應用現狀。由于目前配600MW及以上發電機組的全封閉斷路器尚全部依賴進口，昂貴的投資迫使建設單位不得不綜合考慮是否采用GCB方案。目前全世界有超過20%的大型常規火電機組采用了GCB方案。

2、在核電機組的應用現狀。發電機出口斷路器已經集成了電壓互感器、接地開關、隔離開關等設備，成為具有多種功能的組合電器，發電機出口斷路器在大型核電機組上已經得到了廣泛的應用。

二、主接線的影響

裝設發電機出口斷路器的模塊式電氣主接線，在運行維修和試驗、發電系統可用率、投資費用等方面都優于不裝設發電機出口斷路器的單元制電氣主接線。

1、單元制電氣主接線。發電機與主變壓器及機組廠用變壓器之間沒有斷路器，在主變壓器的高壓側裝設斷路器，作為發電機啟動并網和停機時斷開之用。為了滿足機組啟動和停機時的廠用電要求，還需從220kV（或其它等級）母線接一臺啟動備用變壓器（簡稱啟備變），

2、裝設GCB方案的電氣主接線。裝設GCB方案電氣主接線也是由發電機與主變壓器組成的發電系統，在斷路器與主變壓器之問引接出機組廠用變壓器，發電機與斷路器和斷路器與主變壓器及機組廠用變壓器之間用分相封閉母線相互連接。發電機啟動并網或者停機時，用發電機斷路器接入電網或者從電網斷開，主變壓器正常持續帶電運行。這種接線用斷路器把發電機與變壓器分成兩部分，發電機啟動和停機時，機組廠用變壓器通過主變壓器從電網受電，發電機并網后，機組廠用變壓器直接從發電機受電。所以裝設GCB方案的電氣主接線，不需要另外裝設從電網受電的啟備變。

大容量機組出口安裝斷路器時，備用電源的引接方式有如下幾種：①直接從電廠主母線引接，作為全廠事故備用電源。②從附近較低電壓等級的變電所引接1路事故備用電源。③不設專用的備用變壓器，適當加大廠用工作變壓器的容量，作為另一臺機組的事故備用電源，或每臺機組設置專用的備用變壓器，從發電機出口引接，作為另一臺機的事故備用電源。

3、核電機組電氣主接線。為貫徹核電廠設計安全規定縱深防御理念，電氣設計中為核電廠廠用電系統配置多種廠用電源。電氣縱深防御順序，基本都是500kV外電網——孤島運行——220kV電網——廠內柴油發電機——蓄電池和小柴油機。對于M310和WWER1000機組核電站，當電源轉至220kV電網供電時，反應堆必須停堆，而AP1000機組，具備可以不停堆的條件，停堆停機與否需根據實際情況確定。

三、技術優越性

1、提高機組可用率。對一個發電系統來說，影響可用率的因素有兩個：一是設備故障率，二是修理時間。

設備和部件的修理時間與發生故障的次數和切除故障時間有關，模塊式接線分區配置繼電保護，保護的靈敏度高，切除故障的時間較短，設備損壞的程度相對較輕，所以設備的修理時間也相對較少。

從設備的故障幾率和修理時間分析，模塊式接線的可用率比單元制接線的可用率要高。

2、提高機組安全運行的可靠性。在技術上加裝發電機出口斷路器可提高機組的安全運行可靠性，具有以下幾點。①保證系統故障時廠用電源的穩定性；②提高了500 kV系統供電的可靠性；③提高發電機和變壓器保護水平；④縮小故障范圍提高運行操作的可靠性。

3、方便調試和改善同期條件。當同期在高壓側進行操作時，高壓斷路器可能會受到過電壓作用。在污染較重的情況下，可能使高壓斷路器外部絕緣介質的閃絡。再者，高壓斷路器一般都不是三相機械聯動的，所以在同期操作過程中就有可能產生有較大不同期，這樣會產生一個不平衡負載，給發電機帶來嚴重的機械和熱應力，從而損壞發電機。

當同期在發電機電壓等級進行操作時，斷路器電壓等級的降低有助于防止外部絕緣閃絡。用GCB實現同期操作完全在發電廠操控范圍內，變電站操控可以不介入，從而不會產生任何操控責任上的重疊。

4、運行維修和試驗操作靈活。單元制主接線的主要缺點：一是機組啟動和停機時（包括正常停機和事故停機），都要進行廠用電源切換，操作復雜，還容易誘發瞬變現象；二是發電機與變壓器不能分開進行試驗和檢修，繼電保護的整定和試驗也不能分開進行。

發電機出口安裝斷路器后，運行、維修和試驗操作更加簡單、靈活：①并網和正常運行；②發電機運行異常；③試驗和檢修分開進行試驗和檢修，互不干擾。

四、經濟合理性

核電機組為確保廠用電的可靠性，一般不允許廠用電切換。主要以提高機組的可用率及保證核安全為主，裝設發電機出口斷路器后的接線型式，相應的減少廠用備變的臺數和容量，只作機組安全停機用。在提高電廠可用率等多方面經濟分析，遠期收益大于初期投資的差異。

五、結論

基于發電機出口裝設斷路器的優點，目前，國外GCB的發展十分迅速，已從原來的壓縮空氣型向SF6型發展，操作機構也由液壓向彈簧機構型發展，GCB的體積越來越小，噪聲減低，而額定電流和開斷電流卻越來越大，并且GCB的機械壽命也在增大，20年無需維護（或20，000 次開關操作免維護）?，F在的GCB已經不僅只是一臺斷路器，而是集成了電壓互感器，接地開關、隔離開關等發電機與主變之間的設備，成為具有多種功能的組合電器。近年來，國內核電站、水電站以及新近建設的火力發電廠也都裝設了發電機斷路器。核電站如方家山、福清、嶺澳核電廠、田灣核電站等都采用發電機斷路器。國內大容量以及安全性要求高的機組中裝設發電機斷路器已漸成趨勢。

參考文獻

[1] GB/T 14824-2008，高壓交流發電機斷路器

[2] 陳尚發，大容量發電機出口斷路器在我國的制造和應用問題，電力設備，2006年3月

[3] 阮偉，大型單元式機組裝設發電機出口斷路器GCB優劣性之比較，電氣應用，2006（1）

[4] 馬明武，發電機出口安裝斷路器的運用，西北電力技術，2004（6）

[5] 羅炳林，論電氣主接線與裝設發電機出口斷路器的關系，電力建設，2005年3月