SF6发电机保护断路器的作用和应用

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：日本三菱公司先后开发出双压式双向吹弧的SF6发电机断路器和单压式SFW型SF6断路器。SF6发电机断路器可用于额定功率为1500MW的发电机组。图8-77所示为ABB公司的HEC7/8型SF6发电机断路器外貌，其灭弧室剖面如图8-78所示，技术参数见表8-5。

发电机断路器是直接连接在发电机主回路中的断路器，用于保护和控制火电、核电和水电厂的发电机及同步调相机。

发电机的单机容量从过去的200MW和300MW提高到600MW和1000MW甚至更大的容量，因此在发电机出口端必须安装相应的发电机断路器来加以保护。在事故状态下，发电机断路器担负着关合和切断失步电力系统和发生短路故障电力系统的任务，需要关合与开断最高可达180°的失步故障电流或短路故障电流，以限制对发电机可能造成的破坏。发电机回路的组成如图8-76所示。

图8-76 发电机回路的组成

发电机断路器的安装提高了发电机组的安全运行可靠性。当出现发电机内部故障时，发电机出口因加装了GCB（Generator Circuit Break，发电机断路器），可以快速地将发电机从系统中切除，进而在事故状态下保证机组的安全停机，防止出现发电机因非正常停机而造成的恶性事故。当主变压器出现内部故障时，发电机出口因加装了GCB，可以快速将变压器与发电机、系统分离，减轻了故障的危害，缩小了故障范围，为修复变压器创造了条件。系统与发电机之间因故发生振荡，会引起发电机和电网之间的电流波动，不平衡电流会引起转子绕组过热，此时GCB跳闸，发电机灭磁，维持转速，用电不受影响。当异常工况消失后，发电机可在较短的时间内并网发电，恢复运行，避免因系统振荡引起的长时间停机事故，缩短了事故处理时间。

发电机断路器的性能要求主要体现在三个方面，首先是发电机断路器要求承载的额定电流特别高，要求开断的短路电流特别大。因此断路器的设计中，接触电阻必须低，断路器需要置身于发电机—变压器组之间，必要时需要采用强迫对流冷却措施。发电机断路器所处的位置电压不高，但要满足开断大电流的需要，必须用与大截面电弧相配的大直径喷口，或采用更高的压力，以限制电弧截面。其次，发电机断路器应具有开断非对称短路电流的能力，其直流分量衰减时间可达133ms；还应具备关合额定短路关合电流的能力，该电流峰值为额定短路开断电流交流有效值的2.74倍；另外要具有开断失步电流的能力。在短路条件下，可用提高发电机侧电阻R的办法，加速直流分量的衰减。再次，由于发电机的瞬态恢复电压是由发电机和升压变压器参数决定的，而不是由系统决定的，所以其瞬态恢复电压上升率取决于发电机和变压器的容量等级。等级越高，瞬态恢复电压上升越快，其数量级为kV/μs。

发电机断路器是从20世纪50年代开始发展起来的，最初为压缩空气断路器和少油式断路器两种。压缩空气断路器的典型产品为BBC公司（现ABB公司）的DB型，少油断路器的典型产品有前苏联“电器”工厂的MΓ型。随着发电机断路器领域的发展，制成了封闭式大容量发电机断路器，其中以BBC公司的DR型和法国Alsthom公司的PKG型最具代表性。随着发电站的增多，许多公司开发了中小容量的发电机断路器。日本三菱公司先后开发出双压式双向吹弧的SF₆发电机断路器和单压式SFW型SF₆断路器。近年来，SF₆断路器逐渐发展为自能吹弧式，如ABB公司开发了自能吹弧式发电机断路器，Alsthom公司开发了压气+自能吹弧式发电机断路器。

新型SF₆发电机保护断路器的特点如下：①断路器可带串联隔离开关，可带一台或两台接地开关，可带一只或两只电流互感器；②灭弧室用SF₆灭弧和绝缘，采用现代自能灭弧原理，触头烧损最小，载流触头与灭弧触头分开，保证了连续载流能力；③隔离开关带有可见的隔离间隙，具有独立的电动操动机构，可配手动机构及联锁；④电流互感器带有两个保护线圈和一个计量线圈；⑤断路器自成系统，带有操动机构和控制装置，三相装在公用底座上，现场安装简便，不需要特殊的地脚；⑥断路器配用气动机构，隔离开关和接地开关配用操动机构；⑦维修工作量小，首次检修仅在合分操作5000次以后或开断600～2000次负荷电流以后或投运满10年以后。

SF₆发电机断路器可用于额定功率为1500MW的发电机组。ABB公司开发出的HEC系列特大容量发电机断路器，其中以HEC7/8型产品技术参数最高、容量最大。图8-77所示为ABB公司的HEC7/8型SF₆发电机断路器外貌，其灭弧室剖面如图8-78所示，技术参数见表8-5。

图8-77 HEC7/8型SF₆发电机断路器外貌

HEC7/8型SF₆发电机断路器利用自能吹弧原理来熄弧，即吹弧所需要的能量由电弧本身提供，电弧所释放的能量导致压力室的温度和压强迅速升高，从电弧来的对流和辐射热量在弧触点系统和压气活塞之间的加热容积引起一个突然的升压，强大的气吹压力使电弧冷却以致熄灭。

断路器开断过程中气流的运动路径如图8-79中的箭头所示。开断过程中电弧释放的热量使压气室内压力可能提高很大，用一个专用的安全阀来释放压力可以避免机械损伤。如果电流小，则电弧能量比较低而不能产生足够的压力，也就起不了重要的自喷作用，因此安装同心压气活塞，可以通过增大加热容积中的压力，有助确保电弧熄灭的成功。

图8-78 HEC7/8型SF₆发电机断路器灭弧室剖面图

1—外壳 2—主触点系统 3—弧触点系统（分段部分） 4—弧触点系统（中心杆） 5—绝缘子 6—活塞 7—齿轮传动装置 8—传动装置 9—加热间隙 10—加热容积 11—气体返回通道 12—过电压安全阀 13—单向阀

图8-79 灭弧室内的气流运动路径

a）压力建立阶段 b）电流过零阶段

表8-5 HEC7/8型SF₆发电机断路器技术参数

图8-80 发电机断路器组合电器结构图

新东北电气（沈阳）高压开关有限公司设计生产的LN6-18、24/Y11000-80型SF₆发电机断路器由断路器本体、液压操动机构及控制箱三部分组成。该产品依据三个灭弧单极的安装方式分为Ⅰ型（卧式）、Ⅱ型（立式）、Ⅲ型（卧式带外罩）三种结构形式。ZHF□-18、24发电机断路器是一种组合电器，额定电压为18kV、24kV，额定电流为6300A、8000A、10000A，额定开断电流为63kA、80kA。该组合电器按模块化设计，根据需要可由断路器、隔离开关、接地开关、电流互感器、电压互感器、电容器、避雷器、汇控柜、传动及联锁机构等主要部件组成。断路器内充有0.5～0.6MPa SF₆气体，配用液压操动机构。隔离、接地开关均配用电动机操动机构，额定操作电压为DC 220V。图8-80所示为发电机断路器组合电器结构图，图8-81所示为单极断路器、隔离开关、接地开关剖面图。

图8-81 单极断路器、隔离开关、接地开关剖面图

SF6发电机保护断路器的作用和应用

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