摘要中小容量的發電機斷路器在國內水電站中的應用研究目前尚屬起步階段，是新的電氣設計課題，本文以西霞院電氣主接線設計為例，對中型水電站發電機出口裝設非普通配電型發電機斷路器的必要性進行了探討。同時，對國產設備的發展提出了一些設想。

    關鍵詞中型水電站發電機斷路器應用探討

    1　引言

    發電機斷路器(以下簡稱GCB)，作為在最苛刻開斷條件下的大電流、大容量、價格昂貴的中壓斷路器，已在大型水電站中得到廣泛，但在中型水電站中，過去由于普遍存在認識不足的問題，再加上場地布置和經濟方面的考慮，發電機出口采取裝設GCB的設計極為少見，大多以普通配電型斷路器替代，其結果給機組長期安全運行造成了潛在的危害。2000年隨著中小容量GCB制造技術的發展，GCB在中型水電站中的應用與研究已逐步提到議事日程。我院設計的小浪底水利樞紐西霞院反調節水庫電站，在中型水電站電氣主接線設計方面具有典型性。本文以此為例，對中型水電站發電機出口裝設GCB的必要性進行了探討，并對中小容量GCB在國內的應用和發展談一些個人的見解。

    2　西霞院水電站電氣主接線設計

    西霞院水電站裝設6臺軸流式水輪發電機組，單機容量為35MW，總裝機容量為210MW，距洛陽地區負荷中心僅33km，在系統中的作用主要是在滿足反調節發電的基礎上參與系統調峰運行。電站以220kV電壓等級接入系統，220kV出線2回。借鑒國內同等類型水電站的設計經驗，經過多方案的綜合比較，最終推薦發—變組合采用二機一變擴大單元接線，220kV升壓側采用雙母線接線的方案，西霞院水電站電氣主接線方案的主接線簡圖見圖1。

    3　發電機出口裝設GCB的問題探討

    3.1　發電機出口裝設斷路器的技術條件

    發電機—變壓器組合采用擴大單元接線，每臺發電機出口必須加裝斷路器。西霞院水電站35MW發電機出口回路持續工作電流為2358A，三相短路電流計算結果為36.4kA。

    根據35MW機組對裝設在發電機出口斷路器的主要要求，現將GCB與普通配電型斷路器的有關技術條件比較見表1。

    3.2　GCB和普通配電型斷路器的性能比較

    3.2.1　GCB是發電機出口專用斷路器，安全是針對發電機出口回路的特殊技術要求而產生，與普通配電型斷路器相比，具有極強的開斷短路電流直流分量的能力和失步開斷的能力，極高的機械和電氣操作壽命，其三相聯動操作機構能提供安全的同步操作，應用GCB還可以減小升壓變壓器的故障平均恢復時間和發電機的故障平均恢復時間，使電廠的可利用率增加，從而提高電廠的效益，尤其是GCB開斷發電機出口延遲過零短路電流的能力，是普通配電型斷路器所不具備的。

    3.2.2　由于本電站發電機電壓設備均集中布置在主廠房下游側狹長的副廠房內，場地緊張，希望出口斷路器體積小，并能與其他發電機電壓成套柜并排布置。目前，國產10kV真空斷路器柜已具有開斷短路電流交流分量有效值50kA的分斷能力，但這種普通配電斷路器并非針對發電機回路的特點而設計，對短路電流直流分量的分斷能力很低。

    每一種交流斷路器的開斷都需要有一個電流過零點，電弧會在電流過零點自動地分開。在某些條件下，來自發電機的短路電流可能具有100ms或更長的延時電流零點。在發電機空載狀態下，如果短路發生在電壓最低狀態，那么就會出現具有直流分量的非對稱短路電流。尤其是在故障前，當發電機在欠礪磁狀態下且具有超前功率因數時出現最高非對稱值。在此條件下，短路電流的直流分量將高于對稱分量，并一直保持到延時電流零點。圖2為發電機源饋電故障時短路電流的計算實例。

    從圖2可以看出，短路電流的交流分量和直流分量的衰減規律不同，交流分量隨著發電機短路次暫態和暫態時間常數Td″、Td′，Tq″、Tq′按指數遞減，直流分量隨著短路時間常數Ta=Xd″/(2πfRa)，(式中：Xd″為直軸次暫態電抗；Ra為電樞電阻)按指數規律衰減。根據發電機不同尺寸和設計結構，這些時間常數值變化很大，當短路電流的交流分量比直流分量衰減得快時，在某段時間內就產生了延時電流零點。小容量發電機因電感與電阻的比值小，短路時間常數小，直流分量衰減很快，短路一般經數十毫秒，即通過零點，滅弧較易。而35MW發電機短路時間常數Ta較大，超過150ms，直流分量衰減慢，短路電流有經數百毫秒也不通過零點的情況。若發電機出口選用常規配電斷路器，斷路器動作切斷短路故障時會產生異常過電壓，滅弧不易。而需選用GCB，利用斷路器觸頭分離產生很高的電弧電壓，來增大與Ra相串聯的電弧電阻，使短路電流直流分量快速衰減，從而強迫過零。也就是說，只有GCB才能滿足不過零時切斷短路電流，而不致產生危險的過電壓。

    3.2.3　GCB除了適用于開斷不過零的電流外，還具有極高的絕緣水平、極強的失步開斷能力、開斷小電感和小電容電流的能力等，其保護發電機和主變壓器的功效是普通配電型斷路器所不可取代的。近幾年來已有一些小水電機組相繼選用了成套的普通配電型真空斷路器柜替代作GCB用，雖然這些用戶裝設了過電壓保護裝置(有些用戶甚至僅在真空斷路器的兩側配置了氧化鋅避雷器)，但從長期看卻存在著隱患。一是新機組剛投運時絕緣水平相對較高，絕緣尚能配合，而機組絕緣水平隨著運行時間增加在逐步下降，絕緣配合就成了問題；二是普通配電型斷路器的性能畢竟與發電機出口專用斷路器的性能要求相差較大，難以勝任苛刻的使用條件，故存在著隨機性損壞機組的可能和不安全因素。

    綜上所述，西霞院水電站發電機容量雖然不大，但發電機出口加裝GCB而非常規配電斷路器，在技術上是極其必要的。

    3.3　中小容量GCB在國內的應用

    大容量的GCB在國內外大型電站中已得到廣泛應用，其中以瑞士ABB、法國阿爾斯通、日本三菱的SF6型和德國西門子的真空型最具有代表性，國內也已有沈高的LN-18型產品。對于中小容量的GCB，真空型產品因價格低廉、結構簡單、維護容易、體積小而占有一定的優勢，如德國西門子的3AF2288真空型GCB，電壓17.5kV、額定電流4000A、額定開斷電流63kA、額定峰值耐受電流160kA，在尺寸和價格上都與普通配電型斷路器差不多，只是與SF6型GCB相比，其缺點是需另配備過電壓保護裝置，開斷容量及載流量受到限制。據了解，目前國內已具有開發先進水平新產品的實力，希望能早日研制出價廉質優的國產中小容量的GCB填補空白，這種產品的尺寸應與通常的中壓柜相仿，并能組合入成套柜中，以解決中型水電站地下式廠房電氣設備布置的難題。

    4　結論

    4.1　中型水電站發電機——變壓器組合若采用擴大單元接線，每臺發電機出口必須加裝斷路器。

    4.2　中型水電站發電機出口雖然短路電流不太大，例如西霞院35MW發電機組出口三相短路電流計算結果僅為36.4kA，但因其所處位置的重要性和對斷路器的特殊要求，有裝設GCB的必要性。國內一些中小水電機組選擇普通配電型斷路器替代GCB的作法，給機組長期安全運行埋下了隱患。

    4.3　希望能早日研制出質優價廉的國產中小容量的GCB成套柜，以適應中型水電站發電機電壓設備選型和布置的需要。

    (注：本文獲優秀論文二等獎)