发电机断路器设计相关问题探究
大容量发电机出口断路器应用问题的探讨
摘要：容量火电机组发电机是否需要装设出口断路器（GCB），是近十几年来大型发电厂电气工程设计中争论较多，意见不一的问题。
主要原因是其目前主要依靠进口，价格昂贵。
在不装设GCB的情况下，发电机组虽然也能照常运行，但发电机组正常起、停或事故时厂用电系统切换较为复杂，主变压器、高压工作厂变以及发电机内部故障时不能快速切除故障点而使事故范围扩大等一系列弊端也显而易见。
随着国力的增强、建设资金相对宽松、电力系统实行重大体制改革以及在市场经济体制下电力系统运行机制发生转变等因素的影响，对这个有争论的问题重新提出来进行探讨很有必要。
关键词：发电机；断路器；探讨0前言关于大型发电机组是否装设出口断路器（GCB）的问题，早在1984年版的《火力发电厂设计技术规程》（简称“大火规”）SDJI—1984中明确规定：“容量为200 MW及以上的发电机与双绕组变压器为单元连接时，在发电机与变压器之间不应设断路器。
”随后多年，200~300 MW单元制接线发电机出口不装设断路器的机组大量投入运行，积累了丰富的设计、运行经验，基本肯定了SDJI—1984第11、2、6所作的规定。
但是，近年来大型发电机组先后发生过几次严重损坏事故，引起国内外人士极大的关注。
原水利电力部科技司和生产司多次组织会议讨论研究这些问题，并提出需要研究500 MW及以上发电机出口是否应装设断路器的问题，随后各设计单位对此问题进行专题研究，提出了论证报告。
在1994年发布的《火力发电厂设计技术规程》DL5000—1994中对第11、2、6条进行了补充修订，该条规定：“容量为600 MW的发电机，当升高电压仅有330 kV及以上一级电压，而且技术经济合理时，可装设发电机出口断路器或负荷开关。
”在以往工程的设计方案审批上，原国家电力公司电力规划总院对装设发电机出口断路器的方案限制较严。
但是，随着引进机组工程逐渐增多，国外工程设计的思路与方法也逐渐被国内所接受，500 MW以上的发电机出口装设断路器或负荷开关的引进机组相继投产，且运行良好，装设发电机出口断路器或负荷开关的优势充分显示出来，在这种状况下，1998年原国家电力公司电力规划总院又组织对DL5000—1994进行了修编，将原第11、2、6条修订为：“当技术经济合理时，600 MW机组发电机出口可装设断路器或负荷开关。
略论发电机保护用真空断路器应用中的若干问题
略论发电机保护用真空断路器应用中的若干问题摘要：对于很多大容量、安全性要求高的机组进来说，发电机断路器的安装非常重要，这样可以使发电机具有较高的可靠性。
所以要在新建的火力发电发电机变压器与升压变压器间安装断路器，这也可以使产供电系统的稳定性得到保障。
本文就对真空断路器应用中的问题进行了论述，其中涉及到额定电流过大、开断电流过大、失步开断等。
关键词：发电机保护；真空断路器；问题真空断路器在我国得到了广泛的应用，其在很多方面要优于其他类型的断路器。
而且在中低压领域，真空断路器有着非常大的优势。
当然任何设备都不能够完全确保不会出现一些状况，真空断路器也不例外。
所以，对真空断路器应用中出现的问题进行分析、探讨很有必要，针对这些问题提出措施具有非常重要的意义。
1、发电机保护用断路器应用简述GCB直接连接在发电机与升压变压器主回路之间，由于近年来用电量的加大，很多大型电站机组容量被提升，这样也就提升了对电站运行的可靠性要求[1]。
这也致使很多新发电厂在发电机出口端装设发电机保护用断路器。
这不仅省去了电源专用线路使结构简化，还降低了总成本，提高了电厂保护的可靠性[2]。
早期的发电厂采用的单元接线方式为单机-单变的方式，在主变压器与发电机之间不装设断路器。
这是由于单线连接方式中发电机高压侧主断路器提供保护会使操作、控制更加复杂，也在一定的程度上提升了运行成本。
图1为某厂家采用的发电机保护断路器的单元接线图。
图 1 装设发电机保护器断路器的单元接线图2、真空断路器的相关问题发电机出口端的工作条件与一般的输配电断路器不同，所以发电机保护用真空断路器就需要很多的技术要求。
发电机组容量决定着流过真空断路器触头与导电系统的额定电流，而机组的容量越大，流过导电系统与断路器触头的电流就会越大，这样会出现发热的情况，对设备会造成一定的损害[3]。
由于现在的机组容量大，所以这需要保护用发电机组的真空断路器可进行大短路电流的开断。
发电机断路器失灵保护判据问题探讨
发电机断路器失灵保护判据问题探讨兀鹏越;孙钢虎;徐金;许寅智;刘国荣【摘要】This paper discussed and analyzed a mal-operation of generator circuit breaker failure protection, brought out the issues that existed in the current criteria which may lead to protection failure. By analyzing the single phase-to-ground fault and phase-to-phase fault in small current earthing system.To determine the reason that cause incapable pick up of overcurrent element, thus to put forward some suggests to improve the criteria for generator circuit breaker failure protection.%对一起发电机出口断路器失灵保护误动事故进行了论述和分析,提出了现有发电机断路器失灵保护中的电流判据会导致保护拒动的问题,分析了小电流接地系统单相接地及相间短路等故障时,断路器失灵保护电流判据无法起动的原因,对改进发电机断路器失灵保护判据提出了采用有流判据及增加电压等判据的建议。
【期刊名称】《电气技术》【年(卷),期】2012(000)012【总页数】4页(P74-77)【关键词】断路器失灵;发电机断路器;误动;小电流接地;保护判据【作者】兀鹏越;孙钢虎;徐金;许寅智;刘国荣【作者单位】西安热工研究院有限责任公司,西安710043;西安热工研究院有限责任公司,西安710043;南瑞继保电气有限公司,南京211100;南瑞继保电气有限公司,南京211100;西北电力建设第一工程公司,陕西渭南714000【正文语种】中文【中图分类】TM561按照《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》[1]中11.6条的要求：“发电机变压器组的主断路器出现非全相运行时，其相关保护应及时起动断路器失灵保护，在主断路器无法断开时，断开与其相连在同一母线上的所有电源。
断路器现有问题及改进方法
从试验中发现的断路器现存问题武汉市木森电气有限公司是专业生产高压开关特性测试仪（断路器特性分析仪）的单位，在长期的现场为广大客户断路器测试服务的过程中，积累了大量数据和经验，从试验中发现的断路器现存问题如下：1、油断路器的制造与维修质量不容忽视采用无油化断路器是我国一项重要的装备政策。
随着城乡电网的建设与技术改造，近年来我国无油化断路器的生产量和装用量都有较大幅度的增长。
1996年无油化断路器的产量在10 kV级中占79．1％，在35 kV 级中占56．2％。
无油化断路器在电力系统中装用量也在逐年增加。
据《1989～1997年全国电力系统220 kV及以上SF6开关设备运行情况》一文统计：至1997年底全国电力系统中500kV SF6开关设备占100％；330 kV SF6开关设备占98．25％；220 kV SF6开关设备（不计华能国际电力开发公司所属单位设备）占41．83％近年来国产设备在电力系统中所占比例也越来越高。
在330 kV、220 kV电压等级中已超过50％，220 kV更接近70％。
以上情况既反映了我国电力事业的发展状况，也反映了电力工业的技术进步水平及我国电力设备的制造水平。
尽管如此，因受经济条件的制约，目前我国电力系统中油断路器的装用量仍占较大比例，甚至一些应淘汰和超期服役的油断路器还未完全更换下来。
由于油断路器（如SW－110220、DW12－35和SN10－1035等型）价格便宜，制造维护经验丰富，运行业绩尚好，故近年来油断路器仍为一些供电企业选用。
看来在电力系统中完全实现开关设备的无油化还需要一段较长的时间，因此对油断路器的制造与维修质量不容忽视，并应积极贯彻执行1999年8月国家电力公司颁发的《高压开关设备反事故技术措施》中的规定。
2、对液压机构的渗漏油问题应予重视液压机构具有输出功率大、操作平稳、噪音小和动作速度快、易调整等优点，故在110 kV及以上电压等级断路器中得到广泛采用。
大容量发电机出口断路器在我国的制造和应用问题
大容量发电机出口断路器在我国的制造和应用问题大容量发电机出口断路器在我国的制造和应用问题摘要：大容量发电机出口是否要装断路器（GCB）在我国过去和现在都存在较大争议，如何正确应用，不同类型的机组有不同的要求。
现在很多地方均在建设超临界或超超临界的大型燃煤火力发电机组，以便迅速扭转电力紧张局面。
为取得较高的可靠性和经济性，都希望装设发电机出口断路器（GCB），从而使发电机出口断路器的供需矛盾扩大。
文章介绍了我国大容量发电机出口断路器的应用状况及生产情况，同时对国外GCB制造技术的现状进行了介绍。
指出了研发具有我国自主知识产权的大容量发电机出口断路器的必要性。
关键词：电力系统；发电机；大容量发电机出口断路器（GCB）；制造；应用我国自20世纪80年代开始，随着电力需求的高速增长，大型火力发电机组的容量由125MW迅速向200、300、600MW级及以上发展，成为电力系统的主力机组。
由于历史原因和设计规程的制约，发电机和变压器只能以发电机-变压器组的单元制接线方式运行，这给正常的运行操作带来诸多不便，特别是事故时的厂用电快速切换存在较大风险，极有可能因切换失败而使厂用电中断，厂用电的可靠性较低。
所以，在发电机的出口加装断路器（GCB），不论是从安全技术层面还是从经济运行层面来讲都很有必要。
1 应用状况1.1 在大型火电机组的应用现状我国20世纪80年代开始出现125 MW的火电机组，1984年，原水利电力部为适应大火电设计要求，在1979年颁布的《火力发电厂设计技术规程》（SDJ1—1979）基础上进行了修订，修订后的编号为SDJ1—1984，并明确规定：汽轮发电机组容量为12～25 MW时，火电厂设计暂时按SDJ 1—1979执行；容量为50～600 MW时，火电厂设计按SDJ 1—1984执行。
所以，1984后修订的DL 5000—1994、DL 5000—1998和DL 5000—2000等《火力发电厂设计技术规程》，都简称为“大火规”。
发电机断路器失灵保护逻辑讨论与优化
发电机断路器失灵保护逻辑讨论与优化单元接线中大型机组发变组保护通常配置断路器失灵保护，实现断路器拒动时有选择性并快速切除发电机等故障元件的功能，从而保证整个电网的稳定运行；否则将会导致事故扩大：轻则损毁发电机等故障元件、重则导致整个电网崩溃。
因此大型机组发变组二次保护装置中有必要配置断路器失灵保护，且无法被替代的。
1 GCB失灵保护方案对比在发电机保护如何启动失灵保护逻辑问题上，不同厂家设计上的思路却有很大差别。
根据《继电保护和安全自动装置技术规程》4.9.2.2 节，失灵保护的电流判别元件一般应为相电流元件以及零序电流元件或负序电流元件。
从不同设计角度出发，GCB失灵保护设计以下述三种设计方案为代表，分别进行分析和特点对比。
1.1 失灵保护方案之一针对发电机内部故障情况下，发电机保护将出口动作跳GCB，将发电机与外电网隔离。
然而一旦GCB出现故障而拒动，此时为防止事故扩大，GCB失灵保护应该起作用。
如图1所示的一种典型失灵保护方案，GCB拒动时失灵保护电流判据由相电流与负1/ 5序电流取“或”构成，同时叠加GCB合闸位置触点和其他启动失灵的保护动作接点，经“与”门输出动作；其分别经延时t1、t2出口：跳GCB和全停。
（全停出口动作：跳变压器高压侧断路器、跳GCB、跳汽轮机、灭磁等。
）该GCB失灵保护逻辑方案中电流判据需要经整定，正序电流按躲过发电机额定负荷电流In整定，并考虑一定的可靠和返回系数，一般取值区间为1.16至1.44倍的In；按躲过正常运行时发电机最大不平衡电流整定，负序电流一般取值0.1～0.2倍的In，保护动作可靠，不容易发生误动。
1.2 失灵保护方案之二图2所示GCB失灵保护逻辑方案二在方案一的基础上进行了补充和调整，相电流元件判据ⅠOP=K*Ⅰn （K1），使得发电机正常运行情况下GCB位置触点和相电流判据一直开放，此时相关保护动作开入接点成为断路器失灵保护唯一闭锁条件。
考虑保护动作接点可能存在误动的情况，引入主汽门位置接点或者灭磁开关位置接点，与保护接点构成与门作为闭锁接点，一定程度上增加了保护的可靠性。
发电厂电气控制与保护设计问题分析
发电厂电气控制与保护设计问题分析目前火力发电厂中的电气控制和管理存在一系列的问题，所以加强火力发电厂中的电气控制和管理是电厂管理工作中的重点。
在我国快速发展和改变发展方式的关键时期，任何可能阻碍发展的因素都要全面的考虑到，并且采取有效措施解决阻碍我国社会和经济发展的障碍，继而保证我国可以顺利发展早日实现我国现代化建设和全面建成小康社会。
鉴于此，本文主要介绍了发电厂电气控制与保护设计等问题，仅供参考。
标签：火电厂；电气；控制；设计一、电气控制室的选择目前在发电厂对于电气控制室的选择上，还没有统一的规定，是利用主控室还是单元控制室则需要根据电厂的单机容量、相关经验等来进行选择。
这两种形式的电气控制室在运行过程中都有其各自的优缺点。
单机一控：采用单机一控，不仅有利于安装、操作、监视、测量、调试，而且还对单元具有较强的保护性，而且控制室环境较大，环境较好，但还是会存在着两台机公用设备的情况，这样就会造成两地控制、管理分散，需要运行人员多的问题，给运行和管理都带来较大的不便。
两机一控：由于采用此种控制室，两台公用设备在布置上较为集中，不需要进行两地控制，而且接线较为简单，易于操作，不需要较多的值班人员，对电缆所用量少，节约了成本。
但对一台设备进行安装、调试、维护和故障处理时，则会给另一台设备带来一定的干扰。
二、电气设备的控制方式目前，发电厂有强电控制、弱电选线控制及微机监控三种方式对电气设备控制方式。
断路器的跳合闸与控制回路的选择有很大关系，目前一般通过强弱电转换装置来实现弱电控制断路器，从而导致接线复杂，可靠性不高。
而强电控制则接线简单、运行方便、调试容易、安全可靠，因此，目前很多火电厂基本均采用强电控制方式。
随着科学技术的不断发展，微机控制技术也日趋成熟，采用微机监控方式将电气控制纳入DCS系统以提高机组的自动化运行水平，从而达到了炉机电单元统一管理水平。
因此，选用哪种控制方式要因情况而异，就安全稳定和机组规模来说，微机控制是大势所趋，也与示范电厂自动化设计原则和目标相符合。
中小水电站发电机断路器设计选型探讨
关合能力要求高 ， 型式试验的考核也相对严格得多。
通用型断路器苛刻得多。
２ ２ 发 电机 短路 的开 断试 验 ．
２ Ｃ Ｇ Ｂ的主要型式试验考核 内容
依据当前 国际通用的 Ａ Ｓ ＩＥ Ｃ７ １ Ｎ ＩＥ Ｅ ３ —０３以对 ／
平和质量保障体系的随机性 ， 相对于价格 昂贵的水 轮发 电机而 言 ， Ｇ Ｂ回 路 ， 应 加 装 过 电压 保 护 在 Ｃ 仍 装置 。
４ ２ 避 免 Ｇ Ｂ设 计选 型 的误 区 ． Ｃ
早期 在 Ｇ Ｂ标 准未 实施之 前 ， Ｃ因为没 有专 门的
发 电机 断路器 产 品 ， 人们 对 于 发 电机 断 路器 设 计选 型， 只是 考虑 额定 电流 、 短路 开断 电流和直 流分量较 大 ， 可 以应 用 于发 电机 回路 。我 国过 去 常用 于 中 就 小 容量水 电站 的发 电机 断路 器 主要 是少 油 ｓ ３ ０ Ｎ —１ 型和 Ｓ ４—１ ， 些产 品 的结 构 比较 简单 、 Ｎ ０型 这 技术落 后、 额定参 数低 、 行 极 不 可靠 、 运 满足 不 了 当前 发展 中的 中小 型水力 发 电站 的技 术 和 安 全运 行 要求 ， 逐 步将 被新 型真 空断路 器所 取 代 。设计 选 型 Ｇ Ｂ时 ， Ｃ 除应 满足 额定 电流 、 路 开 断 电 流和 直 流分 量 的 同 短 时， 必须充 分考 虑 回路 的时 问 常数 ， 瞬态 恢 复 电压 、 失步 开断 电流 和关 合 电流等 其 它 参数 ， 免 忽视 这 避 些 因素 ， 择优选 择符合 发 电机 断路器标 准 的产品 。
发 电机短路 的开断试验条件则更为苛刻 ， 该试 验具有更高 的直流分量 。按照 Ａ Ｓ ＩＥ Ｃ７ １ Ｎ ＩＥ Ｅ ３ —０３ ／
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发电机断路器设计相关问题探究
中图分类号：tm 文献标识码：a 文章编号：1007-0745（2008）10-00
摘要：通常，人们习惯地对单机容量100mva及以下的发电机组称为中小型发电机。
鉴于我国能源综合利用开发的基本国策，自西部大开发以来，特别在西南地区，中小型水力发电机组建设拔地而起，产业结构也已具备了一定的规模，随着市场经济的发展，对于中小型水力发电机保护断路器的设计选型，改变以往使用通用型断路器为发电机型断路器的传统，已是大势所趋。
关键词：断路器水电站发电机
1 发电机型断路器与通用型断路器之异同
发电机型断路器与通用型断路器在机械特性、绝缘特性和电气特性的表述方式上基本相同。
如对短路开断电流均以交流分量有效值和直流分量百分数(dc%)表示；绝缘性能均以工频和雷电冲击耐压水平考核；机械特性考核项目等也基本相同。
发电机型断路器与通用型断路器的不同之处，是前者对某些技术性能的技术参数要求要苛刻得多。
因为发电机的电感值较系统相对要大，作为保护断路器在瞬间所承受的直流分量和衰减时间常数均大得多。
gb/t14824-1993中规定：在断路器分闸时间加0.01s时，直流分量(dc%)约为68%，衰减时间常数为60ms，显然较通用型断路器的直流分量dc%≤20%和衰减时间常数45ms要大；同时，额定短路关合电流也不相同，发电机型断路器因为直流分量较大，额定短路关合
电流(峰值)为额定短路电流的2.74倍，而通用型断路器此值仅为2.5倍；在表述方式上，发电机型断路器的铭牌除标有额定短路电流值外，同时还注明有直流分量(dc%)值，而通用型断路器则仅标有额定短路电流值。
通过比较可以看出，发电机型断路器较通用型断路器开断、关合条件均要苛刻，型式试验的考核也相对严格得多。
2 发电机型断路器的主要型式
依据当前国际通用的ansi/ieeec37-013以对称电流为基础的交流高压发电机断路器标准规定，对发电型断路器型式试验考核内容主要是：系统源短路的开断与关合、发电机源短路开断和失步开断与关合。
其它的型式试验考核与通用型断路器内容基本相同。
(1)系统源短路的开断与关合试验。
发电机型断路器是在非自动重合闸操作顺序下进行。
直流分量分dc%20%两种条件；瞬态恢复电压(峰值)为1.7倍发电机最高工作电压；瞬态恢复电压的上升率为3.5kv/μs；关合试验按2.74倍额定短路电流(峰值)合并进行的。
国外西屋和西门子公司在进行此项试验时，直流分量(dc%)均按75%额定短路电流考核。
通用型断路器一般都是在自动重合闸操作顺序下进行的。
直流分量(dc%)<20%；瞬态恢复电压(峰值)为1.71倍额定工作电压；瞬态恢复电压上升率为0.34kv/μs；关合试验是按2.5倍额定短路电流(峰值)与对称开断试验合并进行。
当断路器的分闸时间≥60ms时，则不必进行非对称开断试验。
上述两种类型断路器的试验考核，均相当于三相试验时首开相或者单相试验时的条件。
相比之下，即便是开断电流的数值相同，而发电机型断路器则是在高直流分量和瞬态恢复电压下进行开断，开断条件较通用型断路器苛刻得多。
(2)发电机源短路的开断试验。
发电机源短路的开断试验条件则更为苛刻，该试验具有更高的直流分量。
按照ansi/ieeec37-013标准规定：此值为dc%=130%。
对于这一试验考核，通用型断路器则是无法胜任的。
(3)失步开断与关合试验。
发电机型断路器失步开断与关合试验是在合、分条件下进行的。
外施电压和首相开断工频恢复电压为1.22倍发电机最高电压；开断电流为50%的交流分量有效值；直流分量(dc%)分<20%和≥50%两种条件；瞬态恢复电压峰值为2.5倍发电机最高电压；瞬态恢复电压上升率为3.3kv/μs；关合试验按2.5倍对称开断电流交流分量值(峰值)与开断试验合并进行；国外西屋公司在进行此项试验时的直流分量(dc%)为80%；西门子公司为120%。
通用型断路器的合、分失步开断与关合试验，外施电压和首相开断工频恢复电压为1.44倍系统最高电压；开断电流为25%的交流分量有效值；直流分量(dc%)<20%；瞬态恢复电压峰值为2.55倍额定工作电压；瞬态恢复电压上升率为0.26kv/μs；而对关合电流不作规定。
3 发电机型断路器开发研究过程
在发电机型断路器未进行开发研究之前，由于没有专门的发电机保护断路器，设计选型只能是选择额定电流大、短路开断电流大和直流分量大的断路器用于发电机回路作为保护设备。
4有关断路器设计的思考
(1)重视中小容量水力发电机保护断路器的设计应用。
发电机保护断路器根据电站接入系统方式、在电力系统中的作用、可靠性数值计算等，选型作为发电机保护回路主要保护电气设备，所以，正确设计选择发电机保护断路器直接关系着水电站后期的电气设备合理投资、运行维护简单方便、保证水电站长周期安全经济运行，事关重大，故而应予以认真对待。
(2)避免发电机保护断路器设计选型的误区。
早期在发电机型断路器标准未实施之前，因为没有专门的发电机保护断路器产品，人们对于发电机断路器设计选型，只是考虑额定电流、短路开断电流和直流分量较大，就可以应用于发电机回路。
我国过去常用于中小容量水电站的发电机保护断路器主要是少油sn3-10型和sn4-10型，这些产品的结构比较简单、技术落后、额定参数低、运行极不可靠、满足不了当前发展中的中小型水力发电站的技术要求，逐步将被新型真空断路器所取代。
设计选型发电机保护断路器时，除应满足额定电流、短路开断电流和直流分量的同时，必须充分考虑回路的时间常数，瞬态恢复电压、失步开断电流和关合电流等其它参数，避免忽视这一因素的误区，择优选择符合发电机断路器标准的产品。
(3)关于真空断路器的截流过电压保护。
真空断路器以良好的开断性能应用于发电机保护断路器极为普遍。
由于真空优越的灭弧特性，往往在开断过程中发生截流现象，因为截流引起的操作过电压，则与断路器的结构和系统配置有关，而且具有一定的随机性。
国内外许多真空灭弧室制造商，对于真空灭弧室限制截流值的技术措施进行了一系列研究，并且取得了一定的效果，西屋公司和西门子公司已确认该公司的真空断路器截流值已降低至3a～5a。
尽管如此，局限于产品制造的工艺水平和质量保障体系的随机性，相对于价格昂贵的水轮发电机而言，在发电机保护断路器回路，仍应加装过电压保护装置。
熟悉掌握发电机保护断路器各种技术参数和功能，对于能够量化的技术参数，如额定工作电流、短路开断电流、直流分量(dc%)、最大关合电流等，设计中必须进行认真准确地计算；对于随机性的一些技术参数，如瞬态恢复电压峰值、上升率、时间常数、截流值等，尽可能地进行各种条件下的计算分析比较。
根据已具备的设计数据，合理选择断路器的技术参数配置，确保发电机保护断路器长周期的可靠、安全、经济运行水平。
5 结束语
影响断路器开断能力的因素，除了电流大小和直流分量之外，恢复电压峰值和上升率也是相当重要的。
而对于发电机或者变压器在保护断路器开断过程中恢复电压峰值和上升率随其容量的变化，至今仍难作出定量的规定。
在中小型水力发电站设计中，当前仍应根
据已经执行国家标准规定的相关技术参数，合理配置发电机保护断路器，应该是科学的、规范的、有益的最佳选择。