真空断路器在中国应用的经验(一)

时间:2024.3.19

真空断路器在中国应用的经验(一)

西安交通大学(710049)王季梅

【摘 要】 首先介绍了我国改革开放以来真空开关的发展概况,总结了我国真空开关在发展过程中取得的成就及经验。阐述了我国中等电压等级的真空断路器的完善化,完成了开断能力50kA和63kA的真空断路器的研制工作,并正在开发更大开断能力的真空断路器,如额定电压24kV、额定电流12500A、开断能力125~240kA保护大容量发电机组的真空断路器,还报道了我国已研制成功110kV、户外双断口真空断路器和进一步开发220kV的户外真空断路器和其他产品。

文章最后报道了中国电力科学研究院,在1997~19xx年运行中的真空开关所发生事故的分析报告和在运行中各类真空开关的实践经验总结,以便向我国制造部门提出更高的制造要求和改进真空开关的制造水平。

【关键词】 真空断路器 中国 应用

1 一般概述

早在19xx年,我国不少工矿企业对真空开关已有所了解,并希望能早日应用到这些企业中去,而当时国内制造真空开关的工厂也在寻找有关真空开关的应用单位。中型钢铁企业在连续轧钢生产过程中,一直选择不到比较合适的高压接触器来承担连续不断轧钢操作运行下的要求,而已在运行中的电磁式高压接触器均来自原苏联和东欧国家,这批在连续轧钢生产运行中的设备一直很不稳定,加上这些设备已运转期满,亦需要更换补充新设备,但再要进口购买这些设备在经济上有一定困难。选择了国产的高压少油断路器来替代,虽然高压少油断路器的价格低廉,但在生产过程中需不断地替换和检修高压少油断路器,来保证维持生产,这样劳动强度较高,所以在我国最先投入使用国产真空开关的就是这批中型钢铁企业。由于当时选用国产真空接触器还没有保护线路短路故障的大容量限流熔断器,仅选用了真空断路器来替代真空接触器。不久西安交通大学研制出了这种大容量限流熔断器,才有力地解决了真空接触器与大容量限流熔断器配套的问题。这批首次应用于钢铁企业中的真空断路器或真空接触器,在实际运行中非常平稳,获得了用户们的好评和满意。因为真空开关在实际运行中,几乎不需要像高压少油断路器那样需经常维护检修,大大降低了劳动生产率。此外,在长期频繁操作过程中没有像其他开关那样,在运转过程中会产生强烈的燥声,因而大大减轻了工人们的疲劳感受。同时发挥了真空开关还具有重量轻、结构简单、使用寿命长等优点。 随着我国改革开放的不断深化,国内石油、化工、电子和矿山等企业也陆续使用了各种真空开关。由于这些企业的动力都要求真空开关来配套,除部分企业直接从国外引进真空开关外,大多数企业采用了国产的真空开关,这样大大促进了我国真空开关的生产。但实际使用真空开关的主要用户是电力工业部门,而当时电力工业部门对真空开关的优点还不十分了解,同时国内生产的真空开关的质量亦不够稳定,例如,截流过电压偏高,真空灭弧室还有个别漏气的现象。当时只在少数电力用户开始应用和试用。关于上述一些问题,经过国内制造厂、科研单位和高等院校共同努力的结果,大约到19xx年已基本上得到了解决,同时对真空开关的制造技术和产品质量也有显著提高,使电力工业部门认识到真空开关确实是一种比较优越的中压开关设备之一。

1.1 真空灭弧室的事故分析

据西安高压电器研究所19xx年的调查表明,国产真空灭弧室的质量已趋于正常状态,事故率已逐年下降。根据事故分析报告,真空灭弧室造成漏气的大概有下列几个方面。

1.1.1 真空灭弧室的本体漏气

真空灭弧室的漏气在全世界均有存在,但位数极少。分析国内存在问题的原因有原料的质量,也有制造工艺和设计的因素,还有使用不当等。

(a)原材料的质量无氧铜棒的纵向气线、可伐和不锈钢板裂缝均可造成慢性漏气。这种情况在生产过程

中均发现过,但由此造成的漏气,工厂已能在原材料进厂时严格检查和产品出厂前检验中发现,尚未发现流到运行现场。

陶瓷外壳质量一致性差,金属化分散性大,陶瓷- 金属封接强度不稳定,都是造成陶瓷真空灭弧室漏气的主要原因。这种漏气与真空灭弧室生产批次有关,大量的漏气故障往往发生在个别批次中。实际使用中曾发现个别批次的真空灭弧室漏气情况远较其他批次高,经分析检验均是由这种原因引起的。 (b)制造工艺和设计的因素

陶瓷金属化工艺不稳定,与陶瓷外壳材料质量不稳定,共同构成了批次的高漏气比率。使用中曾发现因设计结构不合理,导致封接应力大而产生气密性的漏气。

(c)使用不当

在沿海地区及海上平台使用的真空灭弧室,由于盐雾的侵蚀,造成不锈钢波纹管和盖板及封接面腐蚀,导致的漏气情况也有发生。金属波纹管是薄壁零件,盐雾及凝露点状腐蚀,是导致波纹管漏气的主要原因。 用户使用及储放环境不符合要求,也曾有导致真空灭弧室漏气的情况。

1.1.2 波纹管的质量

我国极大多数波纹管是采用0.15mm厚的不锈钢油压成形的,在三、四年前,因不锈钢原材料厚度的不均匀性,直接影响了制成的波纹管使用寿命。

近几年来不锈钢的质量和厚度均匀性都有很大的提高,同时油压设备的不断改进,使波纹管的制造技术有很大的改善,操作寿命已达到20000次以上,目前正向着更高的操作寿命努力,已能控制操作寿命在30000~40000次左右,

1.1.3 排气工艺技术

我国对开断电流在40kA左右的真空灭弧室的排气工艺已基本掌握,但对制造较大开断电流的真空灭弧室的排气工艺尚未完全掌握,如80kA以上开断电流的真空灭弧室尚待进一步研究。

1.2 改进真空断路器制造技术的实践经验

回顾90年代我国真空断路器的科研、生产和使用方面的实践经验,开发了纵向磁场结构电极的真空灭弧室,开展了真空灭弧室小型化等研究工作,例如西安高压电器研究所研制出ZN28系列的真空断路器。这一代新型真空断路器的技术经济指标,远远优于我国早期采用横向磁场电极结构真空灭弧室组装成的ZN3-10型和ZN5-10型等老一代的真空断路器。新一代真空断路器的研制成功,取得了巨大的经济和社会效益,大大缩小了我国真空断路器产品与国际先进水平之间的差距。我国许多工厂在此基础上也试制了不少新型结构的真空断路器,说明我国已具有自行开发各种不同类型的真空开关的能力。目前我国采用纵向磁场电极结构的真空开关生产量,已经超过了6万台/年的数量,占我国中等电压生产和使用总量的60%以上,生产真空开关的工厂已达200多家。

西安高压电器研究所曾对771厂生产的真空灭弧室,于19xx年进行过42台次的短路电流电寿命的开断试验,来分析其开断成功率有多少。试验结果有4次发生开断失败,其中2次在导电杆接地开断失败,2次在试验方式4时开断失败,这样771厂生产的真空灭弧室开断试验成功率为95%以上(不包括导电杆接地开断失败)。后来查出其制造上的原因后,再经过同样的短路电流开断电寿命试验,没有发生过开断失败的记录,即开断成功率为100%。

西安高压电器研究所还在1994~19xx年,对所有10kV纵向磁场电极结构的国产真空断路器,对初次试制真空断路器的开关制造厂,在进行开断型式试验时作过开断成功率的统计,大约在85%~90%。 真空灭弧室的小型化,我国有关研究所和高等院校曾作了不少工作,研究的方向是采用各种纵向磁场结构的真空灭弧室和寻求新的触头材料。由于纵向磁场结构的电极开断能力强,在额定的短路开断电流相同,设计裕度和工艺水平相同的条件下,纵向磁场结构的电极比横向磁场结构的电极小得多,采用纵向磁场结构电极的真空灭弧室可以做得小些。这就是真空灭弧室采用纵向磁场结构电极后,使真空灭弧室小型化的原因。

小型化真空灭弧室的直径缩小,原材料节约和工艺费用降低。因而真空灭弧室的生产成本大幅度下降和真空断路器可以做得更紧凑。此外,随着真空灭弧室外壳尺寸的缩小,外壳上的真空密封焊缝的长度缩

短,真空灭弧室漏气的可能性减小,真空灭弧室的可靠性提高,小型化真空灭弧室的其他性能也远远优于横向磁场真空灭弧室。小型化真空灭弧室的开发和推广,是我国真空断路器进入一个新的发展阶段的重要标志。

试验表明,我国ZMD11-10/1250-20、ZMD-14-10/1250-20小型化真空灭弧室的开断能力的裕度是相当大的。它们的额定开断能力是20kA,曾作过多次开断试验,不但能轻松开断25kA,还能开断3.15kA短路电流。

1.3 其他方面的改进工作操动机构在真空断路器中机械结构最为复杂,是精度要求最高的部分,不少真空断路器生产厂很难满足操动机构的加工要求。把操动机构独立出来可以在生产条件比较好的工厂集中生产,保证其可靠性。将操动机构的输出轴与断路器主轴合而为一,在设计上是不困难的,这样做对机架的精度要求将大大提高,一般真空开关生产厂很难达到这种精度。将操动机构与真空开关主体二者分开,使大多数真空开关厂都能生产真空开关,并保证了真空断路器的可靠性。

分装式真空断路器是专为我国GG1A等固定开关柜设计的。分装式真空断路器自诞生以来,至今已有近20年历史,其间经历了设计、试验、小规模试用、大面积推广等典型的新产品发展过程。分装式真空断路器经过数以百次计的型式试验的考核,又经过了十多年各种运行条件的考验。事实证明,符合国情,经济实用,试验成功率很高,性能满足使用要求,运行安全可靠。

几年来对高电压等级的真空断路器作了研究和开发工作。现已研制成功110kV双断口的户外真空断路器和继续研制220kV的真空断路器。此外,还在研制保护发电机组用的额定电压24kV、额定电流12500A和开断容量125~240kA的真空断路器,高电压等级的永磁操动机构,四相高压真空断路器和超高压转换并联电抗器用的真空负荷开关等。

2 我国真空断路器的现状与国际先进水平的差距

我国从60年代末开始真空断路器的实用化研究,经过近三年的努力,现在技术上已趋成熟,应用已相当普遍。随着真空断路器技术上的进步和性能的提高,使用部门对真空断路器的要求也越来越高。因此设计、制造、研究和高校等部门已在不断总结经验,不断改进、完善产品,不断推出新产品,更好地满足用户的要求。

改革开放以来,大量国外先进真空断路器进入我国开关市场,我们必须尽快完善和改进国产真空断路器,并应尽快拿出与国外先进产品媲美的真空断路器来提高竞争力。

为了改进和完善老产品和发展新一代真空断路器,我们必须对现有的真空断路器的不足之处,用户的要求以及与国外先进的真空断路器的差距作出充分的估计,以便确定我国真空断路器今后发展的方向。

2.1 我国真空断路器的参数和性能

对于真空断路器最重要的是其性能和参数应满足使用要求,并具有一定的裕度,性能稳定和工作可靠,由于真空断路器是一种保护设备,其性能的稳定性和可靠性尤为重要。作为一个好的真空断路器,还必须使用方便,参数范围广,系列性强,外形美观和价格合理。

我国80年代以来,研制了一批12kV的真空断路器,与70年代研制的产品相比,各方面都有显著的提高。就额定参数而言,我国真空断路器的额定短路开断电流已达到63kA,额定电流最高可达到4000A,对于额定电流小于、等于3150A的产品,部分产品允许在1.1倍额定电流下长期运行。机械寿命一般为10000~20000次,正在开展将机械寿命提高到30000~40000次的水平。开断短路电流前的工频耐压可达48kV,冲击耐压可达84kV,断流容量试验后的工频耐压一般为42kV,冲击耐压一般为75kV,允许储存期20年。已有真空断路器形成完整的、参数范围很宽的产品系列。

上述真空断路器的额定参数已能满足配电的要求,也能满足大部分冶金、化工部门的要求。对于一些特殊场所,如发电厂厂用电系统,某些冶金和化工企业,还需要开断能力更大,额定电流更高的真空断路器,这些断路器正在开发和发展中。

国外先进的真空断路器的参数与我国产品基本相同:最大额定短路开断电流一般为63kA,有些公司也

生产更大额定短路开断电流的产品,如日本有额定短路开断电流为100kA的产品,这些真空断路器只用于一些特殊的场所。国外真空断路器的额定电流一般最高为3150A,个别产品额定电流为4000A。国外先进的真空断路器的机械寿命比较长,像西门子公司的3AF、3AH系列真空断路器的机械寿命为30000次,且在寿命期间不需要维修,我国的真空断路器还达不到这样的水平。

在开断能力和在关合能力等方面,我国真空断路器的性能是高的,也是稳定的。近年来西安高压电器研究所进行了大量真空断路器的开断试验,试品包括国内各生产厂的和各主要国外真空断路器生产公司的产品,从大量试验的统计看,国产真空断路器的开断能力试验和额定短路开断电流开断次数(电寿命)、试验的一次成功率比进口真空断路器还要高。

真空断路器的触头是不能维修和更换的,要求真空断路器有足够高的电寿命是必要的。真空断路器的电寿命也一直受到使用部门的密切关注。我国一般真空断路器的技术条件规定:额定短路开断电流31.5kA及31.5kA以下真空断路器的电寿命为50次,40kA真空断路器为30次,50kA为20次。有些产品在技术条件中规定75次甚至100次电寿命。我国真空断路器技术条件规定的电寿命,是型式试验中实际进行的满容量开断次数。当代我国真空断路器的预期电寿命,要比技术条件规定的高,早期真空断路器(如ZN3-1,ZN5-10)的电寿命为30次,经30次开断后,触头烧损厚度接近甚至大于允许触头烧损厚度3mm。可以认为这些真空断路器的预期电寿命为30次左右。新一代真空断路器普遍使用纵向磁场电极和铜铬触头材料,用纵向磁场电极替代横向磁场电极,成倍地降低了短路开断电流下的电弧电压(电弧能量),而且使电弧在触头表面分布得比较均匀,用铜铬触头材料替代铜基触头材料则降低单位电弧能量所造成的触头烧损量。两者相结合,使真空断路器的电寿命有了突破性的提高。采用纵向磁场电极和铜铬触头材料的真空断路器,电寿命试验所造成的触头烧损厚度一般小于1mm,远远小于允许触头烧损厚度3mm,可以推断,其预期电寿命要比技术条件规定值高得多。现在有些工厂为了证明自己的产品先进,在型式试验中进行75次,甚至100次额定短路开断电流开断试验。其实,这种试验只是证明其具有原来已经有的能力而已,并不意味着它的性能一定比其他产品的电寿命长。

在当前的技术水平下,只要适当牺牲一些经济性,提高真空断路器短路开断电流的电寿命是不因难的。简单地加大触头直径(相应放大真空灭弧室直径)就可以有效地提高电寿命。真空断路器的这种电寿命究竟应取多长才能充分满足使用要求?对于这一问题需要进行认真的研究。初步的结论认为短路开断电流的电寿命并不一定是越高越好,电寿命和其他性能指标一样,一旦它超出了使用的需要,超出的部分便成了多余的功能,为此而付出的人力、物力都是一种浪费。上面已指出,我国早期真空断路器的实际电寿命只有30次左右,它们投入运行最长的已超过20年,在电力系统至今还没有发现有真空断路器因短路开断电流的电寿命终了而退出运行的,也没有发现因短路开断电流的电寿命过短而造成事故的,可见这些真空断路器已能基本满足电力系统对短路开断电流的电寿命的要求了。六氟化硫断路器也是一种免维修的断路器,中压六氟化硫断路器在型式试验时最多只进行20次满容量开断试验,它们在电力系统中运行得也是令人满意的。新一代真空断路器的电寿命更长、更可靠,它们的这种电寿命实际上已远超过了使用要求。在此条件下片面追求更长的电寿命是毫无实用价值的。

西门子公司的3AH系列31.5kA真空断路器的电寿命为50次;ABB公司的真空断器为了在中国销售,经过努力通过了50次满容量开断试验;全俄电工研究院的16kA、20kA真空断路器的电寿命为50次,40kA和50kA真空断路器分别为25次和20次;日本三菱公司的真空断路器在型式试验中只进行8次满容量开断。由此可见,我国真空断路器的电寿命一点不比国外最先进的水平低。

真空断路器有许多机械参数,如合、分闸速度,触头行程,触头合闸弹跳时间,触头分闸反弹幅值等等。这些参数是用以保证真空断路器达到其性能而设定的,只要它们能保证其主要性能就不必苛求。 综上所述可以看出,从型式试验反映的国产真空断路器的性能是好的,不比国外先进产品差。只有机械寿命还比较低,需要进一步做工作。

2.2 真空断路器的总体结构

70年代我国独立研制的ZN3-10型和ZN5-10型真空断路器采用落地式总体布置。ZN3-10型真空断路器,每个真空灭弧室用几根绝缘杆固定在位于断路器下部的机架上,操动机构置于机架内(如图1所示)。

ZN5-10型真空断路器的真空灭弧室的固定方式略有改进,每个真空灭弧室用两个新月形的绝缘板固定在断路器最下部的机架上,操动机构同样布置在机架内(如图2所示)。

这种结构形式带来了一系列的问题。用绝缘杆或新月形绝缘板支撑,使真空断路器的整体刚度不佳。用在手车柜中使用时,由于刚度不佳,真空断路器无法承受手车推进和拉出时所产生的机械冲击。为了提高刚度,断路器上部必须用绝缘子固定到手车架上。这不仅使手车的结构复杂,还可能使真空灭弧室和绝缘杆受较大的应力作用。当短路电流通过时,相间受巨大的电动力作用,绝缘杆支撑结构承受相间电动力的能力是很有限的。在电动力作用下,绝缘杆容易弯曲变形,从而使真空灭弧室的外壳受力。额定短路开断电流不太大(如20kA或31.5kA)时,刚度差的矛盾还不会很突出,当额定短路开断电流为40kA或50kA时,这一矛盾就会非常突出。这就制约了ZN3-10型和ZN5-10型真空断路器,发展成包括大额定短路开断电流品种的完整的系列化产品。

由于操动机构置于真空断路器的最下部的机架内,这使ZN3-10型和ZN5-10型的断路器的装配、调试、检测和维护很不方便。在真空断路器运行中,对操动机构的检查、维护和调整是很难避免的。当这类真空断路器用于手车柜中时,只有将真空断路器从手车上卸下来后,才能对操动机构进行检查、调整和维护。当它们在固定柜中使用时,必须将其从柜子中拆下来才能进行检查,这对用户是非常不方便的。

我国早期真空断路器(包括ZN3-10型和ZN5-10型)只配备电磁操动机构,没有配置弹簧操动机构,在ZN3-10型和ZN5-10型这样的落地式布置的真空断路器中,安装弹簧机构也比较因难,使这类真空断路器,不能满足那些没有直流电源的用户的要求。

因此,使用不方便是这类真空断路器比较大的缺点,而且难以从根本上加以克服,在这里值得一提的是,仍然有个别新研制的真空断路器,采用与ZN3-10非常相似的结构形式。虽然由于使用了性能先进的真空灭弧室和采取了一些技术措施,使某些性能有了提高,但由于结构上的局限性,使它们在系列性和使用方便性方面,不仅远远落后于国外先进断路器,而且落后于我国当代真空断路器的先进水平。

80年代至90年代初研制的真空断路器,基本放弃了落地式布置方式,多数采用与国外真空断路器相似的悬挂式或综合式总体布置方式。真空灭弧室由机械强度很高的绝缘子支撑,真空断路器的整体刚度很高,其中综合式布置的真空断路器的整体刚度更高,这种结构形式,已成功地用于额定短路开断电流高达50kA的真空断路器。这些真空断路器的操动机构,都布置在真空断路器后部的框架中,卸下后部盖板就可对操动机构进行维护、检查和调整。19xx年以后,我国真空断路器很少采用绝缘框架或整体绝缘筒,作为真空灭弧室支撑和对地绝缘。

70~80年代,我国还没有适合于真空断路器使用的长寿命弹簧操动机构。19xx年以后发展了几种长寿命弹簧操动机构,它们的输出特性与真空断路器的反力特性能有较好的匹配,输出功能满足大容量真空断路器的要求,机械寿命已达到30000次。

多数真空断路器用的操动机构(包括电磁机构和弹簧机构)是集中布置的,即机构被设计成独立的元件,自成一体,这样做便于操动机构的集中生产,有利于保证产品质量。

我国的新一代真空断路器多数已克服了早期产品参数范围不广,不成系列和使用不便的缺点,目前生产的真空断路器具有参数范围广、系列性强和使用方便的优点,基本上满足了用户的要求。在这些方面我国的真空断路器与国外产品已不存在差距。

由于我国的真空断路器沿面爬电距离和空气间隙都设计得比较大,更适合于我国的使用环境条件,国产真空断路器的价格比进口产品低得多,国产真空断路器更适合于中国市场。

2.3 提高可靠性和改善外观质量

我国用户喜欢选用国外进口真空断路器的主要原因:一是普遍认为进口产品的可靠性高,二是国外产品精致和美观。我国真空断路器确实存在这二个问题,特别是机械可靠性不够高,机械寿命还不够长和外观不够美观和精致。

可靠性对真空断路器来说是特别重要的,机械寿命则直接关系着使用寿命,两者的提高具有巨大的实用价值,我国真空断路器可靠性不够高的主要原因有以下几方面。

首先,我们对产品的可靠性重视不够。以前我们一直着重解决开断能力、电寿命、开断后的绝缘水平

等问题。现在这些问题在10kV级真空断路器中已基本解决。在此条件下,已经把工作的重点转移到提高可靠性和机械寿命上来,但时至今日,还有少数人依然对提高电寿命不遗余力,甚至把电寿命的长短作为衡量真空断路器优劣的依据。这对于引导生产厂提高产品的可靠性和机械寿命是非常不利的。

有些设计观念也是造成可靠性不够高的原因,我们的设计往往强调产品能用一般加工工艺手段制造出来,这就不得不迁就落后的加工工艺,零部件的设计精度低,依靠调整解决精度低的矛盾,因而调整环节多,结构复杂,这不可能不降低可靠性。

设计中偏重于提高产品的性能指标,对可靠性不够重视,甚至个别产品为了提高一些不太重要的性能指标而牺牲可靠性,例如有的真空断路器为了追求触头合闸无弹跳,在真空灭弧室的静端设置合闸缓冲弹簧,合闸缓冲可以减小合闸弹跳是没有问题的,但为了保证明显的缓冲效果,动、静触头接触后,静触头必须跟随动触头运动一个缓冲距离,这导致与静触头连成一体的整个真空灭弧室绝缘外壳的合闸振动,这很容易造成真空灭弧室外壳损伤。真空灭弧室的静端不是刚性固定的,因而真空灭弧室外壳在电动力的作用下可能作横向摆动,这同样容易引起外壳损伤。开断电流越大,这种危险也越大。这些作用无疑将降低真空断路器的机械可靠性。经验表明,将合闸弹跳时间控制在某一范围(如2ms)内,合闸弹跳是无害的。国外先进的真空断路器也并不是没有触头合闸弹跳,西门子公司的3AF,3AH系列真空断路器通过提高加工精度使合闸弹跳时间控制在1ms之内,东芝公司的真空断路器的允许合闸弹跳时间为10ms,实际产品的合闸弹跳时间可控制在4ms之内。牺牲产品的可靠性换取合闸无弹跳的作法不可取。

再如,有的真空断路器试图用提高分闸速度来提高电寿命,从理论上说,提高分闸速度可以缩短最短燃弧时间,减小每次开断所产生的电弧能量,从而提高电寿命。另一方面,提高分闸速度会带来一系列副作用,分闸速度提高将大大提高运动部件和支持件的机械负荷,缩短波纹管的寿命,从而降低机械寿命和机械可靠性,提高分闸速度等效于增大燃弧期间的电弧长度,不利于提高开断能力。在电寿命已足够长,而机械寿命和可靠性尚需进一步提高的条件下,靠提高分闸速度来提高电寿命是得不偿失的,在当前机械寿命和可靠性是真空断路器的薄弱环节的情况下,即使略微增长一点燃弧时间,取较低的分闸速度,以提高可靠性和机械寿命则更为合理。

有人把型式试验中偶而发生的开断失败归罪于真空灭弧室的小型化,这是一种误解。真空灭弧室的直径不断缩小是技术进步的结果,而不是靠降低开断能力的裕度得到的。当前小型化真空灭弧室的开断能力稳定性、绝缘水平、电寿命等性能都比我国早期大直径直空灭弧室有显著提高, 生产成本则大大降低。真空灭弧室的小型化还有利于提高真空灭弧室的机械可靠性。漏气是导致真空灭弧室失效的重要原因之一,在相同的工艺条件下,发生漏气的概率与焊缝长度、玻璃-可伐(或陶瓷-可伐)封接长度成正比。 随着真空灭弧室直径的缩小,焊缝长度和封接长度缩短,漏气可能减少,真空灭弧室的可靠性提高。

以先进技术为依托,不断改进和完善产品的设计是提高可靠性的重要途径,为了做到这一点不仅需要设计和制造部门的努力,还需要使用部门的通力合作,使用部门从我国的实际需要出发,提出先进、合理的性能,要求设计、制造部门设法满足这些要求,设计出先进、可靠、经济的产品。

真空断路器的生产条件、生产管理比较差,是影响我国真空断路器可靠性的另一重要原因,我国真空断路器生产厂多,多数生产厂的规模小,生产设施落后,生产批量小。为了提高真空断路器的可靠性必须改善生产设施和提高管理水平,近几年来,几个主要真空断路器生产厂设备水平有了很大提高,他们的产量在总产量中的比重也在增大, 这种发展趋势对提高真空断路器质量是有利的。

真空灭弧室的生产条件比真空断路器要好得多,真空灭弧室的主干生产厂都是大中型国有企业,这些厂有较强的技术力量和较好的设备,有丰富的真空器件生产经验,较严密的质量保证体系。五个主干生产厂的真空灭弧室产量至少占总产量的80%。其中一些厂还引进了国外真空灭弧室制造技术,为生产高质量的真空灭弧室创造了有利条件。但就总体而言,真空灭弧室的生产设备有些老化,自动化程度不高,产品质量常因人为因素的波动而波动。近年来,真空灭弧室生产设备的更新步伐加快,自动化程度在不断提高,一些厂的设备已达到国外生产厂的中等水平,如果在几种关键元件、材料和工艺上进一步提高,我国真空灭弧室的可靠性是可以在不太长的时间内赶上国外先进水平的。

国产材料、元件和标准件的质量也是制约真空断路器的可靠性的重要因素。我国钢材品种少,强度低,

质量一致性差。铜材的导电率低。辅助开关、储能电机的寿命不长,不稳定。标准件质量差,螺钉、螺母,弹簧垫卷等紧固件的质量根本得不到保证。滚珠轴承的质量也很不可靠。真空灭弧室用的可伐、不锈钢、无氧铜的质量很难令人满意。由于材料、元件和标准件涉及我国工业的总体水平,很难在短期内得到根本解决,作为权宜之计,有些生产厂已打算在关键部位使用进口材料、元件和标准件。

我国大多数真空断路器的外观和内部零件显得粗糙,在外观上我国真空断路器与国外产品的差距是非常明显的。

我国产品的外观质量差与我们的设计思想有关。在设计中主要考虑产品的性能和经济性,很少考虑或根本不考虑外观。这种设计思想目前我国不少制造厂已有很大转变,其外观质量已能接近和达到国外产品的水平。

真空断路器在中国应用的经验(二)

西安交通大学(710049)王季梅

3 我国发展大容量、高电压等级真空断路器的现状

真空断路器在我国已经得到广泛应用。特别是在中等电压领域里,真空断路器已占有明显优 势。国内市场,ZN—28系列真空断路器以其领先的技术与高可靠性,已成为生产单位产量最 大和系列最全的真空断路器。但还缺少大容量品种,对中等电压真空断路器的应用范围将受 到一定限制,因此很有必要开发10kV系列真空断路器的大容量规格以进一步完善化。目前已 完成额定电流4000A、额定开断电流50kA的真空断路器。今后将继续研究试制更大额定电流 和更大额定开断电流的10kV电压等级的真空断路器。 为了适应大容量发电机组保护用的断路器,我国正在开发额定电压24kV、额定电流12500A和 额定开断电流125~240kA的真空断路器。

此外,我国在完成户外额定电压110kV、额定电流1250A和额定开断电流31.5kA的基础上 ,将继续开发额定电流更大、额定开断电流更大的110kV户外真空断路器外,同时开发220kV 电压等级的户外真空断路器。

3.1 10kV、4000A和50kA真空断路器的开发

3.1.1 主要技术参数

额定电压 10kV

最高工作电压 12kV

额定电流 4000A

额定短路开断电流 50kA

短路开断电流次数 不少于20次

额定短路关合电流(峰值) 125kA

额定动稳定电流(峰值) 125kA

4s热稳定电流 50kA

断口间工频耐压 48kV

断口间冲击耐压(峰值) 85kV

额定短路开断直流分量 不小于37%

机械寿命 10000次

3.1.2 结构原理

(a)真空灭弧室

真空灭弧室的技术水平与性能稳定性,在一定程度上决定了所配真空断路器的技术水平与性 能稳定性。因此,人们常称真空灭弧室是真空断路器的核心部件。核心部件主要由触头结构 、触头材料和绝缘结构三部分组成。

1触头结构

纵向磁场电极结构的发展是近几年来国产真空断路器技术的重大进步。在开断能力和稳定性 以及抗电蚀性等方面,都比横向磁场触头结构有优势。一般来说纵向磁场触头复杂程度并不高,造价也在可接受的合理范围,已为真空断路器设计人员和制造单位普遍接受。

目前纵向磁场电极结构有多种形式。形成产品的有1/2匝,1/3匝和1/4匝线圈式的纵向磁场极结构,杯状纵向磁场电极结构,马蹄形电极结构和横臂式纵向磁场电极结构等。

杯状纵向磁场电极结构最先是西门子公司开发的。近几年来,国内对这种电极结构进行了大量试验分析研究,对其开断短路电流稳定性及适合不同短路电流的磁场强度进行了探索。试验分析证明:改进后的电极结构具有较好的开断短路电流稳定性,高的弧后介质强度恢复速 度(首开相燃弧时间统计)和少的触头电烧蚀速率(50kA 20次短路电流开断后触头烧损不大于 0.3mm)。同时,改进的电极结构也可以控制起弧位置和燃弧区域,提高了真空灭弧室内部空 间利用效率,使大容量小型化真空灭弧室得以实现。 2触头材料

CuCr触头材料是目前真空灭弧室触头材料中具有优良电性能的材料之一。它的主要缺点是熔 焊性能较差和工艺要求复杂。在ZN13—10型真空断路器试制阶段,曾多次发生触头熔焊。在 不影响其他性能的情况下,适当的加入脆性相能很好地改善关合能力和动热稳定性,是解决 CuCr触头材料抗熔焊性能的有效途径之一。特别是对于开断电流50kA以上的大容量真空断路 器产品,触头熔焊是需要解决的 关键问题之一。提高触头接触压力也可以帮助解决熔焊问题,但势必带来机械可靠性方面的 副作用。试验证明,用添加脆性相材料的方法可以改善CuCr触头材料的抗熔焊性能,降低熔 焊强度。

近年来对CuMnTa、CuMnNb、CuCrTa和CuCoTa等系列的触头材料研究已有进展。这几种触头材 料制造成本虽略高于CuCr触头材料,但具有优良的电性能和低的熔焊强度。国内有关院校和 研究所已开始进行上述触头材料的研究,制造厂也已制出样品,进行相关的试验,并已取得一定成果。

低截流值触头材料亦在研制中,常用的方法是在触头材料中加入饱和蒸汽压比较高的材料。 通常这种方法对触头断口间耐压和开断短路电流能力都会产生不利影响。在不降低电性能的 情况下降低截流水平,从目前情况来看尚存在较大难度,但研究工作已大有进展。

3绝缘结构

为了确保50kA真空灭弧室的外壳绝缘可靠性,采用了波浪式大爬距陶瓷外壳。

真空灭弧室内部触头间的绝缘水平取决于触头材料、触头表面状态和真空灭弧室内部电场分 布情况,电场分布同时也影响到短路开断过程触头烧蚀程度。对称的电场分布可降低主屏蔽 罩悬浮电位,均匀真空灭弧室内部电场能提高触头间隙耐压水平和降低触头电腐蚀速率。试验证明,真空灭弧室内部电击穿多数发生在场强90%以上区域。转移电场集中区域,使场强 最多区域从主触头间隙转移到不受电弧烧蚀部位,可减缓触头间隙电场应力,提高真空灭弧 室绝缘水平稳定性。另外,金属-陶瓷封接部位(常称三界面)也是容易发生电击穿的部位, 对这个部位采取屏蔽罩措施也可改善真空灭弧室的绝缘性能。

(b)操动机构

中等电压真空断路器操动机构有电磁操动机构和电动弹簧操动机构。国外产品多数采用电动 弹簧操动机构,国内使用电磁操动机构较多。电磁操动机构结构简单,性能可靠,调整维修方便,运行人员已经积累了丰富的使用与维护经验,继续发展仍然有广阔前景。

ZN28—10/4000—50真空断路器配用电磁操动机构状态示意图见图3。

为了满足不同用户需要,我国也生产配用于ZN28—10/4000—50真空断路器用的弹簧操动机构。 (c)总体结构布置

ZN28—10/4000—50真空断路器,总体结构布置如图4所示。产品采用综合布置方式,这种布置方式

是ZN28系列小型化真空断路器的突出特点。其优点是结构稳固,整体刚度好,操作稳定性好,便于安装、调试和维修,并且有利于动端热量发散。对于发展大容量和大额定电流 真空断路器奠定了基础。

真空灭弧室的回路电阻,通常占真空断路器回路电阻的50%以上,是长期工作的主要发热源 。触头间隙接触电阻,是真空灭弧室回路电阻的主要组成部分。因为触头系统密封在真空灭 弧室内, 所产生热量的唯一散发途径是通过动、静导电杆导出,利用外部散热装置散发掉热量。真空 灭弧室静端直接与静支架相联,动端则通过导电夹、软连接与动支架相联。虽然动端向上有利于动端热量散发,但因动端联接环节多和导热路径长,所以真空断路器温升最高点通常集 中在动导电杆与导电夹搭接部位。有效地利用静端散热元件,迫使触头间隙热量更多地从静 端导出,同时对动端发热量进行分流,是解决大额定电流真空断路器温升的有效途径。利用这种设计思想,可以在经济和方便的条件下解决额定电流4000A的温升。 50kA真空断路器,为满足关合能力和动热稳定性能的要求,需要有较大触头接触压力。在尺寸和运动质量受到限制的条件下,设计大压力触头弹簧,结构上有一定难度,而且触头弹簧 力量加大,势必影响主轴及框架的刚度与机械强度。利用传动比的适当变化,在确保运行特性满足要求的前提下,减小触头弹簧压力,可以降低传动部件的强度要求,减小合闸功率,达到减小合闸冲击,提高真空灭弧室和真空断路器机械寿命的目的。

真空断路器的合闸速度,在不同电压等级略有不同。在相同电压等级下,合闸速度在一个比较大的范围内对关合能力影响不大,这一点已为大量试验所证实。但是,试验表明,特定区间的分闸速度对开断短路电流能力有比较大的影响。并且这个速度在不同短路电流下也不相同,这一点从触头烧损情况可以明显反映出来。这个速度如果选择不恰当,必然造成触头烧损增加,这样,完成电性能试验只好靠产品设计裕度了。

在开断电流等级比较少的10kV产品中,电场分布和电动力对短路开断过程触头间隙磁场分布和触头利用效率影响并不突出。随着开断电流等级的提高,这种影响越来越明显。按照理想模型对触头系统进行的计算和推论基本失去了等效性。这些数据只能在整机布置方式确定后从大量试验中总结。

3.1.3 导向与缓冲装置

(a)导向装置

真空灭弧室触头系统不同轴,势必造成分断过程中触头间隙磁场的畸变,使触头烧蚀加大, 绝缘水平降低。严重的情况,会危及到真空断路器分断短路电流成功率。为了确保装配与操 作过程中,触头对中良好,通常真空灭弧室都装有导向装置(如图5,导向1)。考虑到膨胀系 数,断路器操作过程的非直线运动等问题,这个导向装置与动导电杆一般留有足够间隙。多年实践证明,这个导向装置的存在,并不能保证真空灭弧室触头系统的良好对中,影响到真 空灭弧室开断短路电流的稳定性。

二级导向是ZN28系列真空断路器独创的导向方式,因其结构简单易行,导向性能良好,现已为绝大多数真空断路器制造厂和研究设计人员所接受,并广泛应用到产品中。

二级导向原理如图5所示。这种导向方式并不要求导向1和导向2与动端运动部件配合间隙取 得很小,导向2允许在一定范围内调整,在保证触头对中良好的情况下固定。采用这个方案 ,保证了运动部件传动灵活,使动触头保持直线运动,改善了真空灭弧室开断短路电流的稳定性,也缓解了金属波纹管运动过程产生的应力,对提高波纹管的疲劳寿命起到了一定辅助作用。

导向精度与L值的选取有关(如图5)。L值可按产品参数裕度、配合特性要求选取。对于10kV 级产品,选取L≥100mm已足够满足要求了。

(b)缓冲装置的性能研究

真空灭弧室的机械寿命,受控于波纹管的机械寿命。在设定了金属波纹管和触头开距后,真空灭弧室动触头运动方式就决定了真空灭弧室的机械寿命。真空断路器分闸过程的速度急剧 变化,分闸过程和反弹,对波纹管的疲劳寿命极为有害。同时,分闸速度的变化特性,也直接影响到真空断路器和所配用操动机构的机械寿命。分闸过程,接触缓冲器瞬间的速度剧变甚至反弹,也可能造成真空断路器的弧后重击穿。如何选取缓冲特性,不仅关系到真空断路 器的机械性能,也影响到产品电性能。

理想的缓冲特性,应该是在运动部件接触缓冲器瞬间,缓冲器提供较小反力。随着缓冲距离 的增加,缓冲

特性迅速变陡,最大可能地吸收分闸能量,达到限制分闸反弹和分闸行程的目 的。利用液体流阻的变化,可以实现上述设想。

以上所述,是ZN28—10/4000—50真空断路器的部分主要设计思想。试制与试验表明,产品性能与设计要求是吻合的。这个产品的研制完成,对发展更高参数的中压真空断路器积累了 经验和试验数据,对发展大额定电流的户内真空断路器也得到了初步结果。这些数据,对发展真空发电机保护断路器,也是极其宝贵的经验。

3.2 24kV、12500A和125~240kA真空发电机断路器的开发

发电机断路器是直接连接在发电机和升压变压器之间,完成操作和保护的电气设备。发电机断路器,可用于保护和控制火电、核电和水电(调峰和抽水蓄能)电站的发电机及同步调 相机。根据国际大电网会议CIRGE的调查,目前全世界有50%的核电厂与超过10%的火电厂, 采用了发电机断路器。在德国和俄罗斯,大容量的核电厂和火电厂,安装发电机断路器已成为一种标准。我国也有多家发电厂安装了发电机断路器,如沙角C号发电厂、丹江口发电厂和葛洲坝发电站等。另外还有黄冈发电厂、外高桥发电厂及盘山发电厂等已通过审查,将在其发电机出口装设发电机断路器。

3.2.1 发电机断路器的发展现状

发电机断路器有少油断路器、压缩空气断路器、六氟化硫断路器和真空断路器四种类型 。少油断路器的优点是结构简单,不需要类似压缩空气断路器供气系统之类的辅助设备。但 是其通流能力和开断能力向更高参数发展有较大困难,维护较麻烦,且有爆炸、燃烧的危险 ,因而限制了少油断路器在发电机断路器领域的发展。少油发电机断路器的典型产品有原苏 联“电器”工厂的MΓ—20型20kV/11200A/87kA断路器。我国的沈阳高压开关厂也生产保护 发电机用的SN4—10型和SN4—20型少油断路器,其参数也分别达到10 kV/12000A/105kA和2 0kV/12000A/87kA。压缩空气断路器,是继少油发电机断路器后开发的发电机断路器,它的开断能力非常强,很适合于保护发电机组的场合。这种发电机断路器的典型产品有,ABB公司的DR型36kV/10000~50000A/100~250kA空气断路器和法国Alsthom公司的PKG 36kV/17000~

40000A/275kA断路器。沈阳高压开关厂于19xx年从法国Alsthom公司引进PKG2型发电机断路器 的生产技术并开始生产。随着100~400MW发电站的增多,大中型发电机断路器成为主流,此 时发电机断路器从压缩空气式发展到六氟化硫式和真空式。19xx年三菱公司推出了第一台六氟化硫发电机断路器,为双压式。19xx年该公司又推出了SFW型13000~25000A/110kA单压式 六氟化硫发电机断路器。19xx年BBC公司研制出中等容量的HE型24kV/6300~12000A/63~120 kA旋弧式六氟化硫发电机断路器。19xx年GEC-Alsthom公司又推出了自能吹弧式FKG型六氟 化硫发电机断路器,开断电流为120kA。我国也能生产六氟化硫发电机断路器产品,沈阳高 压开关厂于19xx年研制成功了LN—24型六氟化硫发电机断路器,参数为24kV/8000~12500A/ 80~100kA。由于六氟化硫气体具有优良的绝缘和灭弧性能,因此六氟化硫发电机断路器结 构更紧凑,故障率更低。真空发电机断路器出现于19xx年,由西门子公司推出,其典型产品 为8BK41型7.2~17.5kV/4000~12000A/40~80kA真空发电机断路器。我国目前已能大批量生产保护中小型发电机的真空断路器,额定短路开断电流为63kA及以上的真空发电机断路器产品目前还是空白,成为当今必须开发的目标之一。

发电机断路器与一般的输配电高压断路器相比,它们在电网中所处的位置不同,保护对 象也不一样,因此在许多方面要满足特殊的要求。这些要求大致可分为三个方面:第一是额 定值方面的要求,第二是开断性能方面的要求,第三是固有恢复电压方面的要求。从额定值 方面来看,发电机断路器需要具备很大的额定短路电流开断能力及关合能力,需要具备很大 的额定电流承受能力等。这些额定值远远大于同级别的输配电断路器。从开断性能看,对发 电机断路器有开断非对称短路电流的要求,其直流分量衰减时间达133ms。另外还要求具有 关合额定短路关合电流(其峰值为额定短路开断电流交流分量有效值的2.74倍)及开断失步电 流等能力,这都是对断路器提出的“苛刻”要求。从固有瞬态恢复电压方面看,因为发电机 断路器的瞬态恢复电压,由发电机和升压变压器参数决定,而不是由系统决定,所以其瞬态 恢复电压上升率(RRRV),取决于发电机和变压器的容量等级,等级越高,RRRV值越大,其数 量级为kV/μs。这是一个对断路器要求很高的指标。由此可见,发电机断路器在许多方面与 一般的断路器不同,要满足较高的要求,

因此发电机断路器不仅要满足现有的开关制造标准 ,还要有其专用的标准。19xx年IEEE专门颁布了用于发电机断路器的制造标准IEEE C37.013 (1993),我国也制定了发电机断路器的通用技术标准GB/T14824—93,并于19xx年10月1日起实施。

从用户的角度对发电机断路器有两点要求:一是要求性能优良,二是要求价格低。性能优良,饲针对发电机断路器所保护对象的重要性而言的。由于其所保护的发电机组是电力系 统的心脏,因此要求发电机断路器,一定要达到相应的技术指标,同时一定要操作可靠,故 障率低。在这方面,六氟化硫 断路器和真空断路器都是很好的选择。如ABB公司生产的DR型压缩空气断路器的故障率,已 减低到0.5%,操作故障率为20×10-6,这一指标比一般的高压断路器低20倍左右,而该公司的六氟化硫断路器产品故障率极低,小于0.3%,而且结构更紧凑。在发电机断路器领域 ,真空断路器在开断性能和操作可靠性方面,可与六氟化硫断路器相当。从价格方面看,价 格因素是制约发电机断路器发展的关键因素之一,如果发电机断路器价格能降下来,势必对 电力工业的发展会起到积极的促进作用。在许多电站的工程预算中,由于发电机断路器的价 格较高,一次性投资较大,因此就没有被采纳。从这个角度来讲,真空断路器可能比六氟化 硫断路器具有一定的优势。因为六氟化硫断路器在生产时对制造工艺要求很高,加工成本很 大,因此其价格很难降下来。发电机断路器所处的电压等级属中压等级,在这个等级真空断 路器占据优势地位,由于真空灭弧室由专业厂家生产,价格较低,同时操动机构的生产技术 也非常成熟,生产成本亦低,因此真空发电机断路器在价格上比六氟化硫断路器有优势。因此在发电机断路器领域,六氟化硫断路器和真空断路器将成为主流,而从价格上看真空断路 器可能会更有一些优势。

3.2.2 新型真空发电机断路器的研制

由前面所述,真空发电机断路器的发展将有很大潜力,因此研制出我国自主知识版权的 大容量真空发电机断路器很有意义。现在西安交通大学和东北电力科学研究院,正在联合开 发一种新型的真空发电机断路器。由于发电机断路器,需要具有承受很大的额定电流能力及 开断很大的短路电流的能力,而单个的真空灭弧室,很难同时满足这样的要求。为了解决这 个问题,世界上唯一生产大容量真空发电机断路器的西门子公司,采用了这样一种解决办法 ,以8BK41型真空发电机断路器为例,它是将一台参数较低的8BK40型真空断路器的三相并联 起来,组成8BK41型断路器的一相,将这样的三相合成一个总体,共同承担大的额定电流和 开断大的短路电流。为了达到三相同步运行,采用同步控制装置和快速脱扣器来完成。这种方法对工艺要求很高,而且成本也较高,另外实现同步较复杂。现在正在研制的新型真空发 电机断路器的思路,是将承载大的额定电流的任务与开断大的短路电流的任务用两个并联单 元,即真空隔离器和真空灭弧室配合完成。这种方案对工艺要求较低,而且较易实现产品系 列化,其工作原理如图6所示。在图6中,正常工作时真空隔离器VD与真空灭弧室VI均闭合, 此时额定电流大部分由VD通过。当发生故障时,VD先分开,当电流全部转到VI后,将VI打开,开断故障电流。下面依次对真空隔离器、真空灭弧室和操动机构的研究进展作一简要介绍 。

真空隔离器首次在真空开关领域内使用了插入式梅花触头结构,以用于承载大的额定电 流。该结构的示意图如图7所示。

图7所示为合闸时的情况, 在图中有一圆柱形动触头,在动触头的周围有6个弧形的静 触头将动触头包住。电流通过动触头后,由圆柱侧面流向静触头,再由静触头流出。在静触 头的后面可由波纹管施加径向力F,以达到所需的接触压力,减小接触电阻,满足承载大的 额定电流的要求。由于真空具有良好的绝缘特性,因此真空隔离器可以做得体积很小,这样将大大减小整机的体积。

由于额定电流主要由真空隔离器承担,大大降低了真空灭弧室在额定电流下的负担,对 真空灭弧室非常有利。另外由于触头为插入式,因此不存在触头弹跳的问题,这在很大程度上避免了熔焊。即使发生熔焊,由于触头打开时的力与熔焊方向垂直,因此仅需很小的力即 可拉开触头,因此大大减轻了操动机构的负担,同时也降低了整机的成本。真空隔离器现已完成了产品设计,样品正在试制中。由于温升是真空隔离器最关心的内容,因此下一步的工作,将利用温度场有限元分析软件,对其温升进行计算。

在这种新型真空发电机断路器中,使用的真空灭弧室,为中国第一个具有自主知识版权的真空灭弧室

——铁心式两极纵向磁场电极结构的真空灭弧室。试验表明,这种新型真空灭 弧室具有很强的开断能力,完全可胜任开断发电机组出现故障时的短路电流的要求。

铁心式两极纵向磁场电极结构的真空灭弧室的电极结构如图8所示。图中把铁心移开以便看清电 极结构。当电流I从上导电杆1流入后,经上拐臂2到上触头片3,通过上触头片3流向电弧4, 至下触头片5,再到下触头片6,最后由下导电杆7流出。由于上下拐臂中的电流向同一方向 流动,它们产生的磁通将垂直穿过两个触头间的空隙,铁心的磁导率很高,因此这种结构可 产生较强磁场。磁场的方向在拐臂两侧是相反的。

由于纵向磁场对真空电弧等离子体的控制技术,是提高纵向磁场真空灭弧室开断能力的核心技术,它可保持真空电弧在大电流下仍处于扩散状态。因此对铁心式两极纵向磁场电极 结构真空灭弧室的纵向磁场,进行详细的分析是很有意义的。Vector Fields软件包,是国 际上著名的电磁场有限元分析软件,利用该软件对铁心式两极纵向磁场电极结构真空灭弧室 的纵向磁场的计算表明,这种结构可产生很强且较均匀的纵向磁场。图9为触头间隙正中间 与触头片平行平面上的三维静态纵向磁场。当电流为40kA时此平面上纵向磁场最大值为1.44 T,这比其他许多真空灭弧室的纵向磁场要大得多,而且分布较均匀。真空电弧在不同的纵 向磁场下会呈现出不同的形态。用Vector Fields软件包对此灭弧室交变磁场的分析表明, 在铁心中可感应出较大的涡流。由于涡流的存在对成功开断不利,因此应尽量减小涡流的影 响。采用铁心叠片的方法可有效地抑制涡流。计算表明,当铁心叠4片时(间距0.2mm),在电 流峰值时的涡流最大值是铁心不叠片情况的17.8%。而铁心叠10片时(间距0.2mm),电流峰 值时涡流最大值是铁心叠4片时的56.7%。由此可见,可通过铁心叠片的方式来抑制涡流, 有效地提高铁心式两极纵向磁场电极结构真空灭弧室的开断能力。另外,通过数值分析的方 法还找到了一些可继续提高该真空灭弧室开断能力的途径,这些将在下一步的工作中进行。

这种新原理的真空发电机断路器操动机构,是一种新型的操动机构,它是一种弹簧操动 机构,利用一种有效的方法,使真空隔离器VD和真空灭弧室VI先后动作,满足设计要求。由 于VD先分开,当电流全部转到VI后,VI才能打开,因此操动机构必须与此要求相适应。这里 的关键问题是电流能否转移及转移时间。其中转移时间与操动机构的设计参数密切相关,即 操动机构两并联支路动作的时间差,必须大于电流转移时间。为此,我们专门设计了一个试 验线路来对电流转移过程进行模拟,并建立一个数学模型对电流转移过程进行仿真,以此来 探索电流转移时间的规律。电流转移试验是在合成回路上进行的,试验线路如图10所示。

在图中,Ci为合成回路电流源电容器,Li为电流源电抗器,Q为主合闸开关。当电容器 充电完毕以后,将Q闭合就可将电流引入VD、VI支路。VD、VI都处于闭合状态,当电流通过 的某一瞬间,VD打开,这时电流发生转移,全部电流通过VI支路。FL和FL1为分流器,分别 测量总电流和VD电流。试验中还测量了VD上电压。试验电流最大为24kA,结果表明,在给定 的试验参数下(如表1所示),电流每次均能够顺利转移,转移时间为1~2ms。图11为电流转 移过程的典型示波图。

图11所示情况的仿真结果如图12a和图12b所示。仿真结果与试验结果较为接近。在下一 步工作中,我们将利用Pspice电路分析软件,对电气参数、电流特性等因素对电流转移时间 的影响,做进一步的分析。

3.3 110kV、1250A和31.5kA真空断路器的开发

近10多年来西安交通大学对110kV及以上电压等级的高压真空断路器作了国内外调查和分析 工作,并进行了广泛的探索、理论研究、计算和实际开发试制工作等。

据悉,美国通用电气公司早在60年代初,曾采用多个真空灭弧室串联制成高压和超高压真空 断路器和真空负荷开关,并实际投入了相应的电力系统上运行。这种高压断路器分别由3、7 、11和14个真空灭弧室组成145kV、362kV、550kV和800kV的真空断路器。俄罗斯于19xx年生 产了由四个35kV的真空灭弧室组成110kV、25kA的真空断路器,亦在实际的电力系统上投入 运行。19xx年美国通用电气公司正式生产了双断口的168kV、40kA真空断路器。19xx年日本 日立电气公司制造出123kV、31.5kA单断口的真空断路器。19xx年日本东芝电气公司开发了1 45kV、31.5kA的单断口真空断路器和168kV双断口的真空断路器。

从上述调查和分析结果,按现有国内的制造技术来看,要制造出单断口的110kV和220kV电压 等级的高压真空断路器是完全可能的,经过一番努力研制出双断口的500kV电压等级的真空 断路器也是可能的。根据我们的理论分析和设计计算对于开发110kV和220kV的真空断路器过 程中的实践经验,认为只要合理地解决真空灭弧室的内部电场均匀分布和解决采用纵向磁场 结构电极的磁场强度问题,实现高电压等级的真空断路器也是可能的。

根据我国国内真空灭弧室制造厂的设备条件,决定先用两个63kV真空灭弧室串联组成110kV 双断口真空断路器。图13所示为63kV真空灭弧室的剖面结构图,图中5为主触头,2为陶瓷外 壳,4为主屏蔽罩,1为动端波纹管,7为均压屏蔽罩,12为静端缓冲波纹管,9为动导电杆, 3为静端导电杆,6为均压屏蔽罩和11为端部均压屏蔽罩。图14所示为63kV真空灭弧室的电场 计算结果的电场分布图。目前设计的外屏蔽罩式真空灭弧室,已能满足63kV电压等级的各项 标准要求。双断口的110kV真空断路器设计了二种不同的结构方案,如图15所示。图中方案a 正在试制中,真空灭弧室排列呈V形布置,总高度为2500mm。图中b已由北京开关厂试制完成 ,真空灭弧室排列呈垂直布置,总高度为2650mm,将准备在我国西安高压电器检测中心进行 全面的型式试验。

双断口110kV户外真空断路器的操动机构采用了电动弹簧式操动机构,由一个操动机构带动三相连动。平均分闸速度为2.4m/s,平衡合闸速度为1.8m /s。在此基础上,西安交通大学真空电弧理论研究中心,已对220kV电压等级的真空断路器的研 制工作作了大量的理论探讨,并对真空灭弧室的具体结构进行了分析和设计,利用三维电磁 场随时间变化的过程作了估计,得出了较合理的电极间纵向磁场的分布。图16所示为115kV 真空灭弧室置于绝缘筒内的布置情况。为了获得较强和较均匀的纵向磁场,已将产生纵向磁 场线圈布置在真空灭弧室外壳中部,同时主屏蔽罩采用具有抗涡流作用的特殊结构和特殊材 料制造。220kV双断口真空断路器的设计方案,它采用了并联电容器作为真空灭弧室的支撑 结构,以减轻真空灭弧室单臂悬挂下垂的分力。

真空断路器在中国应用的经验(三)

西安交通大学(710049)王季梅

4 真空开关在运行中的应用情况、事故及其分析

随着我国电力系统向大电网、大机组、超高压和大容量迅猛发展,使我国高压开关同时进入了一个大发展时期,首先简述我国在电力系统中应用真空开关的情况,报道19xx年和19xx年真空开关运行事故,并对事故进行分析。

4.1 户内真空开关的应用情况

70年代末,我国已经生产和使用10kV(12kV)真空断路器,但开断容量还停留在17.5kA的水平,推广使用受到了一定的限制。80年代初,随着真空器件和制造工艺水平的不断提高及真空灭弧室采用了纵向磁场熄弧的原理,使7.2~12kV级真空断路器的开断能力达到了40~63kA,额定电流达到了4000A,机械寿命突破20000次。19xx年以后在电力系统广泛推广使用后,形成了我国自己独特选型应用的特点。

当时我国真空断路器的总体结构布置,有两种型式,即卧式和立式。卧式结构的真空断路器高度低,机构便于检修,而立式结构的真空断路器深度浅,但机构检修十分不方便。目前极大多数真空断器采用了卧式结构。

卧式空气绝缘结构的典型真空断路器有引进仿制德国西门子公司3AH型产品如图17所示和国产的ZN28型的产品如图18所示。它们具有环境适应性好,绝缘可靠性高和散热性好等特点,但外形尺寸偏大一些。

卧式复合绝缘材料结构的真空断路器有ABB公司的VD4型产品如图19所示和国产的VS1型产品如

图20所示。它们的特点是真空灭弧室可免受外部因素的影响,管状的绝缘筒绝缘性能好,相间绝缘距离可大大减小,开关本体尺寸也小一些,但对环境情况卫生条件要求高,另外散热性能较差。卧式半复合绝缘材料结构的真空断路器有日本三菱和东芝公司的VRR型产品如图21所示和国产的VK型产品如图22所示。它们具有除尘方便,散热好的特点,尺寸也较小。

我国城市电网用电量占全国总用电的2/3,为了提高供电的可靠性,吸收西欧的实践经验,采用了环网供电方式。目前已生产了多种真空负荷开关及其组合电器设备。图23所示为国内大量生产的一种真空负荷开关。

为了满足国内石油化工企业的需要还生产了多种真空接触器如图24所示。

4.2 户外真空开关的应用情况

随着城乡配电网的改造,户外真空开关的需求量增长很快,已研制出户外真空断路器、户外真空重合器、户外真空分段器和户外真空负荷开关多种产品。在应用方面,我国具有独特之处,户外真空断路器、户外真空重合器、户外真空分段器和户外真空负荷开关的价格差别很小,因此大量采用户外真空断路器。 目前国内已有两种户外真空断路器产品如图25和图26所示。所有机构及其传动系统均暴露在大气中,机构是早期多油开关的机构经改进而制成,这样的开关机构其零件易产生锈蚀和绝缘易老化,影响开关的可靠性。当今国外产品的大趋势普遍采用高可靠性弹簧机构或电磁机构,整体结构全密封在箱体中,充以低气压SF6或干燥空气或填充固体绝缘材料,从而保证真空开关在运行20年后仍保持良好的状态,提高了真空开关运行的可靠性。根据我国国家电力公司要求,产品原则上10年不检修,20年不换新。图27所示为中国电力科学研究院研制的全密封、低功率小型化弹簧操动机构的户外真空断路器。其开断电流达20kA,满足10年不检修,20年不换新。

4.3 19xx年和19xx年真空开关运行事故及其分析

我国国家电力公司每年都要对电力系统运行的开关进行全面的事故调查,并作出事故原因的分析报告。 19xx年和19xx年在电力系统上运行的真空开关共发生事故93次,其中19xx年为51次,19xx年为42次。显示出真空开关设备事故率随着真空开关投入量的增加反而有所减少,这说明我国真空开关的制造技术在不断地提高,与其他开关设备比较事故率也是相对比较低的。

在我国电力系统中也安装有少量进口的真空开关,在19xx年和19xx年也发生多次事故,其中有ABB公司生产的VD4型和VD4M型真空断路器各1台,意大利M.G.公司生产的12VD40真空断路器1台,德国西门子公司生产的3AF型和8BK30型真空断路器各1台,韩国L.G公司生产的GVB—P型和GVB2000型真空断路器各1台和美国公司生产的VBM型真空断路器1台,共计8台。表2列出了19xx年的事故率和事故分析,表3列出了19xx年的事故率和事故分析。

大机组中发电机断路器应用的探讨

西北电力设计院(710032) 李志刚

【摘 要】 叙述了发电机断路器的发展状况及在发电厂的应用,论述了发电机断路器在大机组发电厂中的作用及应用前景。

【关键词】 大型发电机组 发电机断路器 SF6断路器

1 发电机断路器的发展概况

自本世纪40年代初起,随着工业、制造水平的提高以及电力需求的不断增加,大容量发电机组的生产制造不仅成为可能,而且成为满足电力市场需求的要求。随着发电机单机容量的不断增大致使短路电流迅速提高,使普通的中压开关已无法满足开断能力的要求,同时为了提高安全可靠性,导致了离相封闭母线的迅速发展以及发电机、变压器单元接线的广泛采用。至60年代中期,为了简化电厂的运行操作,提高机组的可用率以及核电技术的需要,越来越多的专家认为采用发电机断路器是十分必要的。正是这种需要导致了BBC公司在19xx年开发出第一台可在大型发电机机端直接操作的DR型空气断路器。该断路器为离相式全封闭结构,以压缩空气为灭弧介质,操动机构也采用压缩空气,额定电流达50000A,开断能力为250kA,其中额定电流为11000A以下的断路器采用自然风冷,11000~20000A采用强迫水循环风冷,20000~50000A则为水冷。从第一台DR型断路器投运至今,BBC/ABB共生产了大约600台投放市场,其故障率逐步缩小到0.5%左右,且渐趋稳定。操作故障率为20×10-6,相当于50000次操作出现一次故障,这一指标较高压断路器低20倍左右。19xx年ABB推出了第一台HE型SF6发电机断路器,采用SF6气体作为灭弧介质,操动机构仍为气动。它利用SF6气体自灭弧(Selt-extinguishing)原理,由触头分开时产生的电弧来加热SF6气体,使其膨胀,形成熄弧所需的气体,同时电流流过固定触头内的线圈产生磁场,导致电弧旋转,以使对触头的烧伤减小至最低限度, 而且相对独立的荷载触头与灭弧触头,保证了连续载流能力。19xx年3月,ABB研制的HEC—8型发电机断路器通过了荷兰KEMA试验,该断路器额定电流可达24000A,开断能力达160kA,使得SF6断路器用于600MW发电机出口成为可能。由于SF6的采用使得整个断路器的结构更趋紧凑,故障率也更低,ABB公司1200台HE型(HEC和HEK)发电机断路器的故障率小于0.3%。现在发电机断路器已不仅仅是一台断路器,而是集成了电压互感器、电流互感器、隔离开关、接地开关等发电机与主变压器之间的设备,成为具有多种功能的组合电器。

除了ABB公司之外,法国GEC—ALSTOM公司、日本三菱等公司也先后开发出了SF6发电机断路器。GEC—ALSTOM公司生产制造发电机的历史较长,虽然它也生产SF6发电机断路器,但它是以生产空气式发电机断路器见长。它生产的SF6发电机断路器发展较缓慢,而且容量也小。空气式发电机断路器的最大参数是:额定电压36kV,额定电流37500A,开断电流275kA。空气式发电机断路器是利用压缩空气作为绝缘介质和灭弧介质以及断路器的操作与冷却用气。虽然空气式发电机断路器是一种系列性强、通用性高的产品,但其外形尺寸大,占地多,价格昂贵,且还需另外设置压缩空气系统。日本三菱公司于19xx年开始生产发电机断路器采用的绝缘介质是SF6气体,其最大开断电流为110kA,开断次数10次;开断额定电流42000A时的开断次数为50次。目前开断电流为125kA的发电机断路器正在制造中。

除了以SF6气体和空气作为绝缘介质的SF6发电机断路器和空气式发电机断路器外,80年代末90年代初又利用真空技术开发了真空型发电机断路器,这种发电机断路器是由德国西门子公司开发和生产。8BK40、8BK41系列即是西门子公司生产的真空型发电机断路器,其额定电压7.2~17.5kV,其中8BK40的额定电流5000A,最大开断电流为63kA;8BK41的额定电流4000~12000A,最大开断电流为80kA。真空型发电机断路器由于在开断水平上受到限制,开断电流大于63kA的真空断路器制造已非常困难,而且价格也较昂贵,所以目前真空型发电机断路器在小容量机组中使用较多,在大机组中的使用受到限制。 国内发电机断路器的发展水平相对来讲还比较低,目前只有沈阳高压开关厂一家生产发电机断路器,80年代,引进法国GEC—ALSTOM制造技术,开始研制PKG2型发电机断路器,该型断路器自19xx年开始至19xx年已在葛州坝水电厂投运了14台,总的运行情况尚好,但是该产品体积大、噪声大,维护工作量较大。具了解,葛州坝水电厂已将这14台断路器全部更换为ABB公司的SF6断路器。目前沈阳高压开关厂正在积极开发研制SF6发电机断路器。

由于发电机断路器的独特性,发电机断路器除需满足现有的开关制造标准如IEC56—1987(High-voltage altemating-current circuit-breakers)、IEEE/ANSI-C37.08—1987、IEC694—1980(Common clauses for high-voltage switch-gear and control-gear standards)、IEC298—1990(A.C.metal-enclosed switch-gear and control gear for rated voltages above 1kV and up to and including 52kV)以外,19xx年IEEE还专门颁布了用于发电机断路器的制造标准:IEEE C37.013—1993(ANSI/IEEE Standard for AC high-voltage generator circuit breakers rated on a symmetrical current basis),从而规范了现代发电机断路器的制造、试验及安装标准。

我国相继也颁布相应的行业标准和国家标准:DL427-92《户内型交流发电机断路器订货技术条件》、GB/T14824《发电机断路器通用技术标准》。

2 发电机断路器在发电厂中的应用

从19xx年第一台发电机断路器诞生以来,发电机断路器在世界各国得到了广泛应用。根据CIGRE所做的调查资料表明,目前全世界有超过50%的核电厂与超过10%的火电厂采用了发电机断路器,特别是对厂用电系统可靠性要求较高的核电厂与大容量火力发电厂采用发电机断路器已成为一种趋势。在美国、英国、法国等发达国家中,其电力以核能、抽水蓄能电站为主,且机组容量较大,发电机出口均装设了断路器。在德国,新建设的容量大于259MVA的核电与容量大于588MVA的火力发电厂发电机也装设了发电机断路器。俄罗斯、芬兰等国的设计规范中明确规定火力发电厂中装设出口断路器。俄罗斯在其《火电设计技术规程》8.9条中规定:“单机容量为300MW及以上的每台发电机??在单元接线的所有情况下,在发电机与变压器之间均应装设断路器??”,因此在俄罗斯国内300MW及以上机组均装设了断路器或负荷开关。也正是由于这个原因,国内从俄罗斯引进的工程中,如:天津盘山电厂(2×500MW)、伊敏电厂(2×500MW)、辽宁绥中电厂(2×800MW)、辽宁营口电厂等均装设负荷开关。之所以采用负荷开关而不装设出口断路器,是因为俄罗斯仅生产敞开式空气断路器,无法使主回路封闭,降低了机组运行的可靠性。而负荷开关是封闭式的,可以通过外壳两端和封闭母线连接,使发电机主回路全部封闭,可避免发电机出口三相短路,提高机组的可靠性。我国的相关设计规程中也对采用发电机断路器的原则作了规定。《小型火力发电厂设计规范》GB 50049-94中第12.1.6条规定,“发电机与双绕组变压器为单元连接时,对供热式机组,可在发电机与变压器之间装设断路器;对凝汽式机组,不宜装设断路器,发电机与三绕组变压器为单元连接时,在发电机与变压器之间,宜装设断路器和隔离开关。厂用分支线应接在变压器与断路器之间。”;《火力发电厂设计技术规程》DL500—94中第11.2.6条规定,“容量为125MW及以下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宜装设断路器;发电机与三绕组变压器或自耦变压器为单元连接时,在发电机与变压器之间宜装设断路器和隔离开关,厂用分支线应接在变压器与断路器之间。容量为200~300MW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装设断路器、负荷开关或隔离开关。容量为600MW发电机,当升高电压仅有330kV及以上一级电压,且技术经济合理时,可装设发电机出口断路器或负荷开关。当2台发电机与1台变压器或2组发电机双绕组变压器组作扩大单元连接时,在发电机与变压器之间应装设断路器和隔离开关。”近年来,国内核电站、水电站以及新近建设的火力发电厂也广泛装设了发电机断路器。核电机组因其重要性,均在发电机出口装设断路器,如秦山、大亚湾核电站等。水电机组由于要调峰,起动频繁,因此也都装设发电机断路器,如最近建设的四川二滩、广西岩滩、青海李家峡、黄河小浪底、广东从化水电厂等。火电厂中,截止19xx年3月底投产的14台600MW机组中,只有广东沙角C电厂的3台机组装设了发电机断路器,其它机组均未装设。但是,从目前正处于前期设计中的火力发电厂中,大部分机组都有发电机断路器的方案,如河南沁北电厂、湖北黄冈电厂等。由此看来,国内在发电厂中采用发电机断路器,特别是大容量以及安全性要求较高的机组中装设发电机断路器也渐成趋势。

3 发电机断路器的主要作用

发电厂装设发电机断路器的主要作用是在于简化运行操作程序,减小发电机和变压器的事故范围,简化同期操作、提高其可靠性,方便调试和维护。

3.1 简化厂用电切换/操作程序

目前,我国的300MW及以下机组和部分600MW机组火力发电厂中,均设有专用的启动/备用变压器,无论是机组的正常启动、停机,还是因厂用工作变压器故障、检修,都需要进行厂用电源切换。

在发电机正常起动时,首先通过启动/备用变压器获得启动电源,当发电机建立正常电压并带一定负荷后,在通过厂用电切换装置切换到厂用工作变压器供电;发电机的停机过程与之相反。因此,在不设发电

机断路器的发电厂,其正常启、停机组不可避免的要进行厂用工作变压器与启动/备用变压器之间的关联切换。由于厂用工作变压器与启动/备用变压器的电源取自不同的系统,两台变压器的阻抗值也不相同,这就造成了两台变压器低压侧母线之间存在初始相位差。由于初始相位差的存在,使得在正常并联切换时,两台变压器之间将产生较大的环流。严重情况下环流可达数千安培,如此之大的环流,即使在并联切换时间内对变压器不造成损害,也会对变压器的寿命产生累积影响。这对变压器的安全运行构成了很大的威胁。 发电厂厂用电的事故切换过程中,也存在着与正常厂用电切换过程中厂用工作母线电压与启动/备用母线电压之间的相位差。相位差过大,则难以保证事故切换的成功,而且会对设备造成直接危害。例如,在事故快切过程中,如果允许相位差整定过大(超过40°),则对高压电动机的暂态冲击电流可达额定值的18倍,极有可能引起高压电动机的损坏,这是安全运行所不允许的,即使将相位差整定到允许的范围内,由于频繁的厂用电源切换所造成的过电压、过电流、过负荷仍会对设备的使用寿命和安全运行带来不利的影响。因此,减少避免厂用电源切换将提高发电厂运行的安全可靠性。

采用发电机断路器后,发电机组的启停电源是经过主变压器倒送电至厂用工作变压器获得,从机组启动一直到发电机并网发电,整个过程都无须厂用电源切换。只有当厂用工作变压器发生故障或主变压器故障时,才需要厂用电源切换。有关分析结果表明:采用发电机断路器后,使厂用电源切换减少到约1/348,作用显著,从而有效地提高了发电厂安全可靠性。同时,这也使得厂用电的操作、运行难度大大降低。

3.2 提高发电机、变压器的保护水平

采用发电机断路器后,不论是在发生操作故障或在系统振荡时,还是在发电机或变压器发生短路故障时,都将提高保护的选择性,从而提高机组运行的安全、可靠性。

在发生操作故障或在系统出现振荡时,将引起发电机和电网之间的功率波动,不平衡电流引起发电机转子绕组过热。故障发生后,断开发电机断路器即可,而厂用电无须切换。待故障消失后,发电机与电网之间又可以通过发电机断路器快速恢复连接,避免了由于厂用电源切换故障造成的全厂停电事故。同样,当发电机发生内部故障时,发电机断路器可以在不切换厂用电源的条件下切除发电机内部故障,保证了安全停机。

由于采用了发电机断路器,不仅实现了发电机、变压器分别地、有选择地进行保护跳闸,简化了保护接线,而且机组内部故障无须动作于高压断路器从而避免了厂用电源的切换,这对于消除一些瞬时性故障特别是来自于锅炉、汽轮机的热工误发信号,尽快恢复机组的运行及避免因误操作而导致的损失非常有益。据沙角C电厂的经验,3台机组调试期间共动作800余次,多数情况下可在数十分钟内恢复机组的运行。 当发生故障后,保护有选择地动作于发电机断路器而减小动作于高压断路器的几率所带来的另一个更有利的作用是,避免或减少了由于高压断路器的非全相操作而造成的对发电机的危害。实际上,对于发电机变压器组接线,其高压断路器由于额定电压较高(220~500kV),敞开式断路器相间距离较大,不能做成三相机械连动,更何况每相断路器还会是多断口的,高压断路器的非全相操作即使正常操作时也时有发生,毫无疑问,高压断路器的非全相操作(运行)会在发电机定子上产生负序电流,而发电机转子承受负序磁场的能力是非常有限的(发电机故障状态下的负序运行限制(I2/TN)2t约为8s),严重时会导致转子损坏。这种事故在国内外多次发生,我国自19xx年至19xx年底就发生了50起,仅19xx年就发生了12起。每次此类事故都会造成转子严重受损。例如:19xx年6月12日,首阳山电厂1号发电机变压器组高压侧断路器B相拒分,造成发电机转子过热,转子护环出现9.1mm宽的裂纹。造成这种严重后果的直接原因是高压断路器不是三相机械连动的,容易发生非全相操作。目前,发电机断路器在设计和制造中都考虑了三相机械连动,防止了非全相操作的发生。另外,发电机断路器的快速动作特性,也是保证发电机组安全的重要原因。发电机断路器的固有动作时间连同保护动作时间约为75ms,当发生故障(如单相或两相故障)时,发电机断路器会很快动作并切除故障,有效地避免了对发电机组的损害。相反,若没有发电机断路器,发电机更会继续提供不平衡电流,直到灭磁过程完成。而灭磁过程可能会持续数秒钟(5~20s),此间发电机会遭到严重损坏。因为,研究表明,根据国标设计的机组,对单相操作的临界时限分别为:空载运行大约70s;满负荷时大约6s;主变压器及共高压侧短路时(两相/三相)时大约4.5s。由此可见,没有发电机断路器时,灭磁过程(特别是无刷励磁系统)持续时间(5~20s)已大大超过了发电机组的耐受时限。

同样的道理,由于发电机断路器的快速动作特性,使得发电机提供的短路电流受到限制,因而对于事故发生几率较高的变压器高压侧套管接地故障(几率为30%)或变压器内部故障发电机断路器将会使其危害性减小,有效提高安全可靠性。

3.3 简化同期操作,便于检修、调试

采用高压断路器进行同期操作时,断路器将会承受电压应力,在受到污染的情况下,这些电压应力可以造成断路器外部绝缘介质的闪络,当同期操作在发电机电压等级进行时,对高压断路器的电压应力便会消失。利用发电机断路器进行同期操作,比较的是发电机断路器两侧的同级电压,因而使得同期操作系统更加简单、可靠。另外,由于发电机断路器安装于室内的封闭金属壳内,环境条件好,其充分的绝缘安全裕度保证同期操作更加可靠。

发电机断路器将发电机变压器组分隔为两个部分,即发电机部分和变压器部分,这种电气分隔是由发电机断路器/隔离开关组合后实现的,因此不同的断电器可以分组逐级测试,此外,当厂用电由主变压器提供时发电机可以在欠励磁条件下进行测试。由发电机断路器实现的这种实体分隔为发电机和变压器的调试与维护提供更大的便利。发电机断路器也为发电机短路试验提供了方便。

3.4 适应厂网分开的需要

电力工业管理的改革,倡导厂网分开,竞价上网,要求发电厂启动/备用变压器除上交用电量费用外,还要上交基本电费。而这项基本电费与启动/备用变压器容量有关,其额度为每月每kVA容量8~12元。例如,一台40MVA的变压器,每年就要上交基本电费384~576万元。在投资方日益注重投资效益的今天,上述问题不能不引起投资方的重视。解决问题的首选方案即是减小启动/备用变压器容量。减小启动/备用变压器容量的方法就是通过装设发电机断路器,以主变压器倒送电至高压厂用变压器提供启/停机电源,只设事故停机时的备用变压器或者不设任何备用变压器,减小变压器的数量和容量,降低运行费用,提高经济效益。

4 发电机断路器的应用前景

综上所述,目前国内外发电机断路器的发展和应用十分迅速,已从原来的压缩空气型向SF6型发展,在火电厂、水电厂、核电站、抽水蓄能等电厂中得到了更加广泛的应用。发电机断路器的技术水平不断提高,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,并且发电机断路器的机械寿命也在增大,高压10000次以上,远高于普通高压断路器3000~5000次的机械寿命。由于各公司的竞相开发,使得发电机断路器的结构型式发生了巨大革新,从压缩空气型发展到SF6气体型和真空型,SF6气体型又由双压式发展单压式、自能灭弧式和压气加自能灭弧的发电机断路器。随着开发和制造能力的不断提高,发电机断路器的配置和保护性能更趋完善,可靠性也大大提高。开发和制造能力的不断提高促使发电机断路器更加广泛的使用,广阔的市场前景又促使发电机断路器技术水平的不断提高,发电机断路器的广泛使用已逐渐成为趋势。

5 参考文献

1 火力发电厂设计技术规定.DL 5000—94.中国电力出版社

2 小型火力发电厂设计规范.GB50049—94,中国电力出版社

3 吴志成,程朝辉.发电机断路器(GCB)大型机组中应用的探讨.中

南电力设计院

4 韩旭玲.600MW机组发电机断路器应用范围的研究.华北电力设

计院

5 戴庆来.关于发电机断路器的使用问题

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