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”。在各种版本的“大火规”中，对汽轮发电机组是否装设出口断路器都有明确的规定，如在DL 5000—2000中的第13.2.8条作了以下规定：

（1）容量在125 MW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。

（2）容量为200～300 MW的发电机与双绕组变压器为单元接线时，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，但应有可拆连接点。

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（3）技术经济合理时，容量为600 MW机组的发电机出口可装设断路器或负荷开关。

由于以上条款的制约，在1999年前国内14台600 MW汽轮发电机组中只有沙角C厂的3台机组装有GCB（由GEC-Alsthom公司设计，法国里昂断路器厂生产提供的PKG2C型空气式断路器）和部分前苏联进口机组采用GCB方案。

我国第1台300 MW秦山核电机组，为了设备国产化，不用发电机出口断路器，而采用发电机~变压器组的单元制接线方式。为了确保厂用电的绝对可靠性，采用主变压器高压侧2台220 kV断路器串联后接入母线，220 kV的高压工作厂用变压器在2台断路器之间支接，以代替GCB方案。如果主变压器高压侧配电装置采用3/2接线，就无法采用此方案。

进入21世纪后，由于国民经济的飞速发展，电力工业发展跟不上经济发展的需要，为了能够较快缓解电力紧张局面，各地纷纷新建或扩建300 MW以上的燃煤机组。对于300 MW级的发电机组，根据“大火规”规定不应装设GCB。像山西阳城电厂（6×350 MW）的备用电源来自山西电网的2回220 kV线路，采用双母线接线方式供全厂4台启动/备用变压器。而6台发电机升压至500 kV（4/3接线方式）则是由3条专线经山东送到华东电网。由于其发电机的出口未装设GCB，故厂用电的切换是在2个不同期的电网之间进行的，这给厂用电的正常切换和事故切换带来很大的麻烦和风险。目前我国国产300 MW级汽轮发电机组基本上都没有装设GCB。

对于600 MW级发电机组，一般都升压至500 kV电压等级进行输送，而500 kV的主接线一般均采用3/2接线。对于500 kV的户外配电装置，由于相间距离较大，到目前为止，世界上还不能制造出500 kV三相机械联动的超高压断路器，只能制造分相操作电气联动的500 kV断路器，如果发电机出口没有装设GCB，就很有可能发生发电机非全相运行，从而烧坏发电机转子。另外，由于3/2接线方式中间断路器的存在，使开、停机操作极为不便，容易发生误操作。为此，在1998年修订的“大火规”（DL 5000—1998）中对600 MW级发电机GCB方案放宽了政策，规定在技术经济合理时允许采用GCB方案。因而，近几年来新建的600 MW及以上燃煤机组在设计时可根据业主要求考虑是否采用GCB方案。如天津蓟县、辽宁绥中、伊敏电厂、上海外高桥（2×900 MW）、天津盘山（2×600 MW）等一大批燃煤电厂都采用了GCB方案，且当前在设计和建设中的600 MW及以上发电机组基本上都采用了GCB方案。但由于目前配600 MW

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及以上发电机组的全封闭断路器尚全部依赖进口，使其价格由前几年的100万美元/台上涨到200万美元/台，折合人民币1 700万元/台，昂贵的投资迫使建设单位不得不重新考虑是否采用GCB方案。

1.2 老机组GCB的改造和应用

对于老机组改造是否采用GCB方案有3个因素：①企业是否有改造的资金；②是否发电机的预期寿命超过10年，如果发电机预期寿命低于10年，则改造时采用GCB方案意义不大；③是否有安装位置。如果以上3个条件都满足，就可以进行GCB改造。

对于目前国内有20世纪80年代至90年代建造的大量125 MW燃煤机组，由于主变压器为三绕组变压器，发电机出口均有GCB，当时基本都采用的是SN4-20G型少油断路器，其技术参数为20kV，8000A，58kA。到现在，由于系统容量的扩大，其开断容量都明显不足，急于更换，没有条件更换的电厂只能将其改为负荷开关使用，降低了安全性。为此，大部分电厂都在趁发电机组增容改造（125 MW改为135 MW）之际将出口断路器换掉。浙江省的十余台125 MW发电机的GCB都改用为ABB的HECI 3型SF6断路器，其技术参数为17.5kV，8000 A，100kA。125 MW改为135 MW后，发电机的额定电流由6150A提高到了6867A，额定电压仍为13.8kV。所以ABB的SF6断路器能满足要求。

2 我国GCB的生产情况

对于大型发电机的出口GCB，一般额定电压在18～26kV，额定电流和短路开断电流较大，大型发电机因电感与电阻的比值大，即时间常数大，短路时直流分量衰减慢，短路电流有数百ms也不通过零点的情况，断路器动作切断短路故障时会产生异常的过电压，电弧不易熄灭。为抑制内部过电压，需要详细的绝缘配合研究后，采取断路器主断口并联高值电阻等技术措施。为了具有较好的灭弧性能，灭弧室需采用先进的灭弧系统。由于以上原因，使得大型发电机出口GCB的制造具有一定的特殊性，技术要求较高。

1980年，沈阳高压开关厂引进A-Alsthom制造技术，开始研制生产PKG2型空气断路器，1986年第1台样机在葛洲坝大江电厂正式投运，随后又有14台PKG2型（36 kV，11000 A，58 kA）GCB投入运行。由于58 kA的开断电流不能满足系统的短路电流水平，现大部分已被更换为短路开断电流为100～120 kA的SF6 GCB。

根据来自西安高压电器研究所研发中心的消息，该所研发中心正计划开发以下2

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个GCB新产品：①真空发电机断路器，配弹簧操动机构，主要参数暂定为：额定电压为12 kV，额定电流6300 A，短路开断电流80 kA。②自能式SF6发电机断路器，配弹簧操动机构，主要参数暂定为：额定电压为24 kV，额定电流8 000～12 000 A，短路开断电流80～100 kA。

第1种真空GCB适用于100 MW以下发电机组，它不能满足125 MW老机组GCB的更新换代。第2种SF6 GCB能满足300 MW机组的改造或新建，但安装尺寸必须满足现场安装的要求，因为近年来300 MW机组采用的是优化设计方案，其主厂房设计比较紧凑，发电机离相母线的安装位置都比较小。

3 国外GCB制造技术的现状

欧美发达国家在各类大型电厂设计中，发电机出口均考虑采用GCB方案，各大公司竞相开发革新技术，使制造和应用的技术发展非常迅速，运行可靠安全。

由于大容量发电机出口断路器制造技术要求较高，国外也仅有ABB、GEC-Alsthom、西门子、三菱、日立等几家知名大公司有能力生产。其中以ABB、GEC-Alsthom历史最为悠久，研发能力最强，在世界各地的市场占有率较高。1969年，瑞士勃朗·鲍威利（BBC）公司（ABB公司的前身）首先研制成功大容量发电机出口DR-36型、封闭式空气负荷开关和断路器。最高额定电压36 kV，最大额定电流有12、24、36、48 kA。断路器最大开断短路电流有100～250 kA。

该型大机组出口负荷开关和断路器的主要特点是：①负荷开关为由压缩空气操纵带有气吹的灭弧室和带有滑动触头的隔离开关相串联。②单灭弧室断路器（单断口）与负荷开关结构的不同点是具有一个附加并联电阻的灭弧室，可以开断100～150 kA的短路电流。③双灭弧室断路器（双断口）具有2个附加并联电阻的灭弧室，可以开断200～250 kA的短路电流。

这种压缩空气断路器体积庞大，结构复杂，噪声也较大，价格相当昂贵。1985年ABB公司推出了第1台HE型SF6断路器。1994~1998年，HEC-7型和HEC-8型SF6断路器经过荷兰KEMA试验室通过了320项各种试验的考核，其中包括发热、温升、机械试验、全开断试验等。该型断路器额定电压为38 kV/36 kV,额定电流为24 kA/28 kA，额定开断电流为160 kA。操作机构采用液压弹簧型式，三相机械联动，相间不同期小于2 ms，可提供安全可靠的同期操作。将用于我国连云港核电厂(2×1 000 MW)、浙江玉环电厂(4×1 000 MW)和三峡电站(700 MW)等大型电厂。HEC-7型和HEC-8型断路

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器研制成功投入市场后，ABB公司逐步停止生产DR型空气式断路器，集中精力研制新型SF6 GCB，如HECS系列。

由于技术进步，SF6技术的采用使得GCB的结构更简单、紧凑，故障率更低（<0.3%）。用于抽水蓄能电站的GCB还有5极换相和背靠背启动隔离开关，电制动开关等。

除ABB公司外，法国GEC-Alsthom公司以生产空气式断路器见长，其型号式PKG2型，最大参数为：额定电压36 kV，额定电流40 kA，短路开断电流275 kA。

另外，日本的三菱公司和日立公司分别生产额定电流为42～44 kA，短路开断电流为110～125 kA的SF6 GCB。俄罗斯生产大容量的负荷开关（LCB）。

可见ABB、Alsthom、三菱、日立等公司有能力提供600 MW以上机组的GCB。目前生产的SF6 GCB的最大开断电流为160 kA，而压缩空气式GCB最大开断电流为275 kA。

4 结束语

根据以上分析，我国大容量发电机组出口断路器（GCB）的制造能力与发达国家相比还有相当大的差距，没有与发电机单机容量同步增长，加上电力需求增长较快，GCB的制造能力和水平出现严重失调，过度依赖进口。出现这种现象有制造技术滞后的原因，也有因长期制约采用GCB方案而使GCB的研发工作受到“制约”的深层次原因。为此，必须加强投入，研发具有我国自主知识产权的大容量发电机出口断路器，以满足不断发展的市场需要。

5 参考文献

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/6g6r.html