基于快速真空断路器技术的发电机出口断路器装置

刘锦辉，虞江华，黄辰辰，白雨桐

(1.安徽徽电科技股份有限公司，安徽 合肥 230000;2.宁夏铁发人力资源总公司，宁夏 银川 750011)

近年来，我国经济建设高速增长，各行业对电力的需求旺盛，需要大量的发电机组接入电网，但由于历史原因和设计规程的制约，大容量发电机只能以发电机-变压器组的单元制接线方式运行，给正常的运行操作带来诸多不便。发电机-变压器组的单元制与电网之间切换频繁易产生安全隐患，在大容量发电机出口安装专用断路器，已成为保护发电机以及其他电力设备的主要措施[1]。

我国是世界上发电机出口断路器(generator circuit-breaker，GCB)需求量最多的国家，但由于制造能力和技术水平的严重失调，目前还过度依赖进口，研发具有我国自主知识产权的大容量GCB刻不容缓。

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(非周期分量)衰减慢，短路电流有数百毫秒也不通过零点的情况[2]，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，需要严谨的绝缘配合技术。为了具有较好的灭弧性能，灭弧室必须采用先进的灭弧系统，确保断路器的额定短路开断电流[3]。

GCB一般额定电压在18～28 kV，在此电压等级下真空断路器占据优势地位,由于真空断路器在中压电网的大量应用，目前其技术成熟且价格低廉，在采取相应的技术改进和适应GCB特殊要求的技术攻关后，研制并应用基于快速真空断路器技术的发电机出口专用断路器(GVFC)将成为较好地实现GCB全面国产化的技术路线。

1 GVFC系列发电机断路器装置介绍

1.1 功能简介

GVFC系列真空并联高速发电机断路器是一种以单相VFC“涡流驱动”快速真空断路器串联均流电感为支路单元的，通过并联形式组成的，内置相控技术的大容量发电机出口开关组合电器。

GVFC具有以下特点：

(1)通过串联均流电感，各并联单元间均流系数高，不小于95%；

(2)采用“涡流驱动”永磁操动机构，各并联单元的分闸时间分散度小，不大于0.2 ms；

(3)具有选相(线)控制分闸功能，有效避免短路电流“失零”的矛盾；

(4)具有电流相(角)控制分闸功能，有效提高电流过零前灭弧室开距[4]。

1.2 GVFC工作原理

发电机出口断路器装置由VFC快速开关、电流互感器、控制器等元件组成，成套组装于1台开关柜内。GVFC工作原理见图1。

图1 GVFC工作原理

1.3 工作原理特征

(1)系统正常运行时，快速开关处于合闸状态。

(2)当本支路发生短路故障时，VFC快速开关快速分闸，可在20 ms内将短路故障切除，将发电机组与系统分离。

(3)短路故障排除后，可由后台或就地手动恢复发电机并网发电。

1.4 控制系统简介

GVFC控制系统包括中继控制器和3个分相控制器，其中中继控制器装在现场操作柜中，分相控制器分别内置在各相换流器内，如图2所示。

图2 GVFC控制系统

分相控制器独立控制各相断路器单元，中继控制器通过光纤与各分相控制器联络，显示各相断路器状态信息并可维护定值，还提供数据接口和信号节点与中控室计算机管理系统通信。

1.5 工作逻辑

(1)正常运行期间

GVFC处于合闸位，断路器承载线路工作电流。

(2)线路发生短路故障时

当且仅当分相控制器通过罗克CT信号检出了超过GVFC启动定值的短路电流时命令GVFC及时分闸，切断故障电流，保护发电机。

(3)短路故障排除情况

当确定短路故障排除以后，控制器发出合闸信号，对断路器进行合闸操作，实现发电机故障排除之后的重新并网。

1.6 核心元件 — VFC“涡流驱动”快速断路器

图3为VFC开关“涡流驱动”机构和电路原理。

图3 VFC快速断路器斥力驱动机构(合闸位)及电路原理

2 GVFC技术性能分析

2.1 GVFC标准

VFC快速断路器符合GB 1984-2003[5]、JB/T 3855-2008[6]以及其他相关标准。该快速断路器通过了以下各种试验，可保证在正常安装条件下安全可靠地工作。

(1)型式试验。

温升、机械特性和操作(1万次)、工频耐压、雷电冲击耐压、震荡波抗扰度、电快速瞬变脉动群抗扰度、冲击电压、开断关合能力试验前后机械特性、短时耐受电流和峰值耐受电流、出线端短路开断试验、异相接地故障开断能力试验。

(2)性能试验。

VFC-12/1600-40的型式试验试品完成40 kA合分CO100次后，未经检修，继续进行80 kA电烧损及开断CO20次的开断能力试验、VFC- 12/5 000-80试品80 kA下CO 100次开断能力试验。

(3)出厂试验。

主回路工频耐压试验、辅助和控制回路绝缘性能、主回路电阻测量、1:1模拟现场最大短路电流开断试验。

2.2 指标特点及行业同类对比

VFC快速断路器采用了“涡流驱动”的直动式机构，性能指标明显优于其他类型的真空断路器，见表1。

表1 VFC系列快速断路器关键参数同类对比

2.3 “涡流驱动”快速真空断路器的并联技术

2.3.1 额定工况下并联支路的均流

并联结构中，每极阻抗若以灭弧室接触电阻为主，即使小到10～5 Ω数量级，但其分散度也会达到50%以上，不利于各极之间均流，因此，应在各极支路中增加均流电感，以淹没直流阻抗的分散度，将极间阻抗分散度降低，在提高均流系数的同时，并不增加并联支路的有功损耗，确保并联各极可靠运行。

2.3.2 分闸时机的相角控制技术是并联开断大电流的技术保障

并联开断失败的原因是随机性的分闸命令造成末开极开距不充分而重燃，因此，应在合理的分闸时机范围内发出分闸指令，确保末开极电流过零时的充分开距，达到由多极共同分担开断大电流的目的。

2.3.3 并联方式分类

(1)多台三相开关并联

这种组合电器为多台三相开关通过导线实现各相并联联接，适合大额定电流且小开断电流需求的场合，并联目的旨在解决额定电流的分担，因此，并联时，需要着重控制均流电感即可。

(2)各相多灭弧室并联

这种并联方式根据操动机构的设置，可分为单相单机构并联和单相多机构并联方式。

①每相单机构。此种并联方式适用三极或两极并联，可沿用目前成熟的断路器操动机构，将VFC真空断路器的灭弧室并联作为并联断路器的一相，并联灭弧室之间的同期性由机械结构保障，三相需要分别操动，实现三相合闸的同期性要求。

②每相多机构。此种并联方式以1只灭弧室配1套操动机构为1个断路器基本单元，实现三相多极并联，适用三极以上的并联方式，可针对大额定电流和大开断电流进行任意组合，对操动机构的固有动作时间分散度和控制精度即相控技术的要求较高。

2.4 分相控制器

断路器在开断三相短路故障时，电流首先过零的一相称之为首开相。开断三相短路故障的关键在于首开相，首开相顺利熄弧，其他两相均能顺利熄弧，但燃弧时间比首开相时间长，会产生烧损严重情况，因此，三相选相(选首开相别、选开断相角)开断，可顺利完成故障电流的开断，也可减少真空开关的烧损。

分相控制器通过特殊算法，对短路电流信号进行处理，可在2 ms左右计算出短路电流的周期分量、非周期分量、短路周期角，迅速判断出首开相的相别，并结合断路器的机械故有分闸时间做出适当的延时，控制断路器在短路电流过零前分闸。

2.5 GVFC开关技术优势对比

表2 GVFC开关技术优势对比

2.6 单套GVFC发电机出口断路器装置主要配置

表3 单套GVFC发电机出口断路器装置主要配置

3 GVFC改造实施方案

(1)原系统方案

图4 原系统方案

(2)改造后系统方案

图5 改造后系统方案

保留现有柜体结构型式，仅将原安装普通弹簧储能式真空断路器的并网柜更换为发电机出口专用断路器柜；新增发电机专用微机保护，安装在发电机出口专用断路器柜内。项目实施过程中涉及拼柜及母线连接等相关问题需后期用户尽量提供原开关柜厂相关图纸。

4 结 论

综上所述，GVFC发电机出口断路器克服了传统断路器遇到系统故障期间无法立刻切断故障的难点，在大型发电机组应用方面技术优势明显。方便机组调试和维护；降低厂用电切换风险，减少事故的发生，提升用电可靠性；简化继电保护接线，缩短故障恢复时间，减少对设备的损耗，提高机组效率等，因此被越来越多的电厂采用。GVFC发电机出口断路器装置已具有成熟的运行经验，可满足系统安全可靠的运行要求，更好地匹配高速发展的电力事业。