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摘要：燃机用发电机断路器是电力行业的核心设备，其国产化水平的提高对于电力行业的发展具有重要意义。介绍了燃机用国产发电机断路器的研究及应用情况，对燃机用发电机断路器成套装置的结构特点做了详细阐述，同时对首台套国产设备的应用情况做了介绍。通过燃机用发电机断路器成套装置的工程应用，带动相关产业链的发展，提高了燃机发电成套装置的国产化率。
关键词：发电机断路器；启动开关；保护；成套设备
0引言
燃机用发电机断路器(GCB)是安装在发电机和变压器及启动变频器之间的断路器，可以高效开断发电机源和系统源短路故障，保护发电机和变压器；通过GCB可实现输电系统倒送电，减少厂用变和启动／备用变电源切换次数，保证厂用电系统稳定运行。实现启动回路和主回路的接入与退出，简化运行操作规程；提供低压并网点，可快速切断失步故障，与高压并网点形成双保险[1-3]。燃机电站用发电机断路器成套装置，集成发电断路器(GCB),隔离开关(DS),接地开关(ES),集成电压互感器(CT),电流互感器(PT),避雷器(LA),启动开关(SDS),集成测量、保护、启动回路接入等功能于一体，主接线如图1所示。
大容量发电机断路器技术及试验技术难度较大。2013年，笔者公司研发完成了ZHN10-24型大容量发电机断路器，该产品额定短路开断电流160 kA,是自主研发的适用于600~800 MW发电机的大容量六氟化硫发电机断路器成套装置，综合性能好。随后相继于2021年底研发完了应用于燃机电站的发电机断路器成套开关设备，并获得工程应用。
1安装发电机断路器的必要性
GCB可以切断故障电流（系统源、发电机源、失步等）保护发电机组和变压器安全。装设GCB后能迅速将主变和发电机分隔，一定程度上减少了故障电流的相互影响，对主变和发电机有一定的保护作用[4-5]。
机组内部发生故障，利用GCB切除，避免事故扩大，保护变压器和线路侧设备。停机时主变作为降压变压器带厂用电，增加了厂用电的灵活性和可靠性，减少了机组主网后的厂用电切换操作，保证厂用电系统稳定运行。GCB可将主变、高厂变与发电机断开，设置提供了低压并网点，与高压侧断路器并网点形成双保险。同时避免SFC拖动时对主变、高厂变的影响，不装设发电机断路器时，SFC装置的负载（特别是无功负载）将增大，燃气轮机启动时的升速率降低，机组变频启动时间将延长，甚至出现过载跳闸而导致启动失败[6-10]。
2燃机用国产发电机断路器
2.1产品结构
产品采用三相分箱结构，每极具有一个独立的、封闭的金属外壳。外壳、操动机构均安装在公共底架上。断路器配用液压弹簧操动机构，隔离开关、接地开关、启动开关配用电动机操动机构；均采用三相机械联动。每台产品配用一台LCP柜，如图2所示。图2外形图每相有断路器、隔离开关、接地开关、启动开关、以及电容器、电流互感器、电压互感器、避雷器等元件，如图3所示。
断路器以六氟化硫作为绝缘和灭弧介质。隔离开关采用直动式环状触头结构，以空气作为绝缘介质。接地开关采用直插式结构，以空气作为绝缘介质。启动开关采用刀闸式结构，以空气作为绝缘介质。电流互感器为环氧浇注式结构，绝缘性能好，安装在箱体的底板上。
电压互感器为环氧树脂真空浇注全封闭式结构，悬挂在箱体顶部。避雷器为复合外套无间隙金属氧化物式结构，安装在箱体侧板上。电容器为浸油薄膜式结构，悬挂在箱体顶部[11-13]。
2.2主要参数
主要参数如表1所示。
2.3智能化监测系统
国产发电机断路器成套开关设备，可以选配加装智能化监测系统，实时监测成套开关设备的运行状态，实现对相关开关设备运行状态的阈值告警、趋势分析，运行寿命评估和综合评价，为机组开关设备的调试、运行、维护和检修提供指导。
整个监测系统分为设备层、过程层、后台层和云端4个层面。其中，设备层包括发电机断路器等一次设备以及与其集成的监测传感器；传感器将需要监测的各个物理量进行采集，通过电缆将监测数据传输汇总至过程层中的就地汇控柜（包括开关设备智能监测装置、视频服务器等）中进行就地存储；就地数据采集设备基于IEC61850通讯协议通过光缆将全部监测数据统一发送至后台主控室内的监测服务器进行数据分析、报警，同时通过后台也可以对过程层中的设备进行操控；后台层通过电站内部协议将全部监测数据、分析结果全部上传至云平台，便于电站远程实时监测开关设备的运行情况及对其健康状态的掌握[14-16]。
数据采集系统主要涉及的监测内容包括气室气体状态、机械特性、电机状态、导体温度、隔离开关触头位置及电寿命测算等。相关技术指标如表2所示。
发电机断路器在线监测及分析诊断系统完成相关在线监测信息和状态采集后进行状态分析和故障诊断，并根据状态分析、状态诊断结果发出预警或报警信号，提供标准化健康评估报告和故障诊断报告。并将原始采集信号、分析、诊断结果报送电站计算机监控系统一体化平台。分析诊断系统包括智能预警、健康评估、故障诊断、接口与数据传输等功能。在线监测与分析诊断系统参考登陆界面如图4所示。
系统提供智能预警功能，根据各个子系统数据，采用动态阈值报警、趋势预警以及故障预警等策略，实时分析评价设备状态，对异常数据进行预警，以便及时发现设备故障征兆，预防事故发生。预警报警信息可以通过软件界面的弹窗、颜色的变化或闪烁等方式通知用户。
设备的综合评价建立在各项特性参量的状态检测和评估基础之上，将影响设备质量状况的主要因素作为评价指标，得出分立特性的状态评估结果，结合其他必要信息，可以得出设备的综合评价模型。健康评估利用后台的数据分析和评估算法模块的分析结果生成设备状态标准化健康评估报告，报告包含评价依据、评价详情、评价结论等内容。健康评价与评估报告如图5所示。
系统提供各种专业分析诊断工具，以协助分析各个子系统数据，进而对设备的运行异常状况发出诊断提示与诊断报告。系统提供标准化故障诊断报告，报告内容包括故障发生位置、故障现象、故障特征、故障原因等信息。
3创新设计分析
3.1主触头弧触头双动单元设计
设计了双速传动机构，并利用运动仿真软件对传动系统进行了运动和受力分析，满足在合闸过程中，弧触头先合，主触头后合[17]。分闸过程中弧触头先分，主触头后合。实现了主触头和弧触头不同的运动特性的匹配，让较大质量的主触头和较小质量的弧触头运动速度和行程相匹配，降低了整体操作功。产品可以在较小的输入操作功下满足开合性能，并实现了10 000次操作的机械寿命要求[18]。
3.2主回路通流能力设计
断路器载流外壳作为断路器的通流元件，决定了断路器的主回路通流能力，是由铸铝合金材料构成，传统铸铝合金壳体不载流，故没有导电率的要求，若直接按照原配方制造，体积偏大，严重影响整机的经济性，而导电率提高，铸铝合金的机械强度会下降，为此进行了专项攻关，研制出全新配方的铸铝合金，将壳体导电率提高了，而机械强度没有下降。额定电流可以达到18 000 A。
3.3耐受电流能力设计
内部设置独立弧铜钨合金触头，铜钨有很好的导电和导热性能，保证了负荷开断能力，达到18 kA;内部多种性能优越的电连接结构，保证了动热稳定性能优越，短时耐受电流130 kA,3 s,峰值耐受电流390 kA,耐受能力强。
3.4多种绝缘件的设计
断路器转动绝缘子的设计。断路器本体的传动输入轴和内部的导电系统必须有一个既能承受较大扭矩，又有良好绝缘性能的转动绝缘子，断路器采用的大扭矩转动绝缘盘采用嵌件在绝缘子内部的相互错位布置，实现传动和电气隔离功能，同时利用增加径向爬电距离等方式，节省了空间距离，实现了灭弧室的传动结构的小型化，传动扭矩大。高强度、用于电弧区域的绝缘筒的设计。断路器开合瞬间会产生电弧，电弧会让局部压力升高，这样就需要一个高强度绝缘筒，作为中间断口的绝缘支撑，将产生电弧的区域和其他区域分开，提高断路器的性能，断路器的绝缘筒采用三层绝缘材料相结合的结构，使得绝缘筒可直接安装于灭弧室的电弧区域，耐受灭弧室开断时产生的瞬时的高温、高压而不降低其绝缘性能。高强度耐热绝缘件的设计。通过技术攻关，提升环氧浇筑工艺，成功研制了无金属法兰高玻璃化温度环氧浇注绝缘筒，平衡了高玻璃化温度与高强度要求。
3.5结构紧凑的直插式接地开关的设计
接地开关采用直插式结构，传动系统采用曲柄滑块机构，并通过电磁力仿真分析软件对接地开关通流结构进行了分析计算，这种结构可以最大程度上避免主回路对接地回路的电磁力影响，降低和有效利用了触指之间的电磁力，可以保证在通流瞬间结构的稳定，从而保证了接地开关的通流能力，曲柄滑块机构，机械结构简单可靠，通过特殊的结构设计，有效保证了触头在合闸位置的具有自锁功能，在通路过程中在电动力的作用下不会发生触头位移，通流能力强，可靠性高，峰值耐受电流达到390 kA。
3.6耐烧蚀的弧触头设计
利用钨铜合金具有耐高温、耐电弧烧蚀、高比重和高导电导热性能。利用高纯钨粉优异的金属特性和高纯紫铜粉的可塑性、高导电性等优点，经静压成型、高温烧结、溶渗铜的工艺精制而成的弧触头，断弧性能好，导电导热好，热膨胀小，高温不软化，强度高，密度高，硬度高。
3.7启动开关设计
启动开关用于发电机组的启动。启动隔离开关就是将启动变频器回路和主回路相连接的隔离开关，其目的就是在机组启动时将启动变频器和发电机相连接，在机组正常运行时，将启动回路和主回路断开。实现启动回路和主回路的接入与退出，简化运行操作，同时避免SFC拖动时对主变、高厂变的影响。若不装设GCB,SFC装置的负载（特别是无功负载）将增大，燃气轮机启动时的升速率降低，机组变频启动时间将延长，甚至出现过载跳闸而导致启动失败。启动开关断口需满足主回路对地绝缘要求。合闸具备自锁功能，满足特殊绝缘要求和启动电流通流能力下，具备承载大峰值电流与短时电流的冲击能力[19-20]。
4工程应用情况
2013年，自主研发了适用于600~800 MW发电机的ZHN10-24 160 kA大容量六氟化硫发电机断路器成套装置，综合性能好。同年，在向家坝水电站投运4台，随后相继在溪洛渡水水电站、三峡水电站、巴基斯坦K2K3核电站、乌东德水电站、新疆准东五彩湾北一电厂、内蒙古朱家坪火电厂等电站投运。目前运行状态稳定。2018年研发完成了适用于400 MW以下机组用ZHN10-24 100 kA发电机断路器成套装置，于2021年于西藏大古水电站和雅砻江杨房沟水电站投运。2021年研发完成了抽水蓄能电站用发电机断路器、启动隔离开关、换相开关、母线分段隔离开关、分支母线隔离开关、制动开关等抽蓄电站成套专用开关设备，2022年已经在梅州抽水蓄能电站投运。2021年研发完成了适用于1000 MW的ZHN10-30 170 kA发电机断路器成套装置，并与2022年在白鹤滩水电站成功投运，目前国内中核漳州核电站、中广核陆丰核电站已经签订国产设备的采购合同。2023年又研发完成了适用于1200 MW的ZHN10-27 190 kA发电机断路器成套装置。燃机用国产发电机断路器成套开关设备于2021年研发成功，同年向华能洋浦热电厂供货两台，如图6所示，2022年4月现场安装调试完成，2022年年底投运，目前运行状态稳定，证明已经掌握了大电流开断技术和大电流通流技术。洋浦天然气热电联产项目(2×460 MW级）燃气—蒸汽联合循环新建工程，位于海南省洋浦经济开发区西北部沿海地区。新建两套“一拖一”F级改进型的燃气—蒸汽联合循环热电联产机组。总装机容量44万kW。届时将为100万t乙烯及其下游产业等项目提供电源、热能保障服务。
5结束语
我国燃机发电技术国产化水平在过去几年有了显著的提高。本文设备的成功研发和工程应用，显示了发电机断路器技术领域的进步，证明已经掌握了大电流开断技术和大电流通流技术。燃机用发电机断路器是电力行业的核心设备，其国产化水平的提高对于中国电力行业的发展具有重要意义，而且可以带动相关产业链的发展，促进产业升级和优化，形成完整的产业体系
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人参与 2024-10-24 10:18:03 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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