HECS型断路器在大藤峡电厂一次系统中的应用.pdf

52第 46 卷 第 10 期2023 年 10 月Vol.46No.10Oct.2023水 电 站 机 电 技 术Mechanical&ElectricalTechniqueofHydropowerStation0 引言大藤峡水力发电厂左岸 6 号、7 号、8 号发电机出口断路器成套设备（GCB）主要由 SF6气体断路器，隔离开关，接地开关，冲击保护电容器四部分构成，布置在左岸38.00 m发电机层下游副厂房设备间内，主体成为卧式布置。GCB 至今在电厂已安全运行数千日，其高可靠性、安全性、免维护性对电厂安全运行发挥着至关重要作用。1 概述HECS 型断路器的两端分别与发电机侧离相封闭母线和主变压器侧离相封闭母线内导体连接。其内部由发电机断路器与隔离开关、接地刀闸、电容器组合在一个封闭的外壳内，外壳为刚性、合适的自撑式焊接结构1。外壳三相封闭相互独立，并固定在一个支架上。每相外壳均能承受断路器的任何可能发生的爆炸，并具有允许通过断路器的额定电流和短路电流的载流能力。在外壳对应灭弧室处应设适当的检修孔，只需移去活动罩就可方便地检修所有工作部件，并有防止断路器误操作的机械闭锁装置2。2 G C B的结构组成2.1 断路器断路器的型式为户内型、金属封闭、SF6气体灭弧、卧式、三相机械联动操作。主要参数见表 1。表 1 断路器重要参数额定电压15.75 kV机械寿命20 000 次额定电流10 500 A分闸时间345 ms额定操作循环CO-30min-CO 合闸时间375 ms图 1 GCB 整体（1）SF6气体每相断路器均设有吸附剂吸收水份和 SF6气体在电弧作用下所产生的有害成分的，吸附剂的更换周期与 GCB 的检修周期相同。断路器的 SF6气体系统配备排气阀、充气阀和气体取样的阀门。每组断路器提供一套气体运行监测装置(包括气体密度继电器、压力指示器和温度指示器)，并配有报警信号、闭锁和控制系统。按照要求，三相断路器 SF6气体的年漏气率不大于 0.5%。1）密度监测器 A 相上，通过 SF6气体管路与其收稿日期：2023-06-21作者简介：李佳齐（1997-），男，助理工程师，从事水力发电厂检修维护工作。H E C S型断路器在大藤峡电厂一次系统中的应用李佳齐，蔡 科，蓝晓丹，卢兰衢（广西大藤峡水利枢纽开发有限责任公司，广西 桂平 537226）摘 要：大藤峡水力发电厂 HECS 型断路器主要安装于 15.75 kV 发电机定子绕组出口处，发电机出口断路器简称GCB，是发电机和电网之间一个可以控制的断开点，起到隔离发电机故障以及操作发电机并网运行的作用，即位于发电机和主变压器之间，是电厂中不可缺少的重要一次设备。本文主要对 GCB 设备在大藤峡水力发电厂一次系统中的应用进行分析论述。关键词：灭弧；隔离开关；操动机构；电容器；闭锁中图分类号：TV734.4文献标识码：B文章编号：1672-5387（2023）10-0052-04D O I：10.13599/ki.11-5130.2023.10.01653第 46 卷水 电 站 机 电 技 术它二相断路器连通。断路器灭弧室通过气体密度继电器发两级信号(额定压力：0.62 MPa)；2）低气压报警：下降至 0.56 MPa 报警，恢复至0.58 MPa 复归；主要用于正常状态下的气体泄漏，通过报警提示需要补气；3）低气压闭锁：下降至 0.54 MPa 报警，恢复至0.56 MPa 复归，指出气体密度已降低到运行规定的最低绝缘水平，紧急报警并切断断路器分合闸回路，断路器将不允许分、合闸。（2）SF6气体灭弧原理1外壳；2断路器主触头；3断路器灭弧触头(分断部分)；4断路器灭弧触头(中心杆)；5绝缘子；6活塞；7齿轮传动装置；8传动装置；9加热间隙；10加热容积；11气体返回通道；12过压安全阀；13单向阀图 2 断路器灭弧室剖面示意图(合闸状态)1）结构说明：灭弧室由 2 个金属外壳和绝缘体组成，金属外壳起着导体的作用。灭弧室的内部充满了额定压力的 SF6气体，负责安全的接通和切断回路电流。2 个触头系统(主触头系统和灭弧触头系统)与同心安装的配套压气活塞连接于内部的齿轮传动装置，而齿轮传动装置与外部的断路器高速操动机构连接，通过断路器操动机构带动触头来实现电流的接通和切断。2）动作原理：灭弧室内的齿轮传动装置经过特殊的设计后能起到以下作用：分闸时主触头系统先于灭弧触头系统分开几毫秒，灭弧触头系统分开时所产生的电弧在交流电通过零位时瞬间被熄灭。合闸时的步骤与分闸相反，在即将接触之时，升压使得闭合灭弧触头系统中产生一个电弧，于是主触头系统闭合以承载全部电流。（3）断路器操动机构为了降低燃弧的时间，断路器需要在极短的时间内完成分闸或者合闸的动作过程，也就需要一个具备足够能量且能迅速可靠动作的操动机构来驱动。我厂 HECS-80M 型 GCB 操动机构为弹簧储能液压操动机构，三相机械联动。具备现地手动操作、现地控制柜电动操作和远方操作的功能。操动机构在最小工作压力时能合分 1 次。操动机构具有防跳跃、防止非全相合闸、防慢分合的能力，并能防止因控制回路的电磁干扰、振动等引起的误操作。操动机构具有同轴机械联动的就地合分位置指示器，并装有分、合闸操作次数计数器。操动机构的机械耐受寿命在不需要任何维修和更换部件的情况下允许断路器分合 20 000 次。操动机构设置检修及调整用的慢速三相分合闸手动操作装置。每台液压操作机构配备自身的液压设备，有油泵、液压缸、控制装置、管道和阀门等。油泵由 1 台50 Hz、直流 220 V 电动机驱动。电动机和泵的容量满足液压缸在 60 s 内从最低工作油压打压到最高工作油压（48 MPa）。表 2 液压系统工作压力最高压力50 MPa报警压力43.5 MPa正常压力48 MPa闭锁压力43 MPa液压缸的容量（弹簧储能）满足在压力下降到启动油泵打压之前，能进行 2 次 CO 操作或 1 次CO30 minCO 循环周期操作，并满足 CO 速度的要求。操动机构设有 1 套合闸线圈和 2 套相同而又各自独立的分闸线圈，无论是分别对分闸线圈激磁或同时对 2 个线圈激磁，操动机构都能在额定时间内使断路器跳闸。断路器分、合闸线圈操作电源为直流 220 V。除通常作为控制或辅助用的接点外，操动机构辅助开关还具有 20 对常开和 20 对常闭的备用辅助接点。辅助接点的开断能力为DC220 V、5 A。辅助开关及二次回路的各元件能承受DC220 V、10 A。操动机构设置高低油压报警及闭锁装置，配有全套油压监测装置。为防止误发信号，操动机构和断路器的油压报警、闭锁整定不得重叠。在无操作的情况下，操动机构的漏油量不致使加压泵的启动次数每天超过 2 次。操动机构箱的防护等级达到IP54。操作机构的电动机有带热保护元件。操动机构能在规定的电源电压变化范围内可靠动作。2.2 隔离开关隔离开关的型式为户内、水平布置、三相机械联动型式，并和断路器串联布置于分相的同一金属封闭外壳内。隔离开关与断路器、接地开关之间设置机械钥匙闭锁与电气联锁。操动机构可以采用电动54第 46 卷水 电 站 机 电 技 术或者手动进行操作，三相联动，具备远方、现地两种操作方式。在操动机构处设有机械分/合位置指示器，便于运行人员直接观察。同时每相均设置有观察窗，透过观察窗可直接观察到如图 3 所示的隔离开关触头状态。操动机构装设分、合闸位置指示灯和计数器。图 3 隔离开关（左侧为动触头）2.3 接地开关接地开关型式为户内、三相机械联动，布置在断路器的两侧。接地开关与隔离开关和断路器之间设置机械钥匙闭锁与电气联锁。接地开关与外壳绝缘，接地开关接地端对外壳的绝缘水平按工频耐压 2 kV(有效值)持续时间 1 min 设计。接地开关不会因运行中可能出现的各种力（包括由于短路而引起的力）而误分或误合。操作机构型式:电动和手动。操作方式:远方、现地三相联动。操作机构均有标志明显的机械分/合位置指示器，装设分、合闸位置指示灯，装设就地操作按钮及手动操作装置。在不检修、不调整、不更换零部件、不拒动、不误动的情况下，三相机械稳定性操作次数可稳定的5 000 次。操作机构工作原理（1）合闸：合闸回路接通，操作机构电机顺时针转动，带减速器齿轮箱拐臂三相操作连杆，接地开关动触头向合闸方向运动合闸，到合闸位置后，操作机构合闸回路受微动开关控制切断电机电源，合闸结束。（2）分闸：分闸回路接通，操作机构电机反转，传动机构运动方向与合闸时相反，动触头向分闸方向移动分闸，当动触头移动到位后，操作机构分闸回路受微动开关控制切断电机电源，分闸结束。2.4 冲击保护电容器在每台 GCB 的发电机侧和主变压器侧应分别设置一组冲击保护电容器，以实现对恢复电压上升率的限制。冲击保护电容器置于 GCB 单相金属封闭外壳内，并作为 GCB 整体结构的一部分。1驱动机构；2操作连杆；3中间极柱处的接地开关外壳；4处于合闸位置的接地开关；5铝质短路连接器；6铝质连接器；7铜质托架图 4 接地开关表 3 GCB 冲击保护电容器主要参数参数名称数值单位发电机侧额定电容130nF主变压器侧额定电容130nF额定电压36kV额定短时工频耐受电压80kV额定雷电冲击耐受电压（峰值）150kV数量（发电机侧和主变压器侧）2个/相2.5 现地控制柜每台 GCB 设有 1 台现地控制柜。柜中包括所需的全部机械和电气控制部件，以及与各相关设备相连接的部件。控制柜能实现对断路器、隔离开关、接地开关的远方和现地操作，设有防误操作的闭锁。控制柜正面设有电气操作位置模拟图，用于指示断路器、隔离开关、接开关触头的实际位置。控制柜上设置现地/远方切换开关，只有当切换开关选定在“现地”位置时才允许在现地对断路器、隔离开关、接地开关进行分合闸操作。此外控制柜内装有内部照明灯(由门上的碰锁控制)、可调整温度的加热器(设有控制、保护及防过热和燃烧的措施)。2.6 G C B与封闭母线的连接GCB 与 IPB 的外壳采用焊接连接、导体则采用15个铜元件且每个截面积为480 mm2软连接件连接。外壳能直接和 IPB 的外壳进行全封闭式对焊连接。在完成与 IPB 的连接后，GCB 保证其每相外壳密封良好，并和 IPB 的每相组成一个完整的气密封系统。GCB 断路器侧和隔离开关侧均采用软连接件与封闭母线导体连接，GCB 两侧与封闭母线连接的所有导体接触面均镀银，镀银层的厚度不小于 12 mm。导体螺接面的接触电流密度不大于 0.1 A/mm2。GCB 与IPB 软连接处采用 M1235，属性等级为 8.8 的六角头螺栓紧固。拆卸六角头螺栓时，选用扭矩 80 N m的力矩扳手进行。开盖检查螺栓时必须要遵照执行，力矩过大容易伤害螺纹反而起不到紧固作用，力矩55第 46 卷水 电 站 机 电 技 术过小在正常运行时容易受振动导致虚接发热。1软连接；2六角头螺栓；3锥形弹簧垫圈；4垫圈；5导体端子的相位中心线；6IPB 的导体端子；7表面镀银；8支撑环；9产品的导体；10产品的相位中心线；11每个方向相与导体端子的相位中心线之间的最大间距；12导体中轴线；13相位中轴线；14相位中轴线与导体端子之间的最大偏转角图 5 GCB 与 IPB 导体软连接3 闭锁和联锁为了防止误操作，断路器、隔离开关、接地开关之间建立有严格闭锁条件，设置机械钥匙闭锁和电气联锁。对于隔离开关及接地开关的人工操作，设置操作条件，当且只有当规定的操作条件满足后才允许进行。在隔离开关、发电机出口接地开关、主变低压侧接地开关的操动机构处设置有专用的机械钥匙闭锁装置，该装置用于对操作方式和隔离开关(接地开关)的运行方式进行限制。每个闭锁装置通过对 3 把分别标记“”、“”、“”的闭锁钥匙进行适当的组合来实现相应的闭锁。（1）将“”、“”标记的钥匙插入并旋转到位，而将“”标记的钥匙拔出：将隔离开关(接地刀闸)限制在分闸状态，并禁止对其进行电动或手动操作；（2）将“”、“”标记的钥匙插入并旋转到位，而将“”标记的钥匙拔出：将隔离开关(接地刀闸)限制在合闸状态，并禁止对其进行电动或手动操作；（3）将“”、“”、“”标记的钥匙全部插入并旋转到位：仅允许使用专用的摇把对其进行手动操作(仅在检修时使用)；（4）将“”、“”标记的钥匙插入并旋转到位，而将“”标记的钥匙拔出：仅允许采用控制柜现地或者监控系统远方对其进行电动操作。图 6 钥匙闭锁示意4 结语GCB 作为电厂重要的电气设备之一，在生产现场时刻扮演着重要角色，例如水轮发电机开机并网、解列停机、调峰调频、故障点切除隔离等，是电厂必不可少的电气一次设备，其强安全性、高可靠性、免维护性为电厂机组的安全稳定运行奠定了重要的基础3。本人所介绍对国内新建大中型电厂发电机出口断路器选型、安装布置等具有一定参考意义。参考文献：1陈尚发.大容量发电机出口断路器在我国的制造和应用问题 J.电力设备，2006（3）：50-52.2程立.使用大容量发电机断路器的生命周期成本与收益分析 J.高压电器，2013，49（8）：129-132.3阮伟，徐唐煌.大型单元式机组装设发电机出口断路器(GCB)优劣性之比较 J.电气应用，2006（10）：170-172.