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GCB(GeneratorCircuit-Breaker)发电机出口断路器马建康２０１２年０７月第一部分：GCB相关基础知识第二部分:GCB的基本结构第三部分：GCB动作原理及控制原理第四部分：GCB运行中的检查及运行参数第五部分：GCB操作方式及方法第一部分：GCB相关基础知识一什么是ＧＣＢ?•GCB——GeneratorCircuit-Breaker•发电机出口断路器二GCB的生产现状（一）国内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（36kV，11000A，58kA）GCB投入运行。由于58kA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100～120kA的SF6GCB。•西安高压电器研究所研发中心正计划开发以下2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12kV，额定电流6300A，短路开断电流80kA。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24kV，额定电流8000～12000A，短路开断电流80～100kA。（二）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36kV，最大额定电流有12、24、36、48kA。断路器最大开断短路电流有100～250kA。•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100～150kA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200～250kA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38kV/36kV,额定电流为24kA/28kA，额定开断电流为160kA。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2ms，可提供安全可靠的同期操作。将用于我国连云港核电厂(2×1000MW)、浙江玉环电厂(4×1000MW)和三峡电站(700MW)等大型电厂。HEC-7型和HEC-8型断路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SF6GCB，如HECS系列。三GCB型式•GCB型式主要有少油型、空气型、SF6气体型和真空型。少油型GCB如沈阳高压开关厂20世纪60年代生产的SN3、SN4等，额定电流为5000～8000A，额定开断电流为58kA。空气型GCB，如法国A－A公司生产的PKG2型额定电压为36kV，额定电流11000A，额定开断电流58kA，该种断路器主要存在是产品体积大、噪声响、缺乏中等容量断路器等缺点，在我国葛洲坝水电厂有使用，运行情况良好。随着电力设备制造技术的发展，20世纪80年代ABB等公司推出以SF6气体为灭弧介质的GCB，它运用SF6自灭弧原理，当动触头分开时产生电弧来加热SF6气体，使其膨胀形成熄弧所需气体，同时电流流过固定触头内的线圈产生磁场，引起电弧旋转分离，保证荷载触头与灭弧触头正常工作。SF6型GCB目前在国内外电厂有大量的使用，它额定电流可达24000A，开断能力160kA，而且结构紧凑，故障率更低（＜0.3％），还可以集成CT、PT、接地开关等设备，成为多功能的组合电器。四电弧1.电弧的概念当开关电器开断电路时，电压和电流达到一定值时，触头刚刚分离后，触头之间就会产生强烈的白光，称为电弧。2.电弧的本质电弧的实质是一种气体放电现象。3.电弧放电的特征（1）电弧由三部分组成。包括阴极区、阳极区和弧柱区。（2）电弧温度很高。（3）电弧是一种自持放电现象。（4）电弧是一束游离的的气体。4.电弧的危害（1）电弧的存在延长了开关电器开断故障电路的时间，加重了电力系统短路故障的危害。（2）电弧产生的高温，将使触头表面熔化和蒸化，烧坏绝缘材料。对充油电气设备还可能引起着火、爆炸等危险（3）由于电弧在电动力、热力作用下能移动，很容易造成飞弧短路和伤人，或引起事故的扩大。电弧的形成（1）热电子发射当断路器的动、静触头分离时，触头间的接触压力及接触面积逐渐缩小，接触电阻增大，使接触部位剧烈发热，导致阴极表面温度急剧升高而发射电子，形成热电子发射。（2）强电场发射开关电器分闸的瞬间，由于动、静触头的距离很小，触头间的电场强度就非常大，使触头内部的电子在强电场作用下被拉出来，就形成强电场发射。（3）碰撞游离从阴极表面发射出的电子在电场力的作用下高速向阳极运动，在运动过程中不断地与中性质点（原子或分子）发生碰撞。当高速运动的电子积聚足够大的动能时，就会从中性质点中打出一个或多个电子，使中性质点游离，这一过程称为碰撞游离。（4）热游离弧柱中气体分子在高温作用下产生剧烈热运动，动能很大的中性质点互相碰撞时，将被游离而形成电子和正离子，这种现象称为热游离。弧柱导电就是靠热游离来维持的。电弧形成的过程断路器断开过程中电弧是这样形成的。触头刚分离时突然解除接触压力，阴极表面立即出现高温炽热点，产生热电子发射；同时，由于触头的间隙很小，使得电压强度很高，产生强电场发射。从阴极表面逸出的电子在强电场作用下，加速向阳极运动，发生碰撞游离，导致触头间隙中带电质点急剧增加，温度骤然升高，产生热游离并且成为游离的的主要因素，此时，在外加电压作用下，间隙被击穿，形成电弧。熄灭电弧的基本方法与措施提高触头的开断速度冷却电弧增大绝缘介质气体压力吹弧将触头置于真空密室中五SF6气体介绍•六氟化硫（化学式：SF6）是一种无色、无味、无毒的气体，不可燃，微溶于水。分子为八面体构型，属于超价分子，无极性。六氟化硫是常用的致冷剂及输配电设备的绝缘与防电弧气体，但它也是很持久的温室气体，效果是二氧化碳的22,200倍。六氟化硫在生理学上是不活泼的，在药理学上认为是惰性气体。但是当含有SF4等杂质时便变成有毒物质。当吸入高浓度SF6时可出现呼吸困难、喘息、皮肤和粘膜变蓝、全身痉挛等窒息症状。•SF6气体分解产物（HF、SF4）•高温下，部分气体将会分解。•分解的产物降产生尘埃和气体，这些产物不同程度的有毒。•气体分解产生的产物的浓度达到危险程度前就能被刺激臭探测出。•处理分解产物的保护措施•在从事该工作后，应该将暴露的身体部位用肥皂和水彻底地洗干净。六装设GCB的优点（一）提高系统安全性和稳定性•200MW及以上的机组采用的发电机与变压器组的单元接线方式的优点在于省去了GCB，同时也省去了相应的继电保护。但是这种简化的接线方式却使得发电机、变压器和系统的稳定运行在很大程度上要取决于主变高压侧的高压断路器运行可靠性的影响。当高压断路器在正常运行中，在执行解列或并车操作时、在事故状态下的动作过程中，如果发生一相或二相断路器因拒动、误动或断口绝缘击穿而导致非全相分、合闸状态时，则电网的安全稳定运行将会受到严重的威胁，极有可能因非全相运行而造成变压器绝缘损坏甚至起火烧毁，发电机转子因负序电流作用而使绝缘损坏甚至起火烧毁、系统稳定性遭受破坏而解列造成大面积停电等重大事故的发生。•国内发电厂已发生过的类似事故如：某电厂因2号炉故障停机检查，运行人员操作2号机主变断路器跳闸时发现断路器A相拒分，在升压站手跳未获成功后，跳母联断路器将2号机主变与系统解列，造成非全相运行时间长达8min，引起2号机转子烧毁。又如石洞口二厂2号机作逆功率试验时，2号机逆功率保护动作，同时引起主变高压侧并联的断路器三相分闸。因一台断路器未能分闸到底，造成断路器非全相运行，导致电厂另一台运行的600MW机组、电网4条500kV线路、3条220kV线路、黄渡变的一台500kV变压器及一台220kV变压器先后跳闸。•从这些案例可以看出，事故原因是因为高压断路器本体、操作机构、控制回路故障和运行人员处理不当等所引发的重大事故。发电机和变压器的损坏，不仅会使整个系统的安全性和稳定性受到严重影响，而且将造成巨大的经济损失。如果装设GCB完全能够减少事故的发生，GCB可在50～60ms内把机组与故障点分开大大缩短事故时间，从而有效地保护机组，保证电力系统的长期稳定运行，所以采用GCB将提高系统运行的安全性和稳定性。（二）保护发电机及主变压器•当发电机带不平衡负荷运行、内部或外部发生不对称短路时均会对发电机产生很严重的机械和热应力，这种故障电流及其非全相运行的负序分量所引起的热应力加在发电机转子的阻尼绕组上，会产生异常的高温而使发电机转子严重受损。除此以外，高压断路器的合、分闸不同期，避雷器的损坏，架空线或GIS连接套管上行波反射造成的接地故障都会对发电要造成影响，GCB可以迅速切除这些故障，使得发电机免遭损坏。但如果没有装设GCB，发电机会持续提供不平衡负载给故障点，直到灭磁装置起作用。由于灭磁过程往往会持续几秒钟时间，甚至会超过10s，从而导致发电机严重的损坏。虽然GCB不可能避免系统内某一故障的发生，因为该故障可能是某一设备固有的弱点或是外部原因所造成的，然而GCB可以减少加在设备上的各种应力和故障所造成的损坏程度。（三）提高保护选择性当发电机侧发生故障时，GCB动作将故障点与系统隔离，避免了厂用电事故切换，简化了厂用电源的控制保护接线，降低了保护动作的联锁复杂性。当主变压器侧故障时，GCB可以迅速切除，使得发电机、主变压器和厂用高压变压器处于各自独立的保护范围内。（四）方便调试和改善同期条件•GCB之所以能执行机组所需的全部操作任务，是因为它的位置处在回路中最恰当的地方，可以在不中断厂用电源的情况下将发电机断开，这样运行人员也减少了操作，避免了出错的可能性。机组投运进行短路试验时，可很方便地实现使用接地开关，否则要进行试验改接线，需投入额外的资金和时间，还有可能承担不必要的风险。•对于同期操作来而言，应用主变高压侧断路器和GCB来进行同期操作有什么不同呢？国外的研究表明分别由高压断路器和GCB来实现同期操作和不同期操作所引起的延迟过零电流，对系统有着不同的影响，在反相同期操作过程中由于发电机转子的快速转动会产生的延迟过零电流，高压断路器在切断反相同期电流上能力非常有限，而GCB有足够的能力切断该电流。当同期在高压侧进行操作时，高压断路器可能会受到过电压作用。在污染较重的情况下，可能使高压断路器外部绝缘介质的闪络。再者，高压断路器一般都不是三相机械联动的，所以在同期操作过程中就有可能产生有较大不同期，这样会产生一个不平衡负载，给发电机带来严重的机械和热应力，从而损坏发电机。当同期在发电