真空发电机断路器的工作原理与优越性

长期以来，用于保护发电机源短路断路器的传统形式是少油断路器、压缩空气断路器和六氟化硫断路器。鉴于中压真空断路器的结构相对简捷，可实现免维护并在开断过程中无前述几种断路器的火灾隐患、操作时剧烈的噪声和开断电弧后气体分解后出剧毒低氟化物的缺点而且价格相对低，因而用于发电机保护有着良好的发展前景。

1.真空发电机断路器的主要技术要求

除美国电机和电子学委员会（IEEE）对发电机断路器多年进行了详尽研究并公布了几个版本的标准外，至今尚未见国际电工委员会（IEC）等国际机构有关这类断路器的标准，因而国外公司在研发和试验产品时多以IEEE Std.C37 IEEE Standard for AC High-Voltage Generator Circuit Breaker Rated on a Symmetrical Current Basis为依据。GB/T 14824—2008《高压交流发电机断路器》则是基于这一标准1997年版本并考虑我国系统的情况和电工大类标准编制的，断路器的额定电压规定为12kV、15kV、24kV、36kV。GB 1984—2008《高压交流断路器》是输配电断路器的技术标准，通过比较GB/T 14824—2008和GB 1984—2008的内容，可了解到发电机断路器比前面几章所述断路器更严峻的几个主要技术要求：

（1）额定电流和额定短路开断电流的规定值都特别大。例如，现在300MW的发电机和容量更大的发电机已很常见，它们的额定电流都在十几千安以上直至50kA；额定短路开断电流交流分量的最大值达到315kA。随着发电机制造技术的进一步发展，百万千瓦级和更大容量机组的出现，这些额定值还有继续增大的可能，因而断路器必须能有相应大的额定值。

（2）发电机源短路故障时，由于发电机内阻很低且没有限流电抗器和经过变换，因而短路关合电流的峰值比输配电断路器的高：GB/T 14824—2008规定它的额定值等于对称分量幅值的2.74倍，而GB1984—2008中该值是2.5；同时，因为阻尼小，在瞬态过程中短路电流的直流分量也远比后者的高并且衰减缓慢。在一般情况下，额定短路开断电流中的直流分量用下式计算

式中：Top为断路器首开相最短分闸时间；Tr为额定频率50Hz半个周波的时间，取10ms；τ为回路衰减的时间常数。

在GB1984—2008中规定τ=45ms，这是一个标准值，它适合正常工况的输配电断路器，但在GB/T 14824—2008中，τ的标准值是150ms，远比前者的大，代入式（7-2）后可计算出直流分量。直流分量还可从图7-1中查阅，图中还绘出了GB 1984—2008的标准时间常数τ=45ms对应的直流分量曲线。对大量发电机的分析发现，在满负荷与最大发电机源短路开断电流的情况下，直流分量可达110%或更高一些，特别在故障前发电机在欠励磁状态下以超前功率因数运行时，甚至会出现高达130%的直流分量且导致电流延时过零的现象，这是非常严酷的工况。可见，发电机断路器必须具备对这种高非对称度短路电流极强的熄弧能力。

（3）由于回路中电感L很小，断路器开断短路电流后断口处出现频率非常高的振荡电压。与输配电断路器相比，它的TRV峰值要高一些，而瞬时恢复电压（TRV）波的上升陡度，即恢复电压的上升率很高，这对发电机断路器断口的介质恢复强度而言十分严酷。而对用于系统源的断路器，与发电机端的断路器相比，则因故障时回路的阻抗更小，因而它的瞬时恢复电压波的上升率更高，断路器的开断条件最为严酷。

在表7-1中，摘录了额定电压为12kV的几种断路器的TRV标准值为例加以比较说明。

图7-1　直流分量占三相系统源对称短路电流峰值的百分数

表7-1　输配电断路器和发电机断路器TRV额定参数的比较

（4）GB/T 14824—2008规定发电机断路器进行额定失步开断试验中的电流为额定短路开断电流的50%，而GB 1984—2008中该值是25%，这也要求发电机断路器应具有更高的开断能力。真空断路器用于保护发电机时必须满足这些技术要求，因而在结构设计上采取相应的必要技术措施，例如：

1）制造具有更强熄弧能力的灭弧室并改进操动机构的分闸特性，极大地提高初始介质强度和恢复速度。

2）提高导电回路和操动机构的机械强度和刚度，以利于有效地抵抗短路电流产生的强大电动力，确保正常关合、开断操作。

3）降低回路电阻，加强主回路的散热能力，特别是对有限容积的真空灭弧室，如何改进散热结构、在温升不超过规定值的前提下，大幅度提高载流能力。

这些问题的研究和技术参数的提高尚需一定的时日。因为上述原因，目前真空发电机断路器（单台）最大的技术参数是：额定电压12～15kV；额定短路开断电流75kA，额定电流6000A，最大为7000A（强制风冷），只适用于100MW的机组，这对于现今发电机制造水平和电厂的装机容量而言是个不大的机组。(www.xing528.com)

国外已推出真空发电机断路器的公司是Eaton公司、Areva公司和Siemens公司，这些断路器的操动机构均采用弹簧储能方式。

作为典型结构，Eaton公司的真空发电机断路器按不同安装方式分为可移开式和固定式。图7-2所示为一台可移开式VCPWG型的外形，极柱采取空气绝缘。断路器最大的参数是：额定电压15kV，额定短路开断电流75kA，额定电流6000A，在强制风冷的工作条件下，额定电流可增大到7000A；开断短路电流的直流分量可达130%。灭弧室采用特殊设计的磁控触头，材料为高熔点、低截流水平的优质铜铬合金；动触头导电杆用导电夹夹持将负载电流传至触臂而不采用滑动接触导电结构，以减少接触电阻，降低温升。断路器的中心相距是254mm。

为增大真空发电机断路器载流的能力，Siemens公司则采用了三台额定电流为4000A、额定短路开断电流为80kA的3AH3 83型真空断路器并联运行的技术措施，即单独每台的三个极柱并联作为发电机断路器的一相，由此将额定电流提高到12000A。为保证电气同步，三台断路器的脱扣器特性完全相同，而且断路器的合、分闸动作时间由电子线路控制，使三相合、分闸动作的同期性误差小于2ms。这种真空发电机断路器以装入柜体后的形式出现，因而沿袭Siemens公司中压开关柜型号的命名方法为8BK41。另外，在断路器敞开安装的方式中，将这三台断路器按其灭弧室侧面处于水平位置平置，以利于灭弧室的散热。

图7-2　Eaton公司VCP-WG型真空发电机断路器

（a）极柱结构；（b）断路器
1—触头；2—触臂；3—支柱绝缘子；4—真空灭弧室；5—极帽；6—绝缘操作杆；7—相间绝缘隔板；8—弹簧操动机构；9—装有滚轮的底座；10—滑动接地触刀

2.真空发电机断路器实例

国内关于真空发电机断路器的研发工作业已开展并有很大进展。据报道，北京开关厂设计的ZN12/T 6300-80型、天水长城开关厂设计的ZN65A-12/4000-63型和西安高压电器研究设计院的ZN28-12/4000-63型均通过了型式试验考核，其中最大电气参数为：额定电流6300A，额定短路开断电流80kA，已达到国际最高水平。

图7-3所示为北京开关厂的ZN12/T 6300-80型真空发电机断路器外形，其三相中心相距为400mm，是在引进型3AF真空断路器的结构框架上增设和改进、加强了许多部件以及采取了相关技术措施研制的，它的一些主要技术要点有：

（1）采用双列支柱绝缘子，增强支撑极柱的强度，以克服峰值电流高达224kA的电动力弯曲力矩。

（2）加大合闸弹簧的尺寸，增加拉伸时的储能；为提高起始分闸速度，采取双根分闸弹簧组合方式，同时采用双油缓冲器并列吸收分闸弹簧能量的方式以配合分闸弹簧所需阻尼。

（3）为保证额定电流6300A的温升符合要求，改用图中的特大型上、下极帽；将传统工艺铸造的导电夹改为用T2高纯电解铜切削加工制造，同时每一相改用三根软连接导电带与导电夹相连，分别从下部三个方向引出，以扩大散热面积、降低温升的目的，另外，还加强了触头弹簧的压力。

ZN12/T 6300-80型真空发电机断路器配用锦州华光电力电子（集团）公司研制的TD-12/6300-80型真空灭弧室。为提高额定电流并增强熄弧能力，在磁控触头的设计上采取了一系列有效措施，例如加大触头截面、适度增加触头合金的厚度、经计算机专用软件精确计算后适当合理开槽，增强纵磁场的磁感应强度等，因而能够开断直流分量高达80%的短路电流，机械寿命为4000次。图7-4所示为TD-12/6300-80型真空灭弧室的结构图[13]。

图7-3　ZN12/T 6300-80型真空发电机断路器

1—操动机构；2—支柱绝缘子；3—上极帽；4—真空灭弧室；5—导电夹；6—软连接导电带；7—拐臂；8—下极帽；9—绝缘操作杆；10—触头弹簧

图7-4　TD-12/6300-80型真空灭弧室

1—导电盘；2—瓷壳；3—静导电杆；4—屏蔽罩；5—磁控触头；6—波纹管；7—导向管；8—动导电杆