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82第45卷 第07期2022年07月Vol.45 No.07Jul.2022水 电 站 机 电 技 术Mechanical & Electrical Technique of Hydropower Station0 引言发电机出口断路器操作机构及隔离开关一般采用三相联动机构,普遍认为三相联动机构不会发生非全相合闸状况，但随着操作次数的增多、机械结构磨损甚至设计上的缺陷，发电机出口开关或隔离开关都可能发生非全相合闸现象，现在GCB非全相故障案例越来越多。
因三相联动机构不存在分相辅助接点，无法通过断路器辅助接点实现非全相保护。
目前已投入的GCB非全相保护，一般利用GCB断线故障导致发电机机端基波零序电压与主变低压侧基波零序电压量的故障特征，或者两侧相电压差的故障特征，采用断口两侧电压相量差构成GCB非全相保护原理，保护判据不依赖电流量，可检测机组并网初期和解列时的GCB非全相故障。
因保护原理只判断电压量,其可靠性及定值整定都存在困难,所以目前大部分电站并未将GCB非全相保护投跳闸,不能起到快速隔离故障开关的效果。
本文对GCB非全相合闸后的故障特征和电气量等进行综合理论分析,并结合一些故障案例，提出了一种新型的GCB非全相保护原理,有完善的防误动措施,具有较高的灵敏度和可靠性,实现了GCB开关的非全相保护。
1 目前GCB非全相保护原理及其缺点目前的GCB非全相保护主要采用基于端口两侧电压差的原理,当发电机机端断路器发生单相或两相断相故障时，故障相断口两侧会产生电压相量差值，该相量差值与发电机侧电动势、系统侧电动势和序网阻抗大小有关，且当序网阻抗大小不变时，故障相电压相量差值会随着断口两侧电动势相量差增大而逐渐增大，即随着负荷电流增大而增大，而非故障相电压相量差值为零。
结合GCB非全相故障过程，分析其动作逻辑，目前的GCB非全相保护有如下缺点:（1）保护投退采用GCB辅助接点变位作为条件，存在辅助接点不可靠的问题。
发电机出口断路器应用好处1保护发电机在发电机出口发生非对称短路或承受不平衡负荷时，GCB可以迅速切除故障，防止发电机遭受损坏。
发电机带不平衡负荷运行、外部或内部发生非对称短路时，转子本体表面将感应出两倍工频涡流，在转子中引起附加发热。
同时，两倍工频的交变电磁转矩使机组产生倍频振动，引起金属疲劳和机械损伤。
2保护主变和高压厂用变采用GCB后，不论是发生操作故障或系统振荡时，还是发电机、变压器内部发生故障时，都可以提高其保护功能的选择性，从而提高机组安全运行的可靠性。
在发生操作故障或系统振荡时，只需要能迅速断开GCB即可，而不用切换厂用电源。
故障消失后，发电机与电网之间可以通过GCB快速恢复连接并网，避免了由于厂用电源的切换故障造成全厂停电事故。
当发电机内部发生故障时，可以在不切换厂用电源的情况下，切除有故障的发电机，保证了发电机有选择地进行保护跳闸，简化了保护方式的接线，而且机组内部的故障不需要动作于高压断路器，从而避免了厂用电源的切换，这对于消除一些瞬时性故障，特别是来自于锅炉、汽机的热工误发信号，尽快恢复机组运行和避免误操作而导致的事故是非常有利的。
对故障发生率比较高的变压器内部故障和变压器接地故障，GCB开断时间相对发电机灭磁的时间（数秒）要快得多，大大减小了故障电流对变压器的危害程度，有利于缩短维修时间，减少直接和间接经济损失，可提高电厂可用率0.7%~1%。
3可省去启备变，简化厂用电源切换操作程序安装GCB后，机组启停电源可经过主变倒送至厂用变，可省去启备变，机组起停机或故障只需跳开GCB而不需跳高压系统断路器，减少了在没有GCB时厂用电源切换的操作程序，降低了运行难度，提高了系统的可靠性。
4提高机组保护的选择性当发电机发生内部故障时，GCB迅速跳闸，使发电机与电网隔离，而不必连主变压器一并切除，停机厂用电源仍可由系统通过主变压器倒送，从而避免了厂用电源系统的事故切换，这样减轻了运行人员的压力，为迅速处理故障创造了条件。
发电机出口断路器的应用摘要：文章对发电机和变压器之间安装的出口断路器的主要作用进行详细介绍，并对发电机出口断路器在电厂中应用所起到的投资经济性进行分析，以供参考。
关键词：发电机；出口断路器；GCB方案1引言在我国电力工业快速发展的过程中，发电机和变压器之间进行出口断路器的加装，主要作用就是对运行操作程序进行简化，并且对二者运行中的故障范围进行控制，便于运行过程中对其进行调试和维护，对提高发电机以及变压器的运行安全具有重要作用。
但是我国前期的发电企业中很少进行出口断路器的安装，这主要是由于早期的出口断路器体积较大、噪音较高、使用寿命短、运行可靠性低、价格高等缺点，而在目前出口断路器的发展过程中，对上述问题进行有效的改善，而且在大型的发电企业中开始采用GCB方案来进行出口断路器的运行，在发挥其作用的同时，提高其应用的经济性和安全性。
2发电机断路器的主要作用2.1对发电企业用电切换和操作程序进行简化针对我国目前设有专用的启动或备用变压器的发电厂来说，在进行机组的启停以及对变压器进行故障检修等操作时都需要进行厂用电源的切换操作。
对于机组的启停操作来说，如果不进行断路器的设置，就需要进行厂用工作变压器与启动/备用变压器之间进行关联切换，但是由于二者具有不同的系统电源和阻抗值，这就会导致二者的低压侧母线之间存在初始相位差的问题，所以在上述切换过程中就会在二者的变压器之间产生环流问题，严重时环流比较大会对变压器造成损害并缩短其使用寿命，影响其安全运行。
同样在发电厂运行中出现事故进行检修时，也容易由于常用工作母线电压与启动/备用母线电压之间存在较大的相位差而造成设备损害问题，或者会由于频繁的电源切换而缩短设备的使用寿命并影响其安全运行。
而使用发电机断路器之后，在机组启停过程中，启停电源是通过主变压器倒送电至厂用工作变压器获得，因此在机组启停的过程中无需厂用电源的切换，而只有在此过程中出现了变压器故障时才进行电源切换。
1000MW机组装设发电机出口断路器（GCB）技术分析1.发电厂装设GCB的优越性1.1 有效提高发变组保护可靠性及选择性1000MW机组500kV系统出线大多数为312主接线，由于线路要求断路器具备单相重合闸的功能，其操作执行机构不能用三相联动机构，只能采用分相操作机构，此操作机构在合闸或重合闸时都可能存在非同期合闸甚至非全相运行的情况，此时产生的负序电流在发电机转子感应出工频电流，由于发电机转子承受负序磁场的能力非常有限，容易损坏。
发电机出口断路器GCB在这方面具有很大的优势，执行机构为三相联动操作机构，三相同期性高，有效避免非同期合闸的发生，而且GCB比500kV开关具有更好的快速动作特性，能够更好的保障发电机组安全。
当主变压器或高厂变出现匝间短路或者相间短路时，其故障严重程度随着故障持续时间增加，变压器内部充满变压器油用于冷却和隔绝绕组，随着故障持续时间越长，油被电弧电解产生的气体越多，对变压器造成的损害越严重。
主变压器与发电机未配置GCB，当主变压器或高厂变出现故障时，发变组保护只能跳开主变高压侧两侧开关，并无法迅速隔离主变低压侧的电源，发电机在停机灭磁过程到完全停止运行需要几秒的时间，在此期间发电机仍对变压器供电，变压器内部压力继续上升，将导致故障更加严重，甚至造成变压器爆炸起火，威胁设备及人身安全。
当机组配置GCB后，变压器故障切除隔离时间迅速减少，GCB将在60ms内跳开，同时主变高压侧两侧开关跳开，能够迅速隔离故障变压器高低压两侧的电源，显著缩短了故障持续的时间，防止事故进一步恶化。
当发电机发生内部故障或由于汽轮机打闸及锅炉MFT导致发电机解列时，配置GCB的机组在事故处理上更为简化和高效，保护跳开GCB，主变压器可以保持运行，有效减少故障范围。
若500kV主接线处于合环状态，该故障不会导致系统解环，有效保障电网系统运行可靠性。
另外，装设GCB可以简化事故处理的操作流程，减少了厂用电切换的操作环节，有效避免厂用电切换失败等扩大事故范围的情况出现，机组安全可靠性更高。
1工程概况某工程建设2×400MW 级(F 级改进型)燃气热电冷联产机组,机岛采用按东方电气股份有限公司的M701F4型燃气轮机,余热锅炉采用东方日立锅炉有限公司的三压、再热、自然循环、无补燃、卧式余热锅炉。
工程按“一拖一”多轴布置机组,每套“一拖一”机组包括1台燃气轮机发电机组和1台蒸汽轮发电机组。
燃气轮机发电机为全氢冷冷却发电机,额定输出336.6MW,出口电压16kV,额定功率因素0.85;蒸汽轮机发电机为空冷发电机,额定输出150MW,出口电压15.75kV,额定功率因素0.85。
电厂以220kV 一级电压接入系统,出线2回,接入220kV 变电站,新建线路截面按2×630mm 2考虑,电厂至变电站新建线路约为2×13km。
2方案论证2.1燃机发电机出口燃机发电机引出线到主变低压侧、厂高变高压侧均采用全链式离相封闭母线。
发电机与主变压器之间装设断路器和隔离开关,厂用分支不装设断路器和隔离开关,在汽机主封母上T 接励磁分支封母至励磁变压器和发电机出口电压互感器及避雷器柜。
电厂的运行主要分三个阶段:1)调试和维护;2)同期和正常运行;3)非正常运行。
下表就燃机发电机出口GCB 在电厂的运行、维护的作用以表的形式做一下分析。
表1通过以上的分析,表明装设了GCB,在机组正常起停时,及在发电机、汽机、燃机发生故障引起跳机时,不需要进行厂用电源的切换操作,提高了厂用电的可靠性。
装设GCB 除了减少厂用电切换操作外,还有以下优越性:1)主变或高厂变内部故障时,迅速跳开发电机侧断路器和高压侧断路器,切断供电电源,对保护主变和高压厂变有利。
如果不装设GCB,由于发电机励磁电流的衰减要经过一定的时间,只切开高压系统供电电源,发电机仍继续向故障点供电,从而扩大了主变或厂高变的损坏程度,国内外已有报道该种故障引致严重损坏主变压器的事例;2)采用了GCB,不仅实现了发电机,变压器有选择的保护跳闸,简化了保护接线,而且多数保护无需动作高压断路器,从而避免了厂用电源的失去,这对于一些瞬时性故障特别是来自于锅炉、汽机的热工误发信号的排除,尽快恢复机组的运行和避免因误操作而导致损失非常有益。
