發(fā)電機(jī)出口斷路器及起備電源引接方式研究

段芃

摘要：1000MW級大型機(jī)組發(fā)電機(jī)出口斷路器的設(shè)置及起動/備用電源的引接對電廠的安全運行十分重要，且二者的關(guān)系十分密切，本文結(jié)合本工程一期起動/備用電源引接方案，分析了出口斷路器的設(shè)置及起動/備用變壓器高壓側(cè)電源引接的方案。

關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī)出口斷路器；起動/備用電源

1.前言

華電萊州發(fā)電有限公司二期2×1000MW級超超臨界火電機(jī)組工程，電廠規(guī)劃8×1000MW超超臨界火電機(jī)組；一期工程2×1000MW超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組已建成投產(chǎn)，本期工程擴(kuò)建2×1000MW級超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，同步建設(shè)煙氣脫硫、脫硝裝置。

萊州電廠一期工程2×1000MW機(jī)組通過雙卷變壓器接入電廠的500kV配電裝置，廠內(nèi)500kV電氣主接線采用雙母線接線，一期工程2×1000MW機(jī)組發(fā)電機(jī)出口未設(shè)斷路器，起備電源從廠內(nèi)500kV引接；二期擴(kuò)建2×1000MW機(jī)組通過雙卷變壓器接入電廠的500kV配電裝置，本期500kV配電裝置在一期500kV配電裝置的基礎(chǔ)上擴(kuò)建，新擴(kuò)建的500kV配電裝置與一期工程500kV配電裝置通過母線分?jǐn)嘞嗷ミB接。

考慮到一期工程，2×1000MW機(jī)組未設(shè)置發(fā)電機(jī)出口斷路器，且起動/備用電源的引自500kV配電裝置，兩臺機(jī)設(shè)置了一臺85/53-53MVA的分裂變壓器，每臺機(jī)設(shè)置了兩臺容量為53MVA的雙卷變壓器，為單元負(fù)荷及公用負(fù)荷供電。經(jīng)了解一期工程實際運行情況起動/備用電源容量尚有部分裕量。為此，本期起動/備用電源，結(jié)合發(fā)電機(jī)出口斷路器的配置，考慮如下兩個方案：

方案一：（不設(shè)GCB， 起動/備用電源由500kV引接）：每臺發(fā)電機(jī)出口不設(shè)斷路器（GCB），本期兩臺機(jī)組設(shè)一臺起動/備用分裂變，其容量與廠用工作變壓器相同，高壓側(cè)電源由廠內(nèi)500kV配電裝置引接，一級降壓至10kV廠用母線。（基建部建議：在方案一的基礎(chǔ)上二期啟動/備用變壓器與一期啟動/備用變壓器低壓側(cè)通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)互聯(lián)。）

方案二：（設(shè)GCB， 事故停機(jī)電源從一期啟動/備用變壓器引接）：每臺發(fā)電機(jī)出口設(shè)斷路器（GCB），本期不設(shè)備用電源，僅由一期啟動/備用變壓器引接停機(jī)電源。

2.發(fā)電機(jī)出口裝設(shè)斷路器的技術(shù)比較

2.1 裝設(shè)發(fā)電機(jī)出口斷路器的優(yōu)越性

發(fā)電廠裝設(shè)GCB的主要作用是在于簡運行操作程序，減小發(fā)電機(jī)和變壓器的事故范圍，簡化廠用電切換合同期操作，提高其可靠性，方便調(diào)試和維護(hù)。

2.1.1 GCB對發(fā)電機(jī)的保護(hù)作用

在發(fā)電機(jī)承受不平衡負(fù)荷或發(fā)電機(jī)出口發(fā)生不對稱短路時，會在轉(zhuǎn)子本體表面感應(yīng)出兩倍工頻渦流，引起轉(zhuǎn)子繞組過熱。同時，兩倍工頻的交變電磁轉(zhuǎn)矩使機(jī)組產(chǎn)生倍頻振動，引起金屬疲勞和機(jī)械損傷。附加發(fā)熱和倍頻振動都會嚴(yán)重威脅發(fā)電機(jī)的安全運行，GCB可以迅速切除故障，使發(fā)電機(jī)免遭損壞。當(dāng)故障或異常情況消除后，允許發(fā)電機(jī)快速與系統(tǒng)并列運行。

2.1.2 提高機(jī)組保護(hù)的選擇性

當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)生內(nèi)部故障或汽機(jī)、鍋爐發(fā)生故障引起跳機(jī)時，GCB可迅速跳閘，使發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)隔離，而不必連主變壓器一并切除，廠用電源仍可由系統(tǒng)通過主變壓器倒送，從而避免了廠用電系統(tǒng)的事故切換，提高了廠用電系統(tǒng)的可靠性，且為迅速處理故障創(chuàng)造了條件。

2.1.3避免機(jī)組啟、停時廠用電源的切換，提高廠用電系統(tǒng)的可靠性

發(fā)電機(jī)出口裝設(shè)GCB后，發(fā)電機(jī)組的起停電源是經(jīng)主變壓器倒送通過高壓廠用變壓器獲得，從機(jī)組啟動到發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電，整個過程都無需進(jìn)行廠用電切換。正常運行時，只有在廠變故障情況下才需要廠用電切換，且調(diào)查資料顯示，采用GCB可以使廠用電切換減少至約1/350，對電動機(jī)頻繁起動造成的危害有較好的保護(hù)作用，可大大提高廠用電系統(tǒng)的可靠性，這一點極為有利于現(xiàn)場的運行。

2.1.4機(jī)組在同期或并網(wǎng)過程中的作用

利用GCB同期，不但可以保證同期操作的靈活、可靠，而且可以避免在主變高壓側(cè)同期待并時可能出現(xiàn)兩側(cè)電壓反相而對設(shè)備絕緣造成嚴(yán)重的損傷；機(jī)組在并網(wǎng)或停機(jī)時只需通過GCB就可完成，不影響對廠用電系統(tǒng)的供電，可有效地縮短機(jī)組的啟動時間，操作元件的相應(yīng)減少也降低了誤操作的幾率。

2.1.5方便機(jī)組的試驗、調(diào)試和維護(hù)

GCB將發(fā)電機(jī)—變壓器組分為發(fā)電機(jī)和變壓器兩部分，由于這種電氣分離由GCB實現(xiàn)，不同的系統(tǒng)可分開進(jìn)行測試；廠用電由主變壓器供電時，發(fā)電機(jī)可在欠勵磁條件下進(jìn)行測試；另外，發(fā)電機(jī)的短路試驗也可方便地利用GCB所帶的短路隔離開關(guān)來實現(xiàn)。GCB實現(xiàn)的這種實體隔離為發(fā)電機(jī)、變壓器的調(diào)試和維護(hù)提供了更大的便利。

2.1.6 改善大容量電機(jī)的啟動條件

發(fā)電機(jī)出口裝設(shè)GCB后，主變壓器采用有載調(diào)壓變壓器，可以根據(jù)廠用高壓母線的電壓的實際情況調(diào)整母線電壓，確保在大容量高壓電機(jī)啟動時，避免母線電壓下降到要求值以下。

除了上述主要作用外，發(fā)電機(jī)出口裝設(shè)GCB還可以使廠用起動/備用系統(tǒng)簡化，便于布置，縮短故障切除時間等優(yōu)點。

2.2 發(fā)電機(jī)出口裝設(shè)GCB后存在的問題

2.2.1 故障點問題

發(fā)電機(jī)出口不裝設(shè)GCB的機(jī)組發(fā)電機(jī)到主變之間只有封閉母線，安全性較高；發(fā)電機(jī)與主變之間串接GCB后，發(fā)電機(jī)變壓器回路的可靠性要比無GCB時下降，GCB故障或檢修時將影響整個機(jī)組的運行，具有一定的風(fēng)險和不經(jīng)濟(jì)性。

2.2.2變壓器有載調(diào)壓問題

主變壓器既要滿足倒送廠用起動、停機(jī)電源的要求，又需有升壓變壓器的功能，兩種不同情況時主變壓器高壓側(cè)母線的電壓波動較大，為了保證廠用電動機(jī)起動時高壓廠用母線的電壓水平，主變壓器或高壓廠用變壓器需采用有載調(diào)壓型，有載調(diào)壓開關(guān)本身結(jié)構(gòu)較無載調(diào)壓開關(guān)復(fù)雜，投資較大，而且頻繁操作有可能發(fā)生故障，因此采用有載調(diào)壓開關(guān)既增加了投資，也降低了可靠性，對機(jī)組的安全可靠運行帶來一定的不利影響。

2.2.3 GCB價格及運行維護(hù)的問題

發(fā)電機(jī)出口斷路器GCB本身投資較大，而且必須是進(jìn)口，采購周期較長，由于進(jìn)口采購，其備品備件的采購也不是非常方便，有可能因備品備件采購的不及時影響到整個機(jī)組的運行。另外由于高廠變或主變需要采用有載調(diào)壓開關(guān)，也將增加投資。

2.2.4 結(jié)論

通過以上技術(shù)分析比較，發(fā)電機(jī)出口裝設(shè)GCB優(yōu)于不裝設(shè)GCB，可以簡化廠用電切換操作程序，提高發(fā)電機(jī)及主變、高壓廠用變壓器的保護(hù)水平，簡化同期操作，便于檢修、調(diào)試，縮短故障恢復(fù)時間，提高機(jī)組可用率，節(jié)省高壓備用變壓器在熱備用方式下的空載電能損耗。但初投資較高，GCB設(shè)備為全套進(jìn)口設(shè)備，設(shè)備維護(hù)技術(shù)門檻較高、備品備件采購不便。

下面將結(jié)合起動/備用電源的引接方案進(jìn)行綜合的分析比較。

3.起動/備用電源的引接方式

3.1技術(shù)分析

3.1.1起/備電源可靠性比較

起/備電源采用500kV引接時，本期500kV升壓站擴(kuò)建后，形成雙母線雙分?jǐn)嘟泳€且增加一回出線，升壓站的可靠性較高，故起/備電源的可靠性也將提高。

3.1.2起/備變可靠性

500kV/10kV-10kV起動/備用變壓器， 目前此種變壓器的運行業(yè)績也較多，變壓器的可靠性也能較好滿足要求。

3.1.3發(fā)電機(jī)出口設(shè)GCB，對起/備變可靠性的要求

發(fā)電機(jī)出口不設(shè)GCB時，起/備變不僅作為起動和停機(jī)的電源，而且還作為工作變壓器事故或檢修狀態(tài)下的備用，因此對起/備變的可靠性要求高。當(dāng)發(fā)電機(jī)出口設(shè)GCB時，機(jī)組正常起動時的電源可從500kV通過主變倒送過來。起/備變的功能作為機(jī)組的事故停機(jī)電源和高廠變的檢修備用，因而對備用變壓器的可靠性要求可適當(dāng)降低。

3.2 方案比較分析

方案一：采用和一期工程同樣的配置，即不設(shè)發(fā)電機(jī)出口斷路器，起備電源由廠內(nèi)500kV母線引接。

（1）此方案接線簡單清晰，一二期廠用電之間無相互電氣聯(lián)系，各自系統(tǒng)互相獨立，不會產(chǎn)生相互影響 ，可靠性高。

5. 結(jié)論

方案一：不設(shè)GCB， 起動/備用電源由500kV引接的優(yōu)缺點如下：

優(yōu)點：（1）發(fā)電機(jī)出口不裝設(shè)GCB的機(jī)組發(fā)電機(jī)到主變之間只有封閉母線，安全性較高；接線簡單可靠，且與一期系統(tǒng)保持一致；

（2）一二期啟動/備用變壓器之間增加聯(lián)絡(luò)后能增加機(jī)組備用電源的可靠性；

（3）初始投資較少，節(jié)省的投資在收益率上完全能覆蓋啟動/備用變壓器的空載損耗和維護(hù)成本。

缺點：（1）在啟、停機(jī)時廠用電源切換頻繁；

（2）一期啟動/備用變壓器繼電保護(hù)裝置需要改造。

方案二：設(shè)GCB，事故停機(jī)電源從一期啟動/備用變壓器引接的優(yōu)缺點如下：

優(yōu)點：（1）減化操作程序，提高供電可靠性；只有在極特殊的情況下， 即主變或高壓廠用變故障時需進(jìn)行廠用電電源切換， 事故恢復(fù)快，提高廠用電供電的可靠性；

（2）簡化發(fā)電機(jī)的同期回路；對保護(hù)主變壓器、高壓廠用工作變壓器有利；

（3）縮小繼電保護(hù)分區(qū)，提高保護(hù)的動作選擇性和故障分辨能力， 簡化保護(hù)接線等。

缺點：（1）發(fā)電機(jī)與主變之間串接GCB后，發(fā)電機(jī)變壓器回路的可靠性要比無GCB時下降，GCB故障或檢修時將影響整個機(jī)組的運行，具有一定的風(fēng)險和不經(jīng)濟(jì)性。

（2）設(shè)備的一次性投資較方案一高1580萬元，不安裝啟動/備用變壓器所帶來的經(jīng)濟(jì)效益并不明顯，不能覆蓋設(shè)備前期的一次性投資。

（3）一期啟動/備用變壓器繼電保護(hù)裝置需要改造。

（4）有突破規(guī)程《火力發(fā)電廠設(shè)計技術(shù)規(guī)程》、《大中型火力發(fā)電廠設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定之處。

綜合考慮兩種方案的優(yōu)缺點及電廠30年的運行成本的經(jīng)濟(jì)性及維護(hù)工作量，本階段推薦采用方案一（不設(shè)發(fā)電機(jī)出口斷路器，起備電源由廠內(nèi)500kV母線引接）。

參考文獻(xiàn)：

[1]《電力變壓器選用導(dǎo)則》GB17468

[2]《大中型火力發(fā)電廠設(shè)計規(guī)范》GB50660-2011