GCB在620MW超臨界燃煤機(jī)組中的應(yīng)用分析

檀 煒

（中電電力檢修工程有限公司，上海 200086）

0 引言

越南永新燃煤電廠(chǎng)一期BOT 項(xiàng)目是由中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司、中國(guó)電力國(guó)際有限公司、越煤電力總公司共同投資建設(shè)，越南永新一期電力有限公司負(fù)責(zé)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)工作，該項(xiàng)目是中國(guó)在越南投資建設(shè)的第一個(gè)大型BOT 電源項(xiàng)目。項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模為兩臺(tái)620MW 等級(jí)超臨界燃煤機(jī)組，采用“W”火焰鍋爐，海水直流冷卻凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組，配套海水淡化、煙氣脫硝、海水脫硫、卸煤碼頭等設(shè)施，通過(guò)500kV 架空線(xiàn)路向越南電網(wǎng)供電。兩臺(tái)機(jī)組三大主機(jī)由中國(guó)東方電氣公司制造，主變壓器、高壓廠(chǎng)用變壓器、啟動(dòng)/備用變壓器均為中國(guó)天威保變制造。

圖1 電氣主接線(xiàn)部分原理框圖Fig.1 Block diagram of the electrical main wiring part

本項(xiàng)目?jī)膳_(tái)發(fā)電機(jī)出口與主變之間設(shè)計(jì)安裝有發(fā)電機(jī)斷路器GCB（Generator Circuit Breakers）控制系統(tǒng)。本文結(jié)合越南電網(wǎng)運(yùn)行現(xiàn)狀，廠(chǎng)用電設(shè)計(jì)和負(fù)荷優(yōu)化分配等特點(diǎn)分析GCB 系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)、運(yùn)行規(guī)律、邏輯保護(hù)和應(yīng)用實(shí)踐等。發(fā)電機(jī)斷路器系統(tǒng)采用ABB 公司生產(chǎn)的HECS-130XXLP，并同步配置發(fā)電機(jī)斷路器監(jiān)控系統(tǒng)GMS600-G/GT。

1 電氣主接線(xiàn)部分原理框圖

圖1 為電氣主接線(xiàn)部分原理框圖，圖中上方虛線(xiàn)框中的500kV 變電站歸屬越南國(guó)家電力公司管轄，其所有權(quán)、使用權(quán)、操作權(quán)和設(shè)備維護(hù)均屬于該公司所有，電廠(chǎng)調(diào)度指令由越南國(guó)家電力系統(tǒng)調(diào)度中心下發(fā)。發(fā)電機(jī)和主變之間設(shè)計(jì)配置有GCB 系統(tǒng)，主變出口線(xiàn)路通過(guò)變電站兩條500kv 母線(xiàn)接入越南電網(wǎng)。

2 配置GCB系統(tǒng)必要性和可靠性分析

根據(jù)中國(guó)最新版的《火力發(fā)電廠(chǎng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定：“技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理時(shí)，容量為600MW 機(jī)組的發(fā)電機(jī)出口可裝設(shè)發(fā)電機(jī)出口斷路器或負(fù)荷開(kāi)關(guān)”[1]。事實(shí)上，近年來(lái)GCB 系統(tǒng)不僅應(yīng)用在火力發(fā)電機(jī)組，在核電站、水電站及抽水蓄能電站也得到了廣泛的應(yīng)用。由于肩負(fù)著保護(hù)發(fā)電機(jī)組、主變壓器和其他重要電氣設(shè)備的重要功能，因而GCB 系統(tǒng)在技術(shù)上存在著以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1）以電網(wǎng)輸入端為無(wú)窮大系統(tǒng)，則當(dāng)發(fā)電機(jī)出口斷路器在開(kāi)斷系統(tǒng)短路故障時(shí)，要求具有更高的恢復(fù)電壓上升率。以額定電壓12 kV，短路電流40 kA 的工況為例，國(guó)家相關(guān)規(guī)定要求的GCB 恢復(fù)電壓上升率高達(dá)4 kV/μs，而普通斷路器的要求恢復(fù)電壓上升率僅為0.34 kV/μs，可見(jiàn)發(fā)電機(jī)出口斷路器必須具備極高的介質(zhì)恢復(fù)速度。

2）與輸變電線(xiàn)路相比，發(fā)電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間常數(shù)更長(zhǎng)（150/45 ms），所以發(fā)電機(jī)在斷開(kāi)短路電流時(shí)的衰減過(guò)程遠(yuǎn)長(zhǎng)于普通輸變電線(xiàn)路。所以在分閘周期相同的前提下，發(fā)電機(jī)出口斷路器將面臨擁有更高直流分量的非對(duì)稱(chēng)短路電流。以分閘時(shí)間為工頻兩周波計(jì)，發(fā)電機(jī)出口斷路器需要開(kāi)斷的直流分量占到非對(duì)稱(chēng)短路電流的76%～79% ，相比之下，普通斷路器需要開(kāi)斷的直流分量?jī)H占非對(duì)稱(chēng)短路電流的30%～34%。同時(shí)，為確保發(fā)電機(jī)出口斷路器在開(kāi)斷短路電流時(shí)的絕緣性能，其耐受電壓峰值限定為額定短路開(kāi)斷電流有效值的2.74 倍，大于普通斷路器的2.5 倍?？梢?jiàn)，發(fā)電機(jī)出口斷路器比同等級(jí)的普通斷路器擁有更高的絕緣水平。

3）由于發(fā)電機(jī)短路阻抗的固有特點(diǎn)，當(dāng)發(fā)電機(jī)本體發(fā)生短路時(shí)，其短路電流一般遠(yuǎn)低于系統(tǒng)短路時(shí)的短路電流，而由于其容量遠(yuǎn)小于系統(tǒng)，往往會(huì)在數(shù)個(gè)工頻周波時(shí)間內(nèi)均未出現(xiàn)電流零點(diǎn)的情況，從而錯(cuò)過(guò)最佳滅弧時(shí)機(jī)，加大了分?jǐn)喽搪冯娏鞯碾y度。可見(jiàn)，發(fā)電機(jī)出口斷路器必須承受更長(zhǎng)的滅弧時(shí)間或者能夠使電流迅速過(guò)零的強(qiáng)制功能。

國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)的火力發(fā)電機(jī)組，其發(fā)電廠(chǎng)側(cè)變電站均屬于電站管轄范圍，變電站中所屬設(shè)備的操作和維護(hù)都?xì)w屬發(fā)電廠(chǎng)。因此，較少考慮設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)出口斷路器，機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行和解列操作均通過(guò)變電站中的斷路器自動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)組并網(wǎng)和解列。而越南永新一期兩臺(tái)機(jī)組變電站屬于越南國(guó)家電力系統(tǒng)調(diào)度中心管轄，其操作權(quán)受控于電網(wǎng)。根據(jù)越南電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行方式和電網(wǎng)容量及構(gòu)架，該BOT 項(xiàng)目?jī)膳_(tái)發(fā)電機(jī)組均設(shè)計(jì)有GCB 控制系統(tǒng)。

通過(guò)對(duì)帶發(fā)電機(jī)出口斷路器與不帶發(fā)電機(jī)出口斷路器的接線(xiàn)方式進(jìn)行分析研究，設(shè)計(jì)、安裝發(fā)電機(jī)出口斷路器（GCB）主要基于以下功能優(yōu)勢(shì)：

a）機(jī)組啟動(dòng)前，機(jī)組啟停電源可經(jīng)過(guò)主變倒送至廠(chǎng)用變作為啟動(dòng)電源，啟動(dòng)備用變壓器所引入的電源作為熱備用電源，保證了機(jī)組啟動(dòng)時(shí)的廠(chǎng)用電源的可靠性。機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，不需要由啟動(dòng)變壓器引進(jìn)市電，僅需斷開(kāi)GCB，使廠(chǎng)用電受電，不需切換廠(chǎng)用電，規(guī)避了廠(chǎng)用電切換不成功風(fēng)險(xiǎn)，提高廠(chǎng)用電可靠性。電氣主回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝有GCB 系統(tǒng)，如電網(wǎng)設(shè)計(jì)容量及運(yùn)行可靠性足夠高，且主變配置安全可靠，從投資運(yùn)營(yíng)和設(shè)備運(yùn)行角度也可考慮取消啟動(dòng)備用變壓器的設(shè)計(jì)和配置。

b）機(jī)組正常啟/停時(shí)，由GCB 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)并網(wǎng)、解列功能，主變一直保持在網(wǎng)運(yùn)行，廠(chǎng)用電也無(wú)需切換，減少變電站設(shè)備的操作，提高廠(chǎng)用電的安全性。機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，在GCB 入口側(cè)以?xún)?nèi)發(fā)生故障（如發(fā)電機(jī)、汽機(jī)、鍋爐等故障）時(shí)只需跳開(kāi)GCB 而無(wú)需跳主變壓器高壓側(cè)500kV 斷路器，減少了在沒(méi)有GCB 系統(tǒng)時(shí)廠(chǎng)用電切換的操作及電網(wǎng)側(cè)的相關(guān)設(shè)備的操作，降低了故障時(shí)運(yùn)行操作難度，且對(duì)電網(wǎng)影響較小，提高了電力系統(tǒng)的可靠性，降低由于廠(chǎng)用電切換故障造成全廠(chǎng)停電事故的機(jī)率。

c）設(shè)計(jì)配置GCB 系統(tǒng)有利于保護(hù)主變壓器、高壓廠(chǎng)用工作變壓器。在發(fā)生操作故障或系統(tǒng)振蕩時(shí)，或者主變壓器、高壓廠(chǎng)用工作變壓器發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)，由于發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流衰減存在一定的時(shí)延，在發(fā)變組保護(hù)動(dòng)作切除主變高壓側(cè)開(kāi)關(guān)后，發(fā)電機(jī)在勵(lì)磁電流衰減階段仍向故障點(diǎn)供電。GCB 開(kāi)斷時(shí)間相對(duì)發(fā)電機(jī)滅磁的時(shí)間（數(shù)秒）要快得多，GCB 能快速斷開(kāi)發(fā)電機(jī)與主變之間的主回路，大大減輕故障電流對(duì)變壓器的危害，且不用切換廠(chǎng)用電，而使主變壓器和高廠(chǎng)變受到更好的保護(hù)。

d）設(shè)計(jì)配置GCB 有利于保護(hù)發(fā)電機(jī)。在發(fā)電機(jī)出口發(fā)生非對(duì)稱(chēng)短路、高壓開(kāi)關(guān)的非全相操作及承受不平衡負(fù)荷時(shí)，避免或減少對(duì)發(fā)電機(jī)的危害。對(duì)于發(fā)電機(jī)變壓器組接線(xiàn)，其高壓開(kāi)關(guān)由于額定電壓較高（500kV），敞開(kāi)式開(kāi)關(guān)相間距離較大，不能做成三相機(jī)械連動(dòng)，高壓開(kāi)關(guān)的非全相工況即使在正常操作時(shí)也時(shí)有發(fā)生，高壓開(kāi)關(guān)的非全相運(yùn)行會(huì)在發(fā)電機(jī)定子上產(chǎn)生負(fù)序電流，而發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子承受負(fù)序磁場(chǎng)的能力是非常有限的，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子損壞。而發(fā)電機(jī)出口斷路器在設(shè)計(jì)和制造中都充分考慮了三相機(jī)械連動(dòng)，有效防止了非全相操作的發(fā)生。

e）越南500kV 電網(wǎng)容量相對(duì)較小且旋轉(zhuǎn)備用容量也很有限，受大容量發(fā)電機(jī)組的影響比較明顯，尤其在機(jī)組基建調(diào)試階段需要做各類(lèi)機(jī)組性能試驗(yàn)，涉及到出線(xiàn)斷路器多次的跳、合閘試驗(yàn)時(shí)，對(duì)電網(wǎng)影響較大。加裝GCB 后，相關(guān)試驗(yàn)操作對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)影響較小。

3 GCB系統(tǒng)構(gòu)建及邏輯功能分析

3.1 GCB控制系統(tǒng)組成

本項(xiàng)目GCB 控制系統(tǒng)是由瑞士ABB 有限責(zé)任公司生產(chǎn)的HECS-130XXLP 型SF6氣體絕緣的金屬封閉開(kāi)關(guān)和發(fā)電機(jī)斷路器監(jiān)控系統(tǒng)GMS600-G/GT 組成。GCB 控制系統(tǒng)主要由斷路器本體、隔離開(kāi)關(guān)、接地開(kāi)關(guān)、避雷器、電壓/電流互感器、電容器和控制柜組成?，F(xiàn)場(chǎng)控制柜由上下兩層組成，上層主要有操作面板、二次接線(xiàn)端子、二次回路、小空氣開(kāi)關(guān)、繼電器和保險(xiǎn)等，下層有斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地開(kāi)關(guān)的操作機(jī)構(gòu)及電氣聯(lián)鎖裝置。GCB 監(jiān)控系統(tǒng)GMS600-G/GT 主要從GCB 系統(tǒng)和本地人機(jī)接口接受輸入信號(hào)，并向GCB 系統(tǒng)和DCS 系統(tǒng)輸出相關(guān)信號(hào)，用于邏輯判斷分析、數(shù)據(jù)處理和執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制等功能。

操作機(jī)構(gòu)為液壓彈簧儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)，三相聯(lián)動(dòng)，額定操作電壓為DC110V，設(shè)置遠(yuǎn)方和就地操作兩種方式。每個(gè)GCB 配備兩個(gè)單獨(dú)的跳閘線(xiàn)圈和必要的壓力開(kāi)關(guān)，用于主保護(hù)和后備保護(hù)，跳閘線(xiàn)圈分別由各自獨(dú)立的電源供電。操作機(jī)構(gòu)具有防誤跳功能，在氣體壓力過(guò)低時(shí)，操作機(jī)構(gòu)能避免GCB 的慢合和慢分功能。液壓報(bào)警裝置在壓力達(dá)到高限和低限時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，且壓力達(dá)到最低限值時(shí)閉鎖動(dòng)作操作機(jī)構(gòu)。

GCB 采用三相合一的SF6氣體滅弧系統(tǒng)，配置有排氣閥、充氣閥、可調(diào)節(jié)的壓力指示器、壓力釋放閥、氣體濃度（密度）監(jiān)測(cè)裝置和輔助繼電器等，具備報(bào)警、聯(lián)鎖和控制功能。

GCB 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖如圖2 所示[2]，GCB 監(jiān)控系統(tǒng)GMS600-G/GT 面板示意如圖3 所示[2]，GCB 系統(tǒng)主回路結(jié)構(gòu)如圖4 所示[2]。

3.2 GCB控制邏輯分析

3.2.1 斷路器Q0合閘控制邏輯[4]

Q0 合閘方式有遠(yuǎn)程自動(dòng)控制和就地手動(dòng)控制兩種控制方式，合閘的前提條件是GCB 就地設(shè)備可用，主要條件包括：液壓儲(chǔ)能驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)正常，SF6壓力及密度正常，Q0 在斷開(kāi)位置。斷路器Q0 合閘控制邏輯如圖5 所示。

圖4 GCB系統(tǒng)主回路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.4 Schematic diagram of the main loop structure of the GCB system

遠(yuǎn)程自動(dòng)控制邏輯條件：接地開(kāi)關(guān)Q81/Q82 在斷開(kāi)位；隔離開(kāi)關(guān)Q9 在閉合位；就地切換按鈕S2 在遠(yuǎn)控位（REMOTE MODE）；遠(yuǎn)控合閘指令信號(hào)（發(fā)變組同期并網(wǎng)合閘等信號(hào)）發(fā)出。

就地手動(dòng)控制邏輯條件：隔離開(kāi)關(guān)Q9 在斷開(kāi)位；就地切換按鈕S2 在就地位（LOCAL MODE）；按下就地啟動(dòng)按鈕SH11（LOCAL CMD CLOSE）。就地手動(dòng)操作斷路器Q0主要是在機(jī)組停運(yùn)時(shí)驗(yàn)證和試驗(yàn)Q0 的功能、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和相關(guān)報(bào)警信號(hào)的正確性。

3.2.2 斷路器Q0跳閘控制邏輯[4]

斷路器Q0 跳閘控制有兩種聯(lián)鎖跳閘信號(hào)，TRIP1 信號(hào)主要包括：發(fā)變組保護(hù)A 屏跳閘信號(hào)（2 路）；集控室操作臺(tái)上緊急停機(jī)按鈕（兩個(gè)按鈕同時(shí)觸發(fā)）；DCS 遠(yuǎn)方聯(lián)鎖跳閘信號(hào)；就地?cái)嚅_(kāi)操作指令。TRIP2 信號(hào)主要包括：發(fā)變組保護(hù)B 屏跳閘信號(hào)（2 路）；集控室操作臺(tái)上緊急停機(jī)按鈕（兩個(gè)按鈕同時(shí)觸發(fā)）。斷路器Q0 跳閘控制邏輯如圖6所示。

3.2.3 隔離開(kāi)關(guān)Q9合閘/分閘控制邏輯[4]

隔離開(kāi)關(guān)Q9 合閘的前提條件是：Q0/Q9/Q81/Q82 均在斷開(kāi)位且執(zhí)行機(jī)構(gòu)在馬達(dá)控制方式（Q9 不在機(jī)械操作方式）。隔離開(kāi)關(guān)Q9 合閘控制信號(hào)包括：遠(yuǎn)控方式下DCS 合閘指令；就地手動(dòng)合閘指令；584-76 合閘閉鎖；6.6KV 開(kāi)關(guān)接地手車(chē)閉鎖（A/B/C 三段母線(xiàn)）。

隔離開(kāi)關(guān)Q9 分閘的前提條件是：Q0 在斷開(kāi)位和Q9 在合閘位，且執(zhí)行機(jī)構(gòu)在馬達(dá)控制方式（Q9 不在機(jī)械操作方式）。隔離開(kāi)關(guān)Q9 分閘控制信號(hào)包括：遠(yuǎn)控方式下DCS 分閘指令；就地手動(dòng)分閘指令。

隔離開(kāi)關(guān)Q9 合閘和分閘控制邏輯如圖7 所示。

3.2.4 接地開(kāi)關(guān)Q81控制邏輯[4]

圖5 斷路器Q0合閘控制邏輯Fig.5 Circuit breaker Q0 closing control logic

圖6 斷路器Q0跳閘控制邏輯Fig.6 Circuit breaker Q0 trip control logic

圖7 隔離開(kāi)關(guān)Q9合閘/分閘控制邏輯Fig.7 Isolation switch Q9 closing/opening control logic

接地開(kāi)關(guān)Q81 是安裝在發(fā)電機(jī)側(cè)的接地開(kāi)關(guān)，通過(guò)接通接地開(kāi)關(guān)，外罩內(nèi)的所有或部分帶電零件都得以可靠接地，能夠始終確保斷開(kāi)開(kāi)關(guān)位置所需的絕緣水平，接地開(kāi)關(guān)還能短時(shí)承載由發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的短路電流。接地開(kāi)關(guān)僅在空載條件下執(zhí)行接通和斷開(kāi)操作。接地開(kāi)關(guān)Q81 控制邏輯如圖8 所示。

圖8 接地開(kāi)關(guān)Q81控制邏輯Fig.8 Grounding switch Q81 control logic

3.2.5 接地開(kāi)關(guān)Q82控制邏輯[4]

接地開(kāi)關(guān)Q82 是安裝在變壓器側(cè)的接地開(kāi)關(guān)，通過(guò)接通接地開(kāi)關(guān)，外罩內(nèi)的所有或部分帶電零件都得以可靠接地，能夠始終確保斷開(kāi)開(kāi)關(guān)位置所需的絕緣水平，接地開(kāi)關(guān)還能短時(shí)承載由變壓器產(chǎn)生的短路電流。接地開(kāi)關(guān)僅在空載條件下執(zhí)行接通和斷開(kāi)操作。接地開(kāi)關(guān)Q82 控制邏輯如圖9 所示。

圖9 接地開(kāi)關(guān)Q82控制邏輯Fig.9 Grounding switch Q82 control logic

4 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)組設(shè)置GCB 控制系統(tǒng)，特別是對(duì)來(lái)自于鍋爐、汽機(jī)的熱工或電氣誤動(dòng)跳閘信號(hào)，盡快恢復(fù)機(jī)組運(yùn)行和避免誤操作導(dǎo)致的事故是非常有利的。發(fā)電機(jī)出口裝設(shè)GCB 系統(tǒng)使發(fā)變組保護(hù)的配置簡(jiǎn)單清晰，并減少了電網(wǎng)保護(hù)動(dòng)作的聯(lián)鎖復(fù)雜性。機(jī)組正常啟動(dòng)或停機(jī)時(shí)，廠(chǎng)用電源均由電網(wǎng)系統(tǒng)通過(guò)主變壓器供給，而無(wú)需廠(chǎng)用電源的切換。機(jī)組并網(wǎng)或停機(jī)只需通過(guò)GCB 就可完成，縮短了機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的電沖擊和機(jī)械沖擊也大大減少了。

簡(jiǎn)化了同期操作順序，采用高壓斷路器（500kV）進(jìn)行并網(wǎng)操作的同時(shí)，斷路器將會(huì)承受電壓應(yīng)力，在外部絕緣受到污染情況下，這些電壓應(yīng)力可能造成斷路器外部絕緣的閃絡(luò)。當(dāng)同期操作在發(fā)電機(jī)出口電壓等級(jí)（2.2kV）進(jìn)行時(shí)，對(duì)斷路器的電壓應(yīng)力便會(huì)消失。利用GCB 進(jìn)行同期操作，比較的是GCB 兩側(cè)的同級(jí)電壓，使得同期操作簡(jiǎn)便可靠；另外由于GCB 系統(tǒng)安裝在室內(nèi)，環(huán)境條件比較好，絕緣裕度寬，將保證同期操作的更加可靠。