大型機組發電機斷路器配置分析

周道軍

（神華國華太倉發電有限公司，江蘇 太倉　215433）

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大型機組發電機斷路器配置分析

周道軍

（神華國華太倉發電有限公司，江蘇 太倉215433）

摘要自從廠網分開后，發電廠起動/備用電源若由鄰近的變電站引接，除了要承擔發電廠輸電線路基建設備投資外，運行以后還要向電網公司長期支付昂貴的變壓器基本電費，因此，各設計院和發電廠對新建項目工程反復優化設計方案，努力提高機組投產后的上網競價能力。本文通過經濟、技術和安全幾個方面的比較與分析，對是否配置發電機出口斷路器進行綜合論述，得出發電機出口斷路器配置的幾點意見，可為建設全壽命周期內效益最大化高效電廠提供參考。

關鍵詞：配置；發電機斷路器；火力發電廠

目前在建的火力發電機組中，600MW及以上機組已成主流。自廠網分開后，電網開始對從廠外引接起動/備用電源的收取基本電費。因此，優化中、高壓電氣系統連接方式，對發電廠具有重要的經濟意義。

對于基本電費，電網公司有以下幾種不同的處理方式。

1）將發電廠視為大工業用戶，起動/備用電源從廠外引接時，要按月交納基本電費，當從本廠母線引接時，則不收取基本電費。

2）采用與廠網分開以前的做法，無論發電廠起動/備用電源從廠外還是從廠內引接時，均不收取基本電費。

3）無論發電廠起動/備用電源從廠外電力系統還是從廠內母線上引接時，均要收取基本電費[1]。

第1種處理方式是大部分省電力公司的做法，也是對發電廠廠用電接線設計影響最大的一種做法。

發電機斷路器（以下簡稱GCB）是發電機主回路的重要設備，在國外發電廠中已得到廣泛應用。近年來，GCB在國內的應用也逐步提升。如果能夠通過改進設計，優化廠用電一次系統接線，減少起動/備用變壓器的數量或降低容量，應能為發電廠節約大量運行費用。

1　GCB發展現狀

由于火力發電廠設計技術規程的制約，1999年前國內600MW汽輪發電機組中只有沙角C廠的3臺機組裝有GCB和部分前蘇聯進口機組采用GCB方案。

600MW以上大容量發電機組一般接入500kV系統，500kV高壓斷路器均為分相操作機構，容易發生非全相運行，一旦發生非全相運行，會嚴重威脅發電機安全。為此，2000年修訂的規程規定，在技術經濟合理時，容量為600MW機組的發電機出口可配置斷路器或負荷開關[2]。

GCB經歷了少油型、壓縮空氣型、真空型到SF6型幾個發展階段。短路開斷能力差的少油型和壓縮空氣型已經不能滿足形勢發展需要。

真空型因滅弧室處于真空狀態，無法對流散熱，觸頭的載流熱量是以熱傳導方式散熱，從散熱條件和觸頭抗熔焊的技術上看，每個真空滅弧室觸頭載流量很難超過5kA，故更適合在中小工作電流場所內使用[3]。

SF6氣體是理想的絕緣和滅弧介質。目前研發出的SF6型GCB可以在開關中以對流方式大量帶走觸頭導體載流能量，且隨著載流能量的增大，還可以采用強迫風冷等方式進行散熱，非常有利于向更大的載流量方向發展，其短路開斷電流達到200kA。

當前，在智能變電站的快速發展，已經研發出測量數字化、狀態可視化、信息互動化、控制網絡化、功能一體化的SF6型GCB成套設備[4]。

2　GCB配置安全性分析

2.1GCB配置主要影響因素

1）基本電費問題

變壓器基本電費劃分為按變壓器容量和實際最大需量收費兩種標準。各省電網公司收費標準和收取方式各不相同，一般收費標準為按變壓器容量12～20元/kVA/月，按最大需量20～30元/kW/月。無論按變壓器容量還是需量收取基本電費，都將嚴重影響到機組的競價上網能力。

2）外購電量電費問題

據統計，一臺1000MW機組平均每年需要外購電量約600萬kW·h。若按大工業用戶計費，由于工業電價與發電廠成本電價差額較大，這也將影響機組的經濟效益。

3）廠用電電源安全問題

由于大容量發電機組一般接入500kV等級，如果備用電源引自220kV變電站，當兩個電源系統電氣距離過大時，廠用電工作段與備用段電源相角差可能較大，在廠用電正常和事故切換時，會產生較大的暫態電流沖擊，對主變壓器、廠用變壓器壽命會產生累計影響。為保證變壓器的安全，廠用電切換閉鎖角就不能整定過大。并聯切換時，工作電源與備用電源相角差應不大于15°[5]，這樣，就可能出現電源切換不成功。

2.2GCB配置性能分析

1）提高廠用電供電可靠性

當發電機配置GCB后，正常運行時廠用電電源由發電機提供，其起動或停機時廠用電源通過主變壓器倒送至高壓廠用變壓器獲得，無論機組正常運行還是解列停機，整個過程無需進行廠用電切換。只有當廠用變壓器故障或檢修時才切換至備用變壓器供電，可以大大降低廠用電切換的次數及人為誤操作事故的發生，減少暫態電流對設備的沖擊次數，延長設備使用壽命。

當發電機故障跳閘時，特別是非電氣原因引起的跳閘，廠用電自動由主變壓器倒送電，可做到無擾動切換廠用電，各種廠用輔機不會因發電機跳閘而改變工作狀態，給事故處理提供極大的方便，并減少因廠用電失去使事故擴大和設備損壞的可能性，廠用電源可靠性大為提高，并為機組恢復正常運行取得時間。

2）提高保護水平

當主變壓器或高壓廠用變壓器內部故障時，絕緣閃絡形成的電弧使油分解后產生大量氣體，引起變壓器內部壓力升高，可能導致油箱破裂或爆炸。

變壓器內部故障電弧電流由系統和發電機共同提供。系統提供的電弧電流由裝在主變壓器高壓側斷路器切斷，當高壓斷路器把系統與故障點分開后，燃弧電流只由發電機供給。如沒有GCB，主變壓器高壓側斷路器斷開后，發電機在停機滅磁過程中仍連續不斷的對變壓器故障點提供短路電流，使油箱內部壓力繼續上升，極有可能使故障范圍進一步擴大。如裝有GCB，GCB可在3周波（60ms）內切斷故障電流，將發電機與故障變壓器迅速隔離，能有效減少變壓器的損壞程度，為修復變壓器創造條件。

3）改善同期操作條件

配置GCB后，同期點可由GCB來實現，不存在高壓斷路器受電壓應力影響的弊端。利用GCB進行同期操作，比較的是發電機斷路器兩側同級電壓，使得同期操作系統更加簡單、可靠。國外最新研究表明：分別由高壓斷路器和GCB來實現同期操作和不同期操作所引起的延遲過零電流，對系統有著不同的影響，在同期操作過程中由于發電機轉子快速轉動產生的延遲過零電流，高壓斷路器分斷延遲過零電流的能力非常有限，而GCB有足夠的能力切斷該電流[6]。

當同期在高壓側進行操作時，高壓斷路器可能會受到過電壓作用。在污染較重的情況下，可能使高壓斷路器外部絕緣介質閃絡。當同期操作在發電機出口進行時，由于發電機出口電壓等級低，過電壓相對較小，提高了同期并列的可靠性。

4）減少運行操作、方便檢修維護

（1）機組正常起、停不需要切換廠用電，運行人員只需操作GCB，非常簡便，減化了操作程序。

（2）在新機組投產或大修后的機組調試中，發電機與主變壓器由GCB分隔，可分為兩部分進行調試，使調試更為方便，并能節省調試時間。

5）增加設備投資

國產GCB開斷大電流能力不滿足要求，大容量機組GCB必須進口，價格昂貴，初期投資高；主廠房內布置和發電機引出線比不裝GCB復雜；配置GCB后，為滿足機組起停時廠用母線電壓水平，要求廠用高壓變壓器或主變壓器裝設有載調壓裝置。有載調壓裝置一般采用進口或合資產品，價格昂貴。這些會引起發電廠基建設備投資增加。

3　GCB配置經濟性分析

3.1電氣主接線設計要求

設計規范規定，600MW及以上機組，根據工程具體情況，經技術經濟論證合理時，在發電機與變壓器之間可配置發電機斷路器或負荷開關，主變壓器或高壓廠用工作變壓器宜采用有載調壓方式。

600MW級及以上的機組，每2臺機組可設1臺或2臺高壓廠用起動/備用變壓器。當配置發電機斷路器時，同容量高壓廠用備用電源在4臺及以下機組，可設1臺高壓廠用備用變壓器[7]。

3.2備用電源主接線分析

以新建4×1000MW機組為例，機組一般接入500kV系統，廠網分開后，發電廠從外部電網引接起動/備用電源涉及交納巨額的基本電費，為提高經濟效益，降低運行成本，新建項目起動/備用電源設計時都盡量避開電網收取基本電費的接線，采用由廠內高壓配電裝置直接降壓引接的供電方式。以下比較備用電源經廠內高壓母線供電、配置或者不配置GCB的四種典型接線方案。

1）起動/備用變壓器接500kV系統

接線一是500kV斷路器按GIS考慮，不配置GCB，每臺機設計1臺高壓廠用變壓器，采用無激磁調壓。每2臺機公用1臺起動/備用變壓器，采用有載調壓。變壓器容量設計為68/34-34MVA。

接線二是按配置GCB設計，每臺機設計1臺高壓廠用變壓器，4臺機公用1臺起動/備用變壓器，采用有載調壓，容量為68/34-34MVA。

2）起動/備用變壓器接220kV系統

接線三是按擴建項目考慮，廠內有220kV升壓站，且具備擴建條件。220kV斷路器按GIS考慮，不配置GCB，每臺機設置1臺高壓廠用變壓器，采用無激磁調壓。每2臺機公用1臺起動/備用變壓器，采用有載調壓，容量設計為68/34-34MVA。

接線四是按配置GCB設計，每臺機設置1臺高壓廠用變壓器，4臺機公用1臺起動/備用變壓器，采用有載調壓，容量為68/34-34MVA。

3.3GCB配置方案費用分析

1）配置GCB對項目費用的影響

上述4種電氣主接線設計方案均避開了交納基本電費問題，配置GCB對工程項目費用的影響主要表現在以下幾個方面：

（1）GCB設備投資。

（2）變壓器有載調壓裝置設備投資。（3）減少起動/備用變壓器設備費用。（4）降低機組運行后的外購電費。

2）備用電源接入500kV系統費用分析

表1比較備用電源接入500kV系統時配置GCB前后所帶來的主設備投資差異分析，費用計算依據2014年版《火電工程限額設計參考造價指標》[8]。

表1反映出，配置GCB后，4臺1000MW機組約增加3280萬元設備投資。

按照一臺1000MW機組年平均外購電量600萬kW·h（含機組檢修、變壓器空載損耗等用電量）計算，對于關口表安裝主變壓器側，起動/備用變壓器按大工業用戶電價計費的發電廠，4臺1000MW機組每年需要外購電量2400萬kW·h。以江蘇某電廠為例，工業電價與發電成本電價相差約0.38元/ kW·h，若不考慮進口有載調壓裝置和GCB的維護費用，機組全部運行后可在44個月內收回設備投資。

3）備用電源接入220kV系統費用分析

表2比較備用電源接入220kV系統時配置GCB前后所帶來的主設備投資差異分析。

表1　起動/備用變壓器接入500kV系統費用對比分析

表2　起動/備用變壓器接入220kV系統費用對比分析

表2反映出，配置GCB后，4臺1000MW機組約增加4000萬元設備投資。

外購電量按大工業用戶電價計費的發電廠，安裝GCB后，若工業電價與發電成本電價相差0.38 元/kW·h，當不考慮進口有載調壓裝置和GCB的維護費用時，機組全部運行后可在53個月內收回設備投資。

一般發電機投產一年內要進行首次大修，且機組投運初期穩定性相對較差，所以外購電量比長年平均值高，若再考慮這些因素，裝設GCB后設備投資回收周期應更短。

4　結論

對于大型火力發電機組是否配置GCB，通過文中分析，得出如下結論：

1）無論發電廠起動/備用電源從廠外還是從廠內母線上引接時，電網公司均收取基本電費的，應配置GCB，并盡可能的減少備用變壓器的數量和容量。

2）對于能避開交納基本電費接線方式的發電廠，要結合外購電量電價綜合考慮。當外購電量電價按照大工業用戶計費的，應配置GCB。若外購電量按發電廠成本電價計費時，可不配置GCB。

參考文獻

[1] 劉洋, 李霞. 600MW級機組起動/備用電源引接方式優化[J]. 能源與環境, 2007(5): 50-52, 56.

[2] DL/T 5000—2000. 火力發電廠設計技術規程[S]. 北京:中國電力出版社, 2000: 64.

[3] 沈文蘭, 李本, 李建國. 研制國產發電機斷路器的主攻方向[C]. 中國水力發電工程學會2010年電氣學術交流會. 2010.

[4] 徐齊巍. 大容量SF6發電機斷路器關鍵技術的探討[J]. 智能電網, 2015(3): 201-207.

[5] DL/T 1073—2007. 電廠廠用電源快速切換裝置通用技術條件[S].

[6] 徐新平. 大機組GCB方式下并網特點及分析[J]. 中國動力工程學會, 2009: 2.

[7] GB 50660—2011. 大中型火力發電廠設計規范[S].

[8] 電力規劃設計總院. 火電工程限額設計參考造價指標[M]. 北京: 中國電力出版社, 2007: 273-276.

周道軍（1973-），男，河南光山人，本科，工程師，從事火力發電廠電氣二次專業管理。

Configuration Analysis of Generator Circuit Breaker for Large Generator

Zhou Daojun
(Shenhua Guohua Taicang Power Generation Co., Ltd, Taicang, Jiangsu215433)

Abstract Since the factory after the separation of grid and power plant startup/standby power if the neighboring substation connection, in addition to responsible for power plant transmission line infrastructure investment, but also to the Power Grid Corp long-term operation after the payment of basic electricity transformer expensive, therefore, the design institute and the power plant on the new project repeated design scheme optimization, and strive to improve the generating units put into operation after the bidding capacity. This article from the comparison and analysis of several economic, technology and safety, to GCB or not discussed comprehensively, some opinions starting motor circuit breaker is arranged, which can provide reference for the construction of whole life cycle of the biggest benefits of efficient power plant.

Keywords：configure; generator circuit breaker(GCB); thermal power plant

作者簡介