發電機出口斷路器及起備電源引接方式研究

段芃

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

關鍵詞：發電機出口斷路器；起動/備用電源

1.前言

華電萊州發電有限公司二期2×1000MW級超超臨界火電機組工程，電廠規劃8×1000MW超超臨界火電機組；一期工程2×1000MW超超臨界燃煤發電機組已建成投產，本期工程擴建2×1000MW級超超臨界燃煤發電機組，同步建設煙氣脫硫、脫硝裝置。

萊州電廠一期工程2×1000MW機組通過雙卷變壓器接入電廠的500kV配電裝置，廠內500kV電氣主接線采用雙母線接線，一期工程2×1000MW機組發電機出口未設斷路器，起備電源從廠內500kV引接；二期擴建2×1000MW機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配電裝置的基礎上擴建，新擴建的500kV配電裝置與一期工程500kV配電裝置通過母線分斷相互連接。

考慮到一期工程，2×1000MW機組未設置發電機出口斷路器，且起動/備用電源的引自500kV配電裝置，兩臺機設置了一臺85/53-53MVA的分裂變壓器，每臺機設置了兩臺容量為53MVA的雙卷變壓器，為單元負荷及公用負荷供電。經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，結合發電機出口斷路器的配置，考慮如下兩個方案：

方案一：（不設GCB， 起動/備用電源由500kV引接）：每臺發電機出口不設斷路器（GCB），本期兩臺機組設一臺起動/備用分裂變，其容量與廠用工作變壓器相同，高壓側電源由廠內500kV配電裝置引接，一級降壓至10kV廠用母線。（基建部建議：在方案一的基礎上二期啟動/備用變壓器與一期啟動/備用變壓器低壓側通過聯絡開關互聯。）

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

2.發電機出口裝設斷路器的技術比較

2.1 裝設發電機出口斷路器的優越性

發電廠裝設GCB的主要作用是在于簡運行操作程序，減小發電機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，方便調試和維護。

2.1.1 GCB對發電機的保護作用

在發電機承受不平衡負荷或發電機出口發生不對稱短路時，會在轉子本體表面感應出兩倍工頻渦流，引起轉子繞組過熱。同時，兩倍工頻的交變電磁轉矩使機組產生倍頻振動，引起金屬疲勞和機械損傷。附加發熱和倍頻振動都會嚴重威脅發電機的安全運行，GCB可以迅速切除故障，使發電機免遭損壞。當故障或異常情況消除后，允許發電機快速與系統并列運行。

2.1.2 提高機組保護的選擇性

當發電機發生內部故障或汽機、鍋爐發生故障引起跳機時，GCB可迅速跳閘，使發電機與電網隔離，而不必連主變壓器一并切除，廠用電源仍可由系統通過主變壓器倒送，從而避免了廠用電系統的事故切換，提高了廠用電系統的可靠性，且為迅速處理故障創造了條件。

2.1.3避免機組啟、停時廠用電源的切換，提高廠用電系統的可靠性

發電機出口裝設GCB后，發電機組的起停電源是經主變壓器倒送通過高壓廠用變壓器獲得，從機組啟動到發電機并網發電，整個過程都無需進行廠用電切換。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，對電動機頻繁起動造成的危害有較好的保護作用，可大大提高廠用電系統的可靠性，這一點極為有利于現場的運行。

2.1.4機組在同期或并網過程中的作用

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同期待并時可能出現兩側電壓反相而對設備絕緣造成嚴重的損傷；機組在并網或停機時只需通過GCB就可完成，不影響對廠用電系統的供電，可有效地縮短機組的啟動時間，操作元件的相應減少也降低了誤操作的幾率。

2.1.5方便機組的試驗、調試和維護

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

2.1.6 改善大容量電機的啟動條件

發電機出口裝設GCB后，主變壓器采用有載調壓變壓器，可以根據廠用高壓母線的電壓的實際情況調整母線電壓，確保在大容量高壓電機啟動時，避免母線電壓下降到要求值以下。

除了上述主要作用外，發電機出口裝設GCB還可以使廠用起動/備用系統簡化，便于布置，縮短故障切除時間等優點。

2.2 發電機出口裝設GCB后存在的問題

2.2.1 故障點問題

發電機出口不裝設GCB的機組發電機到主變之間只有封閉母線，安全性較高；發電機與主變之間串接GCB后，發電機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組的運行，具有一定的風險和不經濟性。

2.2.2變壓器有載調壓問題

主變壓器既要滿足倒送廠用起動、停機電源的要求，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母線的電壓波動較大，為了保證廠用電動機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壓型，有載調壓開關本身結構較無載調壓開關復雜，投資較大，而且頻繁操作有可能發生故障，因此采用有載調壓開關既增加了投資，也降低了可靠性，對機組的安全可靠運行帶來一定的不利影響。

2.2.3 GCB價格及運行維護的問題

發電機出口斷路器GCB本身投資較大，而且必須是進口，采購周期較長，由于進口采購，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組的運行。另外由于高廠變或主變需要采用有載調壓開關，也將增加投資。

2.2.4 結論

通過以上技術分析比較，發電機出口裝設GCB優于不裝設GCB，可以簡化廠用電切換操作程序，提高發電機及主變、高壓廠用變壓器的保護水平，簡化同期操作，便于檢修、調試，縮短故障恢復時間，提高機組可用率，節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設備為全套進口設備，設備維護技術門檻較高、備品備件采購不便。

下面將結合起動/備用電源的引接方案進行綜合的分析比較。

3.起動/備用電源的引接方式

3.1技術分析

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升壓站擴建后，形成雙母線雙分斷接線且增加一回出線，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績也較多，變壓器的可靠性也能較好滿足要求。

3.1.3發電機出口設GCB，對起/備變可靠性的要求

發電機出口不設GCB時，起/備變不僅作為起動和停機的電源，而且還作為工作變壓器事故或檢修狀態下的備用，因此對起/備變的可靠性要求高。當發電機出口設GCB時，機組正常起動時的電源可從500kV通過主變倒送過來。起/備變的功能作為機組的事故停機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，即不設發電機出口斷路器，起備電源由廠內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系，各自系統互相獨立，不會產生相互影響 ，可靠性高。

5. 結論

方案一：不設GCB， 起動/備用電源由500kV引接的優缺點如下：

優點：（1）發電機出口不裝設GCB的機組發電機到主變之間只有封閉母線，安全性較高；接線簡單可靠，且與一期系統保持一致；

（2）一二期啟動/備用變壓器之間增加聯絡后能增加機組備用電源的可靠性；

（3）初始投資較少，節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成本。

缺點：（1）在啟、停機時廠用電源切換頻繁；

（2）一期啟動/備用變壓器繼電保護裝置需要改造。

方案二：設GCB，事故停機電源從一期啟動/備用變壓器引接的優缺點如下：

優點：（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行廠用電電源切換， 事故恢復快，提高廠用電供電的可靠性；

（2）簡化發電機的同期回路；對保護主變壓器、高壓廠用工作變壓器有利；

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

缺點：（1）發電機與主變之間串接GCB后，發電機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組的運行，具有一定的風險和不經濟性。

（2）設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濟效益并不明顯，不能覆蓋設備前期的一次性投資。

（3）一期啟動/備用變壓器繼電保護裝置需要改造。

（4）有突破規程《火力發電廠設計技術規程》、《大中型火力發電廠設計規范》的規定之處。

綜合考慮兩種方案的優缺點及電廠30年的運行成本的經濟性及維護工作量，本階段推薦采用方案一（不設發電機出口斷路器，起備電源由廠內500kV母線引接）。

參考文獻：

[1]《電力變壓器選用導則》GB17468

[2]《大中型火力發電廠設計規范》GB50660-2011