大型機(jī)組發(fā)電機(jī)斷路器配置分析

周道軍

（神華國(guó)華太倉(cāng)發(fā)電有限公司，江蘇 太倉(cāng)　215433）

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大型機(jī)組發(fā)電機(jī)斷路器配置分析

周道軍

（神華國(guó)華太倉(cāng)發(fā)電有限公司，江蘇 太倉(cāng)215433）

摘要自從廠網(wǎng)分開后，發(fā)電廠起動(dòng)/備用電源若由鄰近的變電站引接，除了要承擔(dān)發(fā)電廠輸電線路基建設(shè)備投資外，運(yùn)行以后還要向電網(wǎng)公司長(zhǎng)期支付昂貴的變壓器基本電費(fèi)，因此，各設(shè)計(jì)院和發(fā)電廠對(duì)新建項(xiàng)目工程反復(fù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，努力提高機(jī)組投產(chǎn)后的上網(wǎng)競(jìng)價(jià)能力。本文通過(guò)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和安全幾個(gè)方面的比較與分析，對(duì)是否配置發(fā)電機(jī)出口斷路器進(jìn)行綜合論述，得出發(fā)電機(jī)出口斷路器配置的幾點(diǎn)意見，可為建設(shè)全壽命周期內(nèi)效益最大化高效電廠提供參考。

關(guān)鍵詞：配置；發(fā)電機(jī)斷路器；火力發(fā)電廠

目前在建的火力發(fā)電機(jī)組中，600MW及以上機(jī)組已成主流。自廠網(wǎng)分開后，電網(wǎng)開始對(duì)從廠外引接起動(dòng)/備用電源的收取基本電費(fèi)。因此，優(yōu)化中、高壓電氣系統(tǒng)連接方式，對(duì)發(fā)電廠具有重要的經(jīng)濟(jì)意義。

對(duì)于基本電費(fèi)，電網(wǎng)公司有以下幾種不同的處理方式。

1）將發(fā)電廠視為大工業(yè)用戶，起動(dòng)/備用電源從廠外引接時(shí)，要按月交納基本電費(fèi)，當(dāng)從本廠母線引接時(shí)，則不收取基本電費(fèi)。

2）采用與廠網(wǎng)分開以前的做法，無(wú)論發(fā)電廠起動(dòng)/備用電源從廠外還是從廠內(nèi)引接時(shí)，均不收取基本電費(fèi)。

3）無(wú)論發(fā)電廠起動(dòng)/備用電源從廠外電力系統(tǒng)還是從廠內(nèi)母線上引接時(shí)，均要收取基本電費(fèi)[1]。

第1種處理方式是大部分省電力公司的做法，也是對(duì)發(fā)電廠廠用電接線設(shè)計(jì)影響最大的一種做法。

發(fā)電機(jī)斷路器（以下簡(jiǎn)稱GCB）是發(fā)電機(jī)主回路的重要設(shè)備，在國(guó)外發(fā)電廠中已得到廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，GCB在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用也逐步提升。如果能夠通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)，優(yōu)化廠用電一次系統(tǒng)接線，減少起動(dòng)/備用變壓器的數(shù)量或降低容量，應(yīng)能為發(fā)電廠節(jié)約大量運(yùn)行費(fèi)用。

1　GCB發(fā)展現(xiàn)狀

由于火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程的制約，1999年前國(guó)內(nèi)600MW汽輪發(fā)電機(jī)組中只有沙角C廠的3臺(tái)機(jī)組裝有GCB和部分前蘇聯(lián)進(jìn)口機(jī)組采用GCB方案。

600MW以上大容量發(fā)電機(jī)組一般接入500kV系統(tǒng)，500kV高壓斷路器均為分相操作機(jī)構(gòu)，容易發(fā)生非全相運(yùn)行，一旦發(fā)生非全相運(yùn)行，會(huì)嚴(yán)重威脅發(fā)電機(jī)安全。為此，2000年修訂的規(guī)程規(guī)定，在技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理時(shí)，容量為600MW機(jī)組的發(fā)電機(jī)出口可配置斷路器或負(fù)荷開關(guān)[2]。

GCB經(jīng)歷了少油型、壓縮空氣型、真空型到SF6型幾個(gè)發(fā)展階段。短路開斷能力差的少油型和壓縮空氣型已經(jīng)不能滿足形勢(shì)發(fā)展需要。

真空型因滅弧室處于真空狀態(tài)，無(wú)法對(duì)流散熱，觸頭的載流熱量是以熱傳導(dǎo)方式散熱，從散熱條件和觸頭抗熔焊的技術(shù)上看，每個(gè)真空滅弧室觸頭載流量很難超過(guò)5kA，故更適合在中小工作電流場(chǎng)所內(nèi)使用[3]。

SF6氣體是理想的絕緣和滅弧介質(zhì)。目前研發(fā)出的SF6型GCB可以在開關(guān)中以對(duì)流方式大量帶走觸頭導(dǎo)體載流能量，且隨著載流能量的增大，還可以采用強(qiáng)迫風(fēng)冷等方式進(jìn)行散熱，非常有利于向更大的載流量方向發(fā)展，其短路開斷電流達(dá)到200kA。

當(dāng)前，在智能變電站的快速發(fā)展，已經(jīng)研發(fā)出測(cè)量數(shù)字化、狀態(tài)可視化、信息互動(dòng)化、控制網(wǎng)絡(luò)化、功能一體化的SF6型GCB成套設(shè)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(fèi)問(wèn)題

變壓器基本電費(fèi)劃分為按變壓器容量和實(shí)際最大需量收費(fèi)兩種標(biāo)準(zhǔn)。各省電網(wǎng)公司收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)和收取方式各不相同，一般收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)為按變壓器容量12～20元/kVA/月，按最大需量20～30元/kW/月。無(wú)論按變壓器容量還是需量收取基本電費(fèi)，都將嚴(yán)重影響到機(jī)組的競(jìng)價(jià)上網(wǎng)能力。

2）外購(gòu)電量電費(fèi)問(wèn)題

據(jù)統(tǒng)計(jì)，一臺(tái)1000MW機(jī)組平均每年需要外購(gòu)電量約600萬(wàn)kW·h。若按大工業(yè)用戶計(jì)費(fèi)，由于工業(yè)電價(jià)與發(fā)電廠成本電價(jià)差額較大，這也將影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益。

3）廠用電電源安全問(wèn)題

由于大容量發(fā)電機(jī)組一般接入500kV等級(jí)，如果備用電源引自220kV變電站，當(dāng)兩個(gè)電源系統(tǒng)電氣距離過(guò)大時(shí)，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(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的暫態(tài)電流沖擊，對(duì)主變壓器、廠用變壓器壽命會(huì)產(chǎn)生累計(jì)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(guò)大。并聯(lián)切換時(shí)，工作電源與備用電源相角差應(yīng)不大于15°[5]，這樣，就可能出現(xiàn)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(dāng)發(fā)電機(jī)配置GCB后，正常運(yùn)行時(shí)廠用電電源由發(fā)電機(jī)提供，其起動(dòng)或停機(jī)時(shí)廠用電源通過(guò)主變壓器倒送至高壓廠用變壓器獲得，無(wú)論機(jī)組正常運(yùn)行還是解列停機(jī)，整個(gè)過(guò)程無(wú)需進(jìn)行廠用電切換。只有當(dāng)廠用變壓器故障或檢修時(shí)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(shù)及人為誤操作事故的發(fā)生，減少暫態(tài)電流對(duì)設(shè)備的沖擊次數(shù)，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。

當(dāng)發(fā)電機(jī)故障跳閘時(shí)，特別是非電氣原因引起的跳閘，廠用電自動(dòng)由主變壓器倒送電，可做到無(wú)擾動(dòng)切換廠用電，各種廠用輔機(jī)不會(huì)因發(fā)電機(jī)跳閘而改變工作狀態(tài)，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(kuò)大和設(shè)備損壞的可能性，廠用電源可靠性大為提高，并為機(jī)組恢復(fù)正常運(yùn)行取得時(shí)間。

2）提高保護(hù)水平

當(dāng)主變壓器或高壓廠用變壓器內(nèi)部故障時(shí)，絕緣閃絡(luò)形成的電弧使油分解后產(chǎn)生大量氣體，引起變壓器內(nèi)部壓力升高，可能導(dǎo)致油箱破裂或爆炸。

變壓器內(nèi)部故障電弧電流由系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)共同提供。系統(tǒng)提供的電弧電流由裝在主變壓器高壓側(cè)斷路器切斷，當(dāng)高壓斷路器把系統(tǒng)與故障點(diǎn)分開后，燃弧電流只由發(fā)電機(jī)供給。如沒(méi)有GCB，主變壓器高壓側(cè)斷路器斷開后，發(fā)電機(jī)在停機(jī)滅磁過(guò)程中仍連續(xù)不斷的對(duì)變壓器故障點(diǎn)提供短路電流，使油箱內(nèi)部壓力繼續(xù)上升，極有可能使故障范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。如裝有GCB，GCB可在3周波（60ms）內(nèi)切斷故障電流，將發(fā)電機(jī)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(fù)變壓器創(chuàng)造條件。

3）改善同期操作條件

配置GCB后，同期點(diǎn)可由GCB來(lái)實(shí)現(xiàn)，不存在高壓斷路器受電壓應(yīng)力影響的弊端。利用GCB進(jìn)行同期操作，比較的是發(fā)電機(jī)斷路器兩側(cè)同級(jí)電壓，使得同期操作系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單、可靠。國(guó)外最新研究表明：分別由高壓斷路器和GCB來(lái)實(shí)現(xiàn)同期操作和不同期操作所引起的延遲過(guò)零電流，對(duì)系統(tǒng)有著不同的影響，在同期操作過(guò)程中由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子快速轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的延遲過(guò)零電流，高壓斷路器分?jǐn)嘌舆t過(guò)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(dāng)同期在高壓側(cè)進(jìn)行操作時(shí)，高壓斷路器可能會(huì)受到過(guò)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(zhì)閃絡(luò)。當(dāng)同期操作在發(fā)電機(jī)出口進(jìn)行時(shí)，由于發(fā)電機(jī)出口電壓等級(jí)低，過(guò)電壓相對(duì)較小，提高了同期并列的可靠性。

4）減少運(yùn)行操作、方便檢修維護(hù)

（1）機(jī)組正常起、停不需要切換廠用電，運(yùn)行人員只需操作GCB，非常簡(jiǎn)便，減化了操作程序。

（2）在新機(jī)組投產(chǎn)或大修后的機(jī)組調(diào)試中，發(fā)電機(jī)與主變壓器由GCB分隔，可分為兩部分進(jìn)行調(diào)試，使調(diào)試更為方便，并能節(jié)省調(diào)試時(shí)間。

5）增加設(shè)備投資

國(guó)產(chǎn)GCB開斷大電流能力不滿足要求，大容量機(jī)組GCB必須進(jìn)口，價(jià)格昂貴，初期投資高；主廠房?jī)?nèi)布置和發(fā)電機(jī)引出線比不裝GCB復(fù)雜；配置GCB后，為滿足機(jī)組起停時(shí)廠用母線電壓水平，要求廠用高壓變壓器或主變壓器裝設(shè)有載調(diào)壓裝置。有載調(diào)壓裝置一般采用進(jìn)口或合資產(chǎn)品，價(jià)格昂貴。這些會(huì)引起發(fā)電廠基建設(shè)備投資增加。

3　GCB配置經(jīng)濟(jì)性分析

3.1電氣主接線設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，600MW及以上機(jī)組，根據(jù)工程具體情況，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證合理時(shí)，在發(fā)電機(jī)與變壓器之間可配置發(fā)電機(jī)斷路器或負(fù)荷開關(guān)，主變壓器或高壓廠用工作變壓器宜采用有載調(diào)壓方式。

600MW級(jí)及以上的機(jī)組，每2臺(tái)機(jī)組可設(shè)1臺(tái)或2臺(tái)高壓廠用起動(dòng)/備用變壓器。當(dāng)配置發(fā)電機(jī)斷路器時(shí)，同容量高壓廠用備用電源在4臺(tái)及以下機(jī)組，可設(shè)1臺(tái)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(jī)組為例，機(jī)組一般接入500kV系統(tǒng)，廠網(wǎng)分開后，發(fā)電廠從外部電網(wǎng)引接起動(dòng)/備用電源涉及交納巨額的基本電費(fèi)，為提高經(jīng)濟(jì)效益，降低運(yùn)行成本，新建項(xiàng)目起動(dòng)/備用電源設(shè)計(jì)時(shí)都盡量避開電網(wǎng)收取基本電費(fèi)的接線，采用由廠內(nèi)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(jīng)廠內(nèi)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(dòng)/備用變壓器接500kV系統(tǒng)

接線一是500kV斷路器按GIS考慮，不配置GCB，每臺(tái)機(jī)設(shè)計(jì)1臺(tái)高壓廠用變壓器，采用無(wú)激磁調(diào)壓。每2臺(tái)機(jī)公用1臺(tái)起動(dòng)/備用變壓器，采用有載調(diào)壓。變壓器容量設(shè)計(jì)為68/34-34MVA。

接線二是按配置GCB設(shè)計(jì)，每臺(tái)機(jī)設(shè)計(jì)1臺(tái)高壓廠用變壓器，4臺(tái)機(jī)公用1臺(tái)起動(dòng)/備用變壓器，采用有載調(diào)壓，容量為68/34-34MVA。

2）起動(dòng)/備用變壓器接220kV系統(tǒng)

接線三是按擴(kuò)建項(xiàng)目考慮，廠內(nèi)有220kV升壓站，且具備擴(kuò)建條件。220kV斷路器按GIS考慮，不配置GCB，每臺(tái)機(jī)設(shè)置1臺(tái)高壓廠用變壓器，采用無(wú)激磁調(diào)壓。每2臺(tái)機(jī)公用1臺(tái)起動(dòng)/備用變壓器，采用有載調(diào)壓，容量設(shè)計(jì)為68/34-34MVA。

接線四是按配置GCB設(shè)計(jì)，每臺(tái)機(jī)設(shè)置1臺(tái)高壓廠用變壓器，4臺(tái)機(jī)公用1臺(tái)起動(dòng)/備用變壓器，采用有載調(diào)壓，容量為68/34-34MVA。

3.3GCB配置方案費(fèi)用分析

1）配置GCB對(duì)項(xiàng)目費(fèi)用的影響

上述4種電氣主接線設(shè)計(jì)方案均避開了交納基本電費(fèi)問(wèn)題，配置GCB對(duì)工程項(xiàng)目費(fèi)用的影響主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）GCB設(shè)備投資。

（2）變壓器有載調(diào)壓裝置設(shè)備投資。（3）減少起動(dòng)/備用變壓器設(shè)備費(fèi)用。（4）降低機(jī)組運(yùn)行后的外購(gòu)電費(fèi)。

2）備用電源接入500kV系統(tǒng)費(fèi)用分析

表1比較備用電源接入500kV系統(tǒng)時(shí)配置GCB前后所帶來(lái)的主設(shè)備投資差異分析，費(fèi)用計(jì)算依據(jù)2014年版《火電工程限額設(shè)計(jì)參考造價(jià)指標(biāo)》[8]。

表1反映出，配置GCB后，4臺(tái)1000MW機(jī)組約增加3280萬(wàn)元設(shè)備投資。

按照一臺(tái)1000MW機(jī)組年平均外購(gòu)電量600萬(wàn)kW·h（含機(jī)組檢修、變壓器空載損耗等用電量）計(jì)算，對(duì)于關(guān)口表安裝主變壓器側(cè)，起動(dòng)/備用變壓器按大工業(yè)用戶電價(jià)計(jì)費(fèi)的發(fā)電廠，4臺(tái)1000MW機(jī)組每年需要外購(gòu)電量2400萬(wàn)kW·h。以江蘇某電廠為例，工業(yè)電價(jià)與發(fā)電成本電價(jià)相差約0.38元/ kW·h，若不考慮進(jìn)口有載調(diào)壓裝置和GCB的維護(hù)費(fèi)用，機(jī)組全部運(yùn)行后可在44個(gè)月內(nèi)收回設(shè)備投資。

3）備用電源接入220kV系統(tǒng)費(fèi)用分析

表2比較備用電源接入220kV系統(tǒng)時(shí)配置GCB前后所帶來(lái)的主設(shè)備投資差異分析。

表1　起動(dòng)/備用變壓器接入500kV系統(tǒng)費(fèi)用對(duì)比分析

表2　起動(dòng)/備用變壓器接入220kV系統(tǒng)費(fèi)用對(duì)比分析

表2反映出，配置GCB后，4臺(tái)1000MW機(jī)組約增加4000萬(wàn)元設(shè)備投資。

外購(gòu)電量按大工業(yè)用戶電價(jià)計(jì)費(fèi)的發(fā)電廠，安裝GCB后，若工業(yè)電價(jià)與發(fā)電成本電價(jià)相差0.38 元/kW·h，當(dāng)不考慮進(jìn)口有載調(diào)壓裝置和GCB的維護(hù)費(fèi)用時(shí)，機(jī)組全部運(yùn)行后可在53個(gè)月內(nèi)收回設(shè)備投資。

一般發(fā)電機(jī)投產(chǎn)一年內(nèi)要進(jìn)行首次大修，且機(jī)組投運(yùn)初期穩(wěn)定性相對(duì)較差，所以外購(gòu)電量比長(zhǎng)年平均值高，若再考慮這些因素，裝設(shè)GCB后設(shè)備投資回收周期應(yīng)更短。

4　結(jié)論

對(duì)于大型火力發(fā)電機(jī)組是否配置GCB，通過(guò)文中分析，得出如下結(jié)論：

1）無(wú)論發(fā)電廠起動(dòng)/備用電源從廠外還是從廠內(nèi)母線上引接時(shí)，電網(wǎng)公司均收取基本電費(fèi)的，應(yīng)配置GCB，并盡可能的減少備用變壓器的數(shù)量和容量。

2）對(duì)于能避開交納基本電費(fèi)接線方式的發(fā)電廠，要結(jié)合外購(gòu)電量電價(jià)綜合考慮。當(dāng)外購(gòu)電量電價(jià)按照大工業(yè)用戶計(jì)費(fèi)的，應(yīng)配置GCB。若外購(gòu)電量按發(fā)電廠成本電價(jià)計(jì)費(fèi)時(shí)，可不配置GCB。

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周道軍（1973-），男，河南光山人，本科，工程師，從事火力發(fā)電廠電氣二次專業(yè)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(jiǎn)介