極寒地區600MW汽輪發電機出口加裝GCB重大項目研究分析

吉鵬

摘? 要：國華呼貝電廠發電機出口加裝斷路器技改項目是2017至2018年度國華公司年度重大技改項目之一，也是原神華集團內首家、全國火電系統內第二個在已投運機組的發變組單元接線電氣系統中加裝發電機出口加裝斷路器的重大技改項目。為確保該項重大技改工程順利實施，呼貝電廠高度重視，經過前期反復論證研究，深度調研系統內外成功案例，結合實際合理規劃設計，現已成功完成兩臺機組發電機出口均已加裝GCB改造項目。通過近兩年改造后電氣一次、二次設備或系統運行效果分析和驗證，此項重大技改達到了預期效果和目的。改項后帶來的安全效益和經濟效益十分可觀，加裝出口斷路器后，停機且冬季主變倒掛后主變內部油溫可控制在10℃以上，改善了主變運行工況，延長主設備使用壽命，大大降低維護成本和日常工作量，隱形的安全效益是長期存在的，呼貝電廠成功的改造經驗也為國家能源集團內火電機組加裝出口GCB改造帶來現實的指導意義。

關鍵詞：GCB;調研;改造方案設計;主變

中圖分類號：TM621 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）33-0054-03

Abstract： The technical renovation project of installing circuit breakers for the export of generators in Guohua Hubei Power Plant is one of the major technical transformation projects of Guohua Company in 2017-2018. It is also the first in the former Shenhua Group and the second major technical renovation project in the national thermal power system to install circuit breakers at the outlet of generators in the wiring electrical system of generating and transformer units that have been put into operation. In order to ensure the smooth implementation of this major technical transformation project， Hubei Power Plant attaches great importance to it. After repeated demonstration and study in the early stage， in-depth investigation of successful cases inside and outside the system， combined with practical and reasonable planning and design， so far the GCB retrofit project has been successfully completed for the export of both generators. Through the analysis and verification of the operation effect of the electrical primary and secondary equipment or system after the transformation in the past two years， this major technical transformation has achieved the expected effect and purpose. After the modification， the safety benefit and economic benefit are very considerable. After installing the outlet circuit breaker， the internal oil temperature of the main transformer can be controlled above 10 ℃ after the main transformer is hung upside down in winter， which improves the operating condition of the main transformer and prolongs the service life of the main equipment. The maintenance cost and daily workload are greatly reduced， and the invisible safety benefit exists for a long time. Hubei Power Plant's experience in successful transformation also brings practical guiding significance for the retrofit of thermal power unit export GCB in the National Energy Group.

Keywords： GCB; investigation; transformation scheme design; main transformer

1 概述

1.1 項目概況

內蒙古國華呼倫貝爾發電有限公司（簡稱“呼貝電廠”）#1、#2 600MW汽輪發電機組分別于2010年11月20日和12月1日投產發電，發電機與主變壓器原設計為發-變組單元接線方式（無發電機出口斷路器和隔離刀閘），主變和高廠變隨機組停運即進入停運冷備用。呼貝電廠所處地域冬季嚴寒、漫長（一年寒冬天氣9個月）、凍害風險極高，且自投產以來因電網調度機組啟停頻繁。本次將#1發電機出口改造加裝斷路器GCB，改造后形成“停機不停變”的有利條件，能夠保證主變和高廠變在停機期間繼續帶載保持運行油溫，有效降低停運后的凍害絕緣風險，且節省外購電、減少廠用電切換簡化流程。

1.2 調研情況

為確保呼貝電廠發電機出口加裝斷路器項目順利實施完成，電廠高度重視，組織專人赴系統內、外加裝GCB的電廠進行調研。2016年4月24日-4月30日，分別調研安徽田集電廠、國華臺山電廠。

系統外（田集電廠）：該廠一期建設容量2×630MW國產超臨界燃煤發電機組，已于2007年竣工投產。

因一期工程外送電網網架結構變化，發現相角差受系統運行方式影響較大，典型的幾個運行方式下啟備變低壓側和高廠變低壓側的相角差將達到22度～35度。該廠6kV快切裝置在并聯切換方式下所能設定的最大相角差為20度。超過20度后，除非解除快切閉鎖，否則并聯切換不會成功。在機組啟動時都會碰到此類問題，若相角差過大，閉鎖快切進行強行切換，有可能損壞運行中的一次設備。故該廠2015年、2016年分別加裝GCB，改造后，配套電氣一次、二次設備運行情況良好穩定。

系統內（臺山電廠）：臺山電廠共計7臺機組，一期工程1、2機仍然為發電機-變壓器單元接線;一期工程3、4、5號機為基建加裝GCB開關，且為ABB開關;二期工程6、7號機為基建加裝GCB開關，且為ABB開關;臺山#6機加裝GCB正面圖。

2 改造方案設計

2.1 電氣系統接線現況及改造方案綜述

呼貝電廠調研系統內外成功案例后，結合實際考慮GCB的安裝位置，并提出三個并網點的構想，發電機并網點新增一個（即為GCB），原主變高壓側兩個500kV斷路器仍然保留。單臺機組的三個并網點均在DCS控制，但優先使用GCB作為每次啟機的并網點。

2.2 出口斷路器改造布置方案

2.2.1 發電機出口設備、母線及勵磁設備布置現狀

呼貝電廠#1發電機封閉母線從汽機房7.8米層上引出，穿過A排墻接至主變壓器。發電機出口電壓互感器/避雷器柜、勵磁變壓器布置在汽機房7.8米層、與主回路封閉母線通過分支封閉母線連接，發電機中性點接地柜布置在發電機中性點引出套管附近，用封閉母線與發電機中性點連接。兩臺廠用變分支封閉母線在汽機房A排墻外從發電機封閉母線下“T”接。

2.2.2 出口斷路器布置方案

由于在基建期原設計當中未考慮加裝出口斷路器的可能性，故在主廠房中間層設備布置方案中未預留出口斷路器安裝位置，現階段裝設出口斷路器主要存在以下幾個問題：

（1）出口斷路器的安裝位置

根據現有設備布置情況，出口斷路器布置位置可考慮如下方案：

方案一：在主廠房運轉層設檢修孔，將出口斷路器GCB布置在主廠房中間層，將原有PT/LA柜和勵磁變移至運轉層，通過分支封閉母線進行連接。并相應對原有交流勵磁母線進行改造。由于GCB安裝高度有嚴格要求，采用該方案需在安裝位置處新增一處100mm高的平臺，供GCB安裝用，并應能滿足GCB開斷時的動荷載要求。該方案需對原A軸至1/A軸之間的主回路封閉母線（含上升段）及PT/LA柜及勵磁分支封閉母線進行改造;該方案需要在主廠房運轉層設置GCB檢修孔，孔大小不應小于6700×3000mm。并在運轉層樓板下方對應GCB各相中心線處設置檢修梁，供GCB各相斷路器單元檢修起吊用。

方案二：在主廠房A排外空冷管道支架上增設一層平臺，將發電機出口斷路器布置在平臺上。采用該方案時，由于本工程所在地冬季戶外溫度低于-40°C，需設置加熱裝置對出口斷路器進行加熱。

方案三：將出口斷路器GCB布置在主廠房中間層，對原A軸至1/A軸之間的主回路封閉母線（含上升段）進行改造，將主回路封閉母線引接至靠近A排附近的位置后再抬升。采用該方案時，發電機出口區域空間緊湊，為留出GCB安裝空間，需要對PL/LA柜分支母線和上升段主回路封閉母線尺寸進行壓縮。

以上三個方案中，方案一、三均需要對中間層主回路和分支回路封閉母線進行改造，在中間層新增GCB安裝平臺，并在運轉層加設GCB檢修孔。但方案一需要將原布置在中間層的PT/LA柜和勵磁變移至運轉層，改造工作量較大。方案二需將GCB布置在戶外空冷管道支架上，一方面由于GCB開斷時動荷載較大，支架能否承受需要核實，且安裝起吊難度較大。另一方面，由于當地最低溫度可低至-40℃，斷路器六氟化硫滅弧單元難以在如此低溫下可靠工作，需要局部封閉或者加裝加熱裝置。且空冷管道在機組運行過程中會持續產生振動，不利于出口斷路器穩定運行，故不推薦采用。

綜上所述，方案三工程量較小，相對而言較為可行，故推薦方案三。

（2）封閉母線改造方案

原有主廠房發電機出口封閉母線主回路由發電機基座引出后，在1/A軸處母線中心標高由9.4米升高至10.5米后，向A排延伸并穿出接至主變壓器。加裝出口斷路器后，由于出口斷路器安裝要求，主回路封閉母線穿出基座后，需要保持9.4米的中心標高接至出口斷路器，由出口斷路器變壓器側引出后再抬高中心標高并從A排墻穿出，故需對上述主回路封閉母線進行改造以滿足此路徑要求。

現有PT/LA柜分支封閉母線為三相并排引出接至PT/LA柜后再接至勵磁變壓器，由于三相母線并排布置時寬度過大，該布置不能滿足出口斷路器安裝要求，需要進行改造。將三相分支母線引出位置向發電機側調整，并將B、C箱分支封母上下重疊引出，引出后通過空間上的高差經過兩次轉完后接至PT/LA柜。這樣可以減小分支母線引出占據的空間，從而滿足出口斷路器安裝要求。

同時，為保證封母主回路兩側檢修通道暢通，應在封母主回路適當位置設置跨橋。

2.3 出口斷路器設備選型及規范

導體及主要電氣設備選擇按短路電流計算結果、《導體和電器選擇設計技術規定》、《高壓交流發電機斷路器》及有關規程[1]進行選擇。斷路器參數見表1。

3 改造后安全效益

（1）改造后形成了“停機不停變”的有利條件，保證了冬季停機狀態下主變和高廠變繼續帶載保持油溫，有效降低凍害絕緣風險。預計主變油溫可提升至10℃以上，大大減少變壓器油內部微水析出，從而消除了因油中微水析出導致絕緣降低的安全隱患，提高主變和高廠變的設備可靠性。

（2）提高了廠用電和系統供電可靠性，減化了廠用電切換簡化流程。采用高壓斷路器進行同期操作時，斷路器將會承受電壓應力，在受到污染的情況下，這些電壓應力可能造成斷路器外部絕緣介質的閃絡，當同期操作在發電機電壓等級進行時，高壓斷路器的電壓應力便會消失[2]。利用發電機斷路器進行同期操作，比較的是GCB兩側的同級電壓，因而使得同期操作系統更加簡單、可靠。另外，由于 GCB 安裝于室內的封閉金屬殼內，環境條件好，其充分的絕緣安全裕度保證同期操作更加可靠。

（3）改造后提高了保護的選擇性。加裝GCB后，可減少和避免了正常、事故狀態下切換廠用電不成功的風險，有效地提高了發電廠安全可靠性，消除了因啟備變容量不足，在雙機同時跳閘情況下，發生啟備變過載而導致全廠停電、供熱中斷的事故安全隱患。當發電機內部故障時，可通過跳開GCB，阻止外部向發電機提供故障電流，當發電機外部故障時，快速跳開 GCB，可避免發電機繼續提供故障電流[3]，GCB對于保護發電機及與其相接的主變、高廠變等設備是有利的。

4 結束語

國華呼貝電廠#1、#2發電機出口加裝斷路器項目是原神華集團、國華電力公司重大技改項目，該項目是在極寒地區發電機單元接線加裝GCB全國第二例成功案例。加裝出口斷路器后，停機且冬季主變倒掛后主變內部油溫可控制在10℃以上，改善了主變運行工況，延長主設備使用壽命，大大降低維護成本和日常工作量，隱形的安全效益是長期存在的，呼貝電廠成功的改造經驗也為國家能源集團內火電機組加裝出口GCB改造帶來現實的指導意義。2017至2018年，國華呼貝電廠兩臺機組發電機出口均已加裝GCB，通過近2年改造后電氣一次、二次設備或系統運行效果分析和驗證，此項重大技改達到了預期效果和目的。

參考文獻：

[1]西北電力設計院.電力工程電氣設計手冊電氣一次部分[M].北京：水利電力出版社，1991.

[2]張圣楠.發電機裝設出口斷路器的可靠性經濟性綜合分析[D].浙江大學，2008.

[3]徐新平.GCB的應用分析及相關要素研究[D].上海交通大學，2010.