周道軍

（神華國華太倉發(fā)電有限公司，江蘇 太倉　215433）

?

大型機組發(fā)電機斷路器配置分析

周道軍

（神華國華太倉發(fā)電有限公司，江蘇 太倉215433）

摘要自從廠網(wǎng)分開后，發(fā)電廠起動/備用電源若由鄰近的變電站引接，除了要承擔發(fā)電廠輸電線路基建設(shè)備投資外，運行以后還要向電網(wǎng)公司長期支付昂貴的變壓器基本電費，因此，各設(shè)計院和發(fā)電廠對新建項目工程反復優(yōu)化設(shè)計方案，努力提高機組投產(chǎn)后的上網(wǎng)競價能力。本文通過經(jīng)濟、技術(shù)和安全幾個方面的比較與分析，對是否配置發(fā)電機出口斷路器進行綜合論述，得出發(fā)電機出口斷路器配置的幾點意見，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)電機斷路器；火力發(fā)電廠

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

對于基本電費，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/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(wǎng)分開以前的做法，無論發(fā)電廠起動/備用電源從廠外還是從廠內(nèi)引接時，均不收取基本電費。

3）無論發(fā)電廠起動/備用電源從廠外電力系統(tǒng)還是從廠內(nèi)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(fā)電廠廠用電接線設(shè)計影響最大的一種做法。

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

1　GCB發(fā)展現(xiàn)狀

由于火力發(fā)電廠設(shè)計技術(shù)規(guī)程的制約，1999年前國內(nèi)600MW汽輪發(fā)電機組中只有沙角C廠的3臺機組裝有GCB和部分前蘇聯(lián)進口機組采用GCB方案。

600MW以上大容量發(fā)電機組一般接入500kV系統(tǒng)，500kV高壓斷路器均為分相操作機構(gòu)，容易發(fā)生非全相運行，一旦發(fā)生非全相運行，會嚴重威脅發(fā)電機安全。為此，2000年修訂的規(guī)程規(guī)定，在技術(shù)經(jīng)濟合理時，容量為600MW機組的發(fā)電機出口可配置斷路器或負荷開關(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)不能滿足形勢發(fā)展需要。

真空型因滅弧室處于真空狀態(tài)，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(shù)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(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(fā)展，其短路開斷電流達到200kA。

當前，在智能變電站的快速發(fā)展，已經(jīng)研發(fā)出測量數(shù)字化、狀態(tài)可視化、信息互動化、控制網(wǎng)絡化、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(wǎng)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(wǎng)能力。

2）外購電量電費問題

據(jù)統(tǒng)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(yè)用戶計費，由于工業(yè)電價與發(fā)電廠成本電價差額較大，這也將影響機組的經(jīng)濟效益。

3）廠用電電源安全問題

由于大容量發(fā)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(tǒng)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(chǎn)生較大的暫態(tài)電流沖擊，對主變壓器、廠用變壓器壽命會產(chǎn)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(lián)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(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

當發(fā)電機配置GCB后，正常運行時廠用電電源由發(fā)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(shù)及人為誤操作事故的發(fā)生，減少暫態(tài)電流對設(shè)備的沖擊次數(shù)，延長設(shè)備使用壽命。

當發(fā)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(fā)電機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(nèi)部故障時，絕緣閃絡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，當高壓斷路器把系統(tǒng)與故障點分開后，燃弧電流只由發(fā)電機供給。如沒有GCB，主變壓器高壓側(cè)斷路器斷開后，發(fā)電機在停機滅磁過程中仍連續(xù)不斷的對變壓器故障點提供短路電流，使油箱內(nèi)部壓力繼續(xù)上升，極有可能使故障范圍進一步擴大。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(chuàng)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(xiàn)，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(fā)電機斷路器兩側(cè)同級電壓，使得同期操作系統(tǒng)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(xiàn)同期操作和不同期操作所引起的延遲過零電流，對系統(tǒng)有著不同的影響，在同期操作過程中由于發(fā)電機轉(zhuǎn)子快速轉(zhuǎn)動產(chǎn)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(cè)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(zhì)閃絡。當同期操作在發(fā)電機出口進行時，由于發(fā)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(chǎn)或大修后的機組調(diào)試中，發(fā)電機與主變壓器由GCB分隔，可分為兩部分進行調(diào)試，使調(diào)試更為方便，并能節(jié)省調(diào)試時間。

5）增加設(shè)備投資

國產(chǎn)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(nèi)布置和發(fā)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(shè)有載調(diào)壓裝置。有載調(diào)壓裝置一般采用進口或合資產(chǎn)品，價格昂貴。這些會引起發(fā)電廠基建設(shè)備投資增加。

3　GCB配置經(jīng)濟性分析

3.1電氣主接線設(shè)計要求

設(shè)計規(guī)范規(guī)定，600MW及以上機組，根據(jù)工程具體情況，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟論證合理時，在發(fā)電機與變壓器之間可配置發(fā)電機斷路器或負荷開關(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級及以上的機組，每2臺機組可設(shè)1臺或2臺高壓廠用起動/備用變壓器。當配置發(fā)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(shè)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(tǒng)，廠網(wǎng)分開后，發(fā)電廠從外部電網(wǎng)引接起動/備用電源涉及交納巨額的基本電費，為提高經(jīng)濟效益，降低運行成本，新建項目起動/備用電源設(shè)計時都盡量避開電網(wǎng)收取基本電費的接線，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/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，每臺機設(shè)計1臺高壓廠用變壓器，采用無激磁調(diào)壓。每2臺機公用1臺起動/備用變壓器，采用有載調(diào)壓。變壓器容量設(shè)計為68/34-34MVA。

接線二是按配置GCB設(shè)計，每臺機設(shè)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(diào)壓，容量為68/34-34MVA。

2）起動/備用變壓器接220kV系統(tǒng)

接線三是按擴建項目考慮，廠內(nèi)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(shè)置1臺高壓廠用變壓器，采用無激磁調(diào)壓。每2臺機公用1臺起動/備用變壓器，采用有載調(diào)壓，容量設(shè)計為68/34-34MVA。

接線四是按配置GCB設(shè)計，每臺機設(shè)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(diào)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(shè)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(xiàn)在以下幾個方面：

（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/備用變壓器設(shè)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(tǒng)費用分析

表1比較備用電源接入500kV系統(tǒng)時配置GCB前后所帶來的主設(shè)備投資差異分析，費用計算依據(jù)2014年版《火電工程限額設(shè)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(shè)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(guān)口表安裝主變壓器側(cè)，起動/備用變壓器按大工業(yè)用戶電價計費的發(fā)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(yè)電價與發(fā)電成本電價相差約0.38元/ kW·h，若不考慮進口有載調(diào)壓裝置和GCB的維護費用，機組全部運行后可在44個月內(nèi)收回設(shè)備投資。

3）備用電源接入220kV系統(tǒng)費用分析

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

表1　起動/備用變壓器接入500kV系統(tǒng)費用對比分析

表2　起動/備用變壓器接入220kV系統(tǒng)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(shè)備投資。

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

一般發(fā)電機投產(chǎn)一年內(nèi)要進行首次大修，且機組投運初期穩(wěn)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(shè)GCB后設(shè)備投資回收周期應更短。

4　結(jié)論

對于大型火力發(fā)電機組是否配置GCB，通過文中分析，得出如下結(jié)論：

1）無論發(fā)電廠起動/備用電源從廠外還是從廠內(nèi)母線上引接時，電網(wǎng)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(shù)量和容量。

2）對于能避開交納基本電費接線方式的發(fā)電廠，要結(jié)合外購電量電價綜合考慮。當外購電量電價按照大工業(yè)用戶計費的，應配置GCB。若外購電量按發(fā)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(yōu)化[J]. 能源與環(huán)境, 2007(5): 50-52, 56.

[2] DL/T 5000—2000. 火力發(fā)電廠設(shè)計技術(shù)規(guī)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(chǎn)發(fā)電機斷路器的主攻方向[C]. 中國水力發(fā)電工程學會2010年電氣學術(shù)交流會. 2010.

[4] 徐齊巍. 大容量SF6發(fā)電機斷路器關(guān)鍵技術(shù)的探討[J]. 智能電網(wǎng), 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(shù)條件[S].

[6] 徐新平. 大機組GCB方式下并網(wǎng)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(fā)電廠設(shè)計規(guī)范[S].

[8] 電力規(guī)劃設(shè)計總院. 火電工程限額設(shè)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(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

作者簡介