檀 煒

（中電電力檢修工程有限公司，上海 200086）

0 引言

越南永新燃煤電廠一期BOT 項目是由中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司、中國電力國際有限公司、越煤電力總公司共同投資建設(shè)，越南永新一期電力有限公司負(fù)責(zé)建設(shè)和運營工作，該項目是中國在越南投資建設(shè)的第一個大型BOT 電源項目。項目建設(shè)規(guī)模為兩臺620MW 等級超臨界燃煤機組，采用“W”火焰鍋爐，海水直流冷卻凝汽式汽輪發(fā)電機組，配套海水淡化、煙氣脫硝、海水脫硫、卸煤碼頭等設(shè)施，通過500kV 架空線路向越南電網(wǎng)供電。兩臺機組三大主機由中國東方電氣公司制造，主變壓器、高壓廠用變壓器、啟動/備用變壓器均為中國天威保變制造。

圖1 電氣主接線部分原理框圖Fig.1 Block diagram of the electrical main wiring part

本項目兩臺發(fā)電機出口與主變之間設(shè)計安裝有發(fā)電機斷路器GCB（Generator Circuit Breakers）控制系統(tǒng)。本文結(jié)合越南電網(wǎng)運行現(xiàn)狀，廠用電設(shè)計和負(fù)荷優(yōu)化分配等特點分析GCB 系統(tǒng)的功能設(shè)計、運行規(guī)律、邏輯保護(hù)和應(yīng)用實踐等。發(fā)電機斷路器系統(tǒng)采用ABB 公司生產(chǎn)的HECS-130XXLP，并同步配置發(fā)電機斷路器監(jiān)控系統(tǒng)GMS600-G/GT。

1 電氣主接線部分原理框圖

圖1 為電氣主接線部分原理框圖，圖中上方虛線框中的500kV 變電站歸屬越南國家電力公司管轄，其所有權(quán)、使用權(quán)、操作權(quán)和設(shè)備維護(hù)均屬于該公司所有，電廠調(diào)度指令由越南國家電力系統(tǒng)調(diào)度中心下發(fā)。發(fā)電機和主變之間設(shè)計配置有GCB 系統(tǒng)，主變出口線路通過變電站兩條500kv 母線接入越南電網(wǎng)。

2 配置GCB系統(tǒng)必要性和可靠性分析

根據(jù)中國最新版的《火力發(fā)電廠設(shè)計技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定：“技術(shù)經(jīng)濟合理時，容量為600MW 機組的發(fā)電機出口可裝設(shè)發(fā)電機出口斷路器或負(fù)荷開關(guān)”[1]。事實上，近年來GCB 系統(tǒng)不僅應(yīng)用在火力發(fā)電機組，在核電站、水電站及抽水蓄能電站也得到了廣泛的應(yīng)用。由于肩負(fù)著保護(hù)發(fā)電機組、主變壓器和其他重要電氣設(shè)備的重要功能，因而GCB 系統(tǒng)在技術(shù)上存在著以下幾個特點：

1）以電網(wǎng)輸入端為無窮大系統(tǒng)，則當(dāng)發(fā)電機出口斷路器在開斷系統(tǒng)短路故障時，要求具有更高的恢復(fù)電壓上升率。以額定電壓12 kV，短路電流40 kA 的工況為例，國家相關(guān)規(guī)定要求的GCB 恢復(fù)電壓上升率高達(dá)4 kV/μs，而普通斷路器的要求恢復(fù)電壓上升率僅為0.34 kV/μs，可見發(fā)電機出口斷路器必須具備極高的介質(zhì)恢復(fù)速度。

2）與輸變電線路相比，發(fā)電機的標(biāo)準(zhǔn)時間常數(shù)更長（150/45 ms），所以發(fā)電機在斷開短路電流時的衰減過程遠(yuǎn)長于普通輸變電線路。所以在分閘周期相同的前提下，發(fā)電機出口斷路器將面臨擁有更高直流分量的非對稱短路電流。以分閘時間為工頻兩周波計，發(fā)電機出口斷路器需要開斷的直流分量占到非對稱短路電流的76%～79% ，相比之下，普通斷路器需要開斷的直流分量僅占非對稱短路電流的30%～34%。同時，為確保發(fā)電機出口斷路器在開斷短路電流時的絕緣性能，其耐受電壓峰值限定為額定短路開斷電流有效值的2.74 倍，大于普通斷路器的2.5 倍?？梢姡l(fā)電機出口斷路器比同等級的普通斷路器擁有更高的絕緣水平。

3）由于發(fā)電機短路阻抗的固有特點，當(dāng)發(fā)電機本體發(fā)生短路時，其短路電流一般遠(yuǎn)低于系統(tǒng)短路時的短路電流，而由于其容量遠(yuǎn)小于系統(tǒng)，往往會在數(shù)個工頻周波時間內(nèi)均未出現(xiàn)電流零點的情況，從而錯過最佳滅弧時機，加大了分?jǐn)喽搪冯娏鞯碾y度?？梢姡l(fā)電機出口斷路器必須承受更長的滅弧時間或者能夠使電流迅速過零的強制功能。

國內(nèi)絕大多數(shù)的火力發(fā)電機組，其發(fā)電廠側(cè)變電站均屬于電站管轄范圍，變電站中所屬設(shè)備的操作和維護(hù)都?xì)w屬發(fā)電廠。因此，較少考慮設(shè)計發(fā)電機出口斷路器，機組并網(wǎng)運行和解列操作均通過變電站中的斷路器自動實現(xiàn)機組并網(wǎng)和解列。而越南永新一期兩臺機組變電站屬于越南國家電力系統(tǒng)調(diào)度中心管轄，其操作權(quán)受控于電網(wǎng)。根據(jù)越南電網(wǎng)實際運行方式和電網(wǎng)容量及構(gòu)架，該BOT 項目兩臺發(fā)電機組均設(shè)計有GCB 控制系統(tǒng)。

通過對帶發(fā)電機出口斷路器與不帶發(fā)電機出口斷路器的接線方式進(jìn)行分析研究，設(shè)計、安裝發(fā)電機出口斷路器（GCB）主要基于以下功能優(yōu)勢：

a）機組啟動前，機組啟停電源可經(jīng)過主變倒送至廠用變作為啟動電源，啟動備用變壓器所引入的電源作為熱備用電源，保證了機組啟動時的廠用電源的可靠性。機組啟動時，不需要由啟動變壓器引進(jìn)市電，僅需斷開GCB，使廠用電受電，不需切換廠用電，規(guī)避了廠用電切換不成功風(fēng)險，提高廠用電可靠性。電氣主回路系統(tǒng)設(shè)計安裝有GCB 系統(tǒng)，如電網(wǎng)設(shè)計容量及運行可靠性足夠高，且主變配置安全可靠，從投資運營和設(shè)備運行角度也可考慮取消啟動備用變壓器的設(shè)計和配置。

b）機組正常啟/停時，由GCB 系統(tǒng)實現(xiàn)自動并網(wǎng)、解列功能，主變一直保持在網(wǎng)運行，廠用電也無需切換，減少變電站設(shè)備的操作，提高廠用電的安全性。機組正常運行時，在GCB 入口側(cè)以內(nèi)發(fā)生故障（如發(fā)電機、汽機、鍋爐等故障）時只需跳開GCB 而無需跳主變壓器高壓側(cè)500kV 斷路器，減少了在沒有GCB 系統(tǒng)時廠用電切換的操作及電網(wǎng)側(cè)的相關(guān)設(shè)備的操作，降低了故障時運行操作難度，且對電網(wǎng)影響較小，提高了電力系統(tǒng)的可靠性，降低由于廠用電切換故障造成全廠停電事故的機率。

c）設(shè)計配置GCB 系統(tǒng)有利于保護(hù)主變壓器、高壓廠用工作變壓器。在發(fā)生操作故障或系統(tǒng)振蕩時，或者主變壓器、高壓廠用工作變壓器發(fā)生內(nèi)部故障時，由于發(fā)電機勵磁電流衰減存在一定的時延，在發(fā)變組保護(hù)動作切除主變高壓側(cè)開關(guān)后，發(fā)電機在勵磁電流衰減階段仍向故障點供電。GCB 開斷時間相對發(fā)電機滅磁的時間（數(shù)秒）要快得多，GCB 能快速斷開發(fā)電機與主變之間的主回路，大大減輕故障電流對變壓器的危害，且不用切換廠用電，而使主變壓器和高廠變受到更好的保護(hù)。

d）設(shè)計配置GCB 有利于保護(hù)發(fā)電機。在發(fā)電機出口發(fā)生非對稱短路、高壓開關(guān)的非全相操作及承受不平衡負(fù)荷時，避免或減少對發(fā)電機的危害。對于發(fā)電機變壓器組接線，其高壓開關(guān)由于額定電壓較高（500kV），敞開式開關(guān)相間距離較大，不能做成三相機械連動，高壓開關(guān)的非全相工況即使在正常操作時也時有發(fā)生，高壓開關(guān)的非全相運行會在發(fā)電機定子上產(chǎn)生負(fù)序電流，而發(fā)電機轉(zhuǎn)子承受負(fù)序磁場的能力是非常有限的，嚴(yán)重時會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子損壞。而發(fā)電機出口斷路器在設(shè)計和制造中都充分考慮了三相機械連動，有效防止了非全相操作的發(fā)生。

e）越南500kV 電網(wǎng)容量相對較小且旋轉(zhuǎn)備用容量也很有限，受大容量發(fā)電機組的影響比較明顯，尤其在機組基建調(diào)試階段需要做各類機組性能試驗，涉及到出線斷路器多次的跳、合閘試驗時，對電網(wǎng)影響較大。加裝GCB 后，相關(guān)試驗操作對電網(wǎng)系統(tǒng)影響較小。

3 GCB系統(tǒng)構(gòu)建及邏輯功能分析

3.1 GCB控制系統(tǒng)組成

本項目GCB 控制系統(tǒng)是由瑞士ABB 有限責(zé)任公司生產(chǎn)的HECS-130XXLP 型SF6氣體絕緣的金屬封閉開關(guān)和發(fā)電機斷路器監(jiān)控系統(tǒng)GMS600-G/GT 組成。GCB 控制系統(tǒng)主要由斷路器本體、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、避雷器、電壓/電流互感器、電容器和控制柜組成。現(xiàn)場控制柜由上下兩層組成，上層主要有操作面板、二次接線端子、二次回路、小空氣開關(guān)、繼電器和保險等，下層有斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)的操作機構(gòu)及電氣聯(lián)鎖裝置。GCB 監(jiān)控系統(tǒng)GMS600-G/GT 主要從GCB 系統(tǒng)和本地人機接口接受輸入信號，并向GCB 系統(tǒng)和DCS 系統(tǒng)輸出相關(guān)信號，用于邏輯判斷分析、數(shù)據(jù)處理和執(zhí)行機構(gòu)控制等功能。

操作機構(gòu)為液壓彈簧儲能機構(gòu)，三相聯(lián)動，額定操作電壓為DC110V，設(shè)置遠(yuǎn)方和就地操作兩種方式。每個GCB 配備兩個單獨的跳閘線圈和必要的壓力開關(guān)，用于主保護(hù)和后備保護(hù)，跳閘線圈分別由各自獨立的電源供電。操作機構(gòu)具有防誤跳功能，在氣體壓力過低時，操作機構(gòu)能避免GCB 的慢合和慢分功能。液壓報警裝置在壓力達(dá)到高限和低限時發(fā)出報警信號，且壓力達(dá)到最低限值時閉鎖動作操作機構(gòu)。

GCB 采用三相合一的SF6氣體滅弧系統(tǒng)，配置有排氣閥、充氣閥、可調(diào)節(jié)的壓力指示器、壓力釋放閥、氣體濃度（密度）監(jiān)測裝置和輔助繼電器等，具備報警、聯(lián)鎖和控制功能。

GCB 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖如圖2 所示[2]，GCB 監(jiān)控系統(tǒng)GMS600-G/GT 面板示意如圖3 所示[2]，GCB 系統(tǒng)主回路結(jié)構(gòu)如圖4 所示[2]。

3.2 GCB控制邏輯分析

3.2.1 斷路器Q0合閘控制邏輯[4]

Q0 合閘方式有遠(yuǎn)程自動控制和就地手動控制兩種控制方式，合閘的前提條件是GCB 就地設(shè)備可用，主要條件包括：液壓儲能驅(qū)動機構(gòu)正常，SF6壓力及密度正常，Q0 在斷開位置。斷路器Q0 合閘控制邏輯如圖5 所示。

圖4 GCB系統(tǒng)主回路結(jié)構(gòu)簡圖Fig.4 Schematic diagram of the main loop structure of the GCB system

遠(yuǎn)程自動控制邏輯條件：接地開關(guān)Q81/Q82 在斷開位；隔離開關(guān)Q9 在閉合位；就地切換按鈕S2 在遠(yuǎn)控位（REMOTE MODE）；遠(yuǎn)控合閘指令信號（發(fā)變組同期并網(wǎng)合閘等信號）發(fā)出。

就地手動控制邏輯條件：隔離開關(guān)Q9 在斷開位；就地切換按鈕S2 在就地位（LOCAL MODE）；按下就地啟動按鈕SH11（LOCAL CMD CLOSE）。就地手動操作斷路器Q0主要是在機組停運時驗證和試驗Q0 的功能、執(zhí)行機構(gòu)和相關(guān)報警信號的正確性。

3.2.2 斷路器Q0跳閘控制邏輯[4]

斷路器Q0 跳閘控制有兩種聯(lián)鎖跳閘信號，TRIP1 信號主要包括：發(fā)變組保護(hù)A 屏跳閘信號（2 路）；集控室操作臺上緊急停機按鈕（兩個按鈕同時觸發(fā)）；DCS 遠(yuǎn)方聯(lián)鎖跳閘信號；就地斷開操作指令。TRIP2 信號主要包括：發(fā)變組保護(hù)B 屏跳閘信號（2 路）；集控室操作臺上緊急停機按鈕（兩個按鈕同時觸發(fā)）。斷路器Q0 跳閘控制邏輯如圖6所示。

3.2.3 隔離開關(guān)Q9合閘/分閘控制邏輯[4]

隔離開關(guān)Q9 合閘的前提條件是：Q0/Q9/Q81/Q82 均在斷開位且執(zhí)行機構(gòu)在馬達(dá)控制方式（Q9 不在機械操作方式）。隔離開關(guān)Q9 合閘控制信號包括：遠(yuǎn)控方式下DCS 合閘指令；就地手動合閘指令；584-76 合閘閉鎖；6.6KV 開關(guān)接地手車閉鎖（A/B/C 三段母線）。

隔離開關(guān)Q9 分閘的前提條件是：Q0 在斷開位和Q9 在合閘位，且執(zhí)行機構(gòu)在馬達(dá)控制方式（Q9 不在機械操作方式）。隔離開關(guān)Q9 分閘控制信號包括：遠(yuǎn)控方式下DCS 分閘指令；就地手動分閘指令。

隔離開關(guān)Q9 合閘和分閘控制邏輯如圖7 所示。

3.2.4 接地開關(guān)Q81控制邏輯[4]

圖5 斷路器Q0合閘控制邏輯Fig.5 Circuit breaker Q0 closing control logic

圖6 斷路器Q0跳閘控制邏輯Fig.6 Circuit breaker Q0 trip control logic

圖7 隔離開關(guān)Q9合閘/分閘控制邏輯Fig.7 Isolation switch Q9 closing/opening control logic

接地開關(guān)Q81 是安裝在發(fā)電機側(cè)的接地開關(guān)，通過接通接地開關(guān)，外罩內(nèi)的所有或部分帶電零件都得以可靠接地，能夠始終確保斷開開關(guān)位置所需的絕緣水平，接地開關(guān)還能短時承載由發(fā)電機產(chǎn)生的短路電流。接地開關(guān)僅在空載條件下執(zhí)行接通和斷開操作。接地開關(guān)Q81 控制邏輯如圖8 所示。

圖8 接地開關(guān)Q81控制邏輯Fig.8 Grounding switch Q81 control logic

3.2.5 接地開關(guān)Q82控制邏輯[4]

接地開關(guān)Q82 是安裝在變壓器側(cè)的接地開關(guān)，通過接通接地開關(guān)，外罩內(nèi)的所有或部分帶電零件都得以可靠接地，能夠始終確保斷開開關(guān)位置所需的絕緣水平，接地開關(guān)還能短時承載由變壓器產(chǎn)生的短路電流。接地開關(guān)僅在空載條件下執(zhí)行接通和斷開操作。接地開關(guān)Q82 控制邏輯如圖9 所示。

圖9 接地開關(guān)Q82控制邏輯Fig.9 Grounding switch Q82 control logic

4 結(jié)束語

機組設(shè)置GCB 控制系統(tǒng)，特別是對來自于鍋爐、汽機的熱工或電氣誤動跳閘信號，盡快恢復(fù)機組運行和避免誤操作導(dǎo)致的事故是非常有利的。發(fā)電機出口裝設(shè)GCB 系統(tǒng)使發(fā)變組保護(hù)的配置簡單清晰，并減少了電網(wǎng)保護(hù)動作的聯(lián)鎖復(fù)雜性。機組正常啟動或停機時，廠用電源均由電網(wǎng)系統(tǒng)通過主變壓器供給，而無需廠用電源的切換。機組并網(wǎng)或停機只需通過GCB 就可完成，縮短了機組啟動時間，對發(fā)動機的電沖擊和機械沖擊也大大減少了。

簡化了同期操作順序，采用高壓斷路器（500kV）進(jìn)行并網(wǎng)操作的同時，斷路器將會承受電壓應(yīng)力，在外部絕緣受到污染情況下，這些電壓應(yīng)力可能造成斷路器外部絕緣的閃絡(luò)。當(dāng)同期操作在發(fā)電機出口電壓等級（2.2kV）進(jìn)行時，對斷路器的電壓應(yīng)力便會消失。利用GCB 進(jìn)行同期操作，比較的是GCB 兩側(cè)的同級電壓，使得同期操作簡便可靠；另外由于GCB 系統(tǒng)安裝在室內(nèi)，環(huán)境條件比較好，絕緣裕度寬，將保證同期操作的更加可靠。