发电机出口断路器及起备电源引接方式研究

段芃

摘要：1000MW级大型机组发电机出口断路器的设置及起动/备用电源的引接对电厂的安全运行十分重要，且二者的关系十分密切，本文结合本工程一期起动/备用电源引接方案，分析了出口断路器的设置及起动/备用变压器高压侧电源引接的方案。

关键词：发电机出口断路器；起动/备用电源

1.前言

华电莱州发电有限公司二期2×1000MW级超超临界火电机组工程，电厂规划8×1000MW超超临界火电机组；一期工程2×1000MW超超临界燃煤发电机组已建成投产，本期工程扩建2×1000MW级超超临界燃煤发电机组，同步建设烟气脱硫、脱硝装置。

莱州电厂一期工程2×1000MW机组通过双卷变压器接入电厂的500kV配电装置，厂内500kV电气主接线采用双母线接线，一期工程2×1000MW机组发电机出口未设断路器，起备电源从厂内500kV引接；二期扩建2×1000MW机组通过双卷变压器接入电厂的500kV配电装置，本期500kV配电装置在一期500kV配电装置的基础上扩建，新扩建的500kV配电装置与一期工程500kV配电装置通过母线分断相互连接。

考虑到一期工程，2×1000MW机组未设置发电机出口断路器，且起动/备用电源的引自500kV配电装置，两台机设置了一台85/53-53MVA的分裂变压器，每台机设置了两台容量为53MVA的双卷变压器，为单元负荷及公用负荷供电。经了解一期工程实际运行情况起动/备用电源容量尚有部分裕量。为此，本期起动/备用电源，结合发电机出口断路器的配置，考虑如下两个方案：

方案一：（不设GCB， 起动/备用电源由500kV引接）：每台发电机出口不设断路器（GCB），本期两台机组设一台起动/备用分裂变，其容量与厂用工作变压器相同，高压侧电源由厂内500kV配电装置引接，一级降压至10kV厂用母线。（基建部建议：在方案一的基础上二期启动/备用变压器与一期启动/备用变压器低压侧通过联络开关互联。）

方案二：（设GCB， 事故停机电源从一期启动/备用变压器引接）：每台发电机出口设断路器（GCB），本期不设备用电源，仅由一期启动/备用变压器引接停机电源。

2.发电机出口装设断路器的技术比较

2.1 装设发电机出口断路器的优越性

发电厂装设GCB的主要作用是在于简运行操作程序，减小发电机和变压器的事故范围，简化厂用电切换合同期操作，提高其可靠性，方便调试和维护。

2.1.1 GCB对发电机的保护作用

在发电机承受不平衡负荷或发电机出口发生不对称短路时，会在转子本体表面感应出两倍工频涡流，引起转子绕组过热。同时，两倍工频的交变电磁转矩使机组产生倍频振动，引起金属疲劳和机械损伤。附加发热和倍频振动都会严重威胁发电机的安全运行，GCB可以迅速切除故障，使发电机免遭损坏。当故障或异常情况消除后，允许发电机快速与系统并列运行。

2.1.2 提高机组保护的选择性

当发电机发生内部故障或汽机、锅炉发生故障引起跳机时，GCB可迅速跳闸，使发电机与电网隔离，而不必连主变压器一并切除，厂用电源仍可由系统通过主变压器倒送，从而避免了厂用电系统的事故切换，提高了厂用电系统的可靠性，且为迅速处理故障创造了条件。

2.1.3避免机组启、停时厂用电源的切换，提高厂用电系统的可靠性

发电机出口装设GCB后，发电机组的起停电源是经主变压器倒送通过高压厂用变压器获得，从机组启动到发电机并网发电，整个过程都无需进行厂用电切换。正常运行时，只有在厂变故障情况下才需要厂用电切换，且调查资料显示，采用GCB可以使廠用电切换减少至约1/350，对电动机频繁起动造成的危害有较好的保护作用，可大大提高厂用电系统的可靠性，这一点极为有利于现场的运行。

2.1.4机组在同期或并网过程中的作用

利用GCB同期，不但可以保证同期操作的灵活、可靠，而且可以避免在主变高压侧同期待并时可能出现两侧电压反相而对设备绝缘造成严重的损伤；机组在并网或停机时只需通过GCB就可完成，不影响对厂用电系统的供电，可有效地缩短机组的启动时间，操作元件的相应减少也降低了误操作的几率。

2.1.5方便机组的试验、调试和维护

GCB将发电机—变压器组分为发电机和变压器两部分，由于这种电气分离由GCB实现，不同的系统可分开进行测试；厂用电由主变压器供电时，发电机可在欠励磁条件下进行测试；另外，发电机的短路试验也可方便地利用GCB所带的短路隔离开关来实现。GCB实现的这种实体隔离为发电机、变压器的调试和维护提供了更大的便利。

2.1.6 改善大容量电机的启动条件

发电机出口装设GCB后，主变压器采用有载调压变压器，可以根据厂用高压母线的电压的实际情况调整母线电压，确保在大容量高压电机启动时，避免母线电压下降到要求值以下。

除了上述主要作用外，发电机出口装设GCB还可以使厂用起动/备用系统简化，便于布置，缩短故障切除时间等优点。

2.2 发电机出口装设GCB后存在的问题

2.2.1 故障点问题

发电机出口不装设GCB的机组发电机到主变之间只有封闭母线，安全性较高；发电机与主变之间串接GCB后，发电机变压器回路的可靠性要比无GCB时下降，GCB故障或检修时将影响整个机组的运行，具有一定的风险和不经济性。

2.2.2变压器有载调压问题

主变压器既要满足倒送厂用起动、停机电源的要求，又需有升压变压器的功能，两种不同情况时主变压器高压侧母线的电压波动较大，为了保证厂用电动机起动时高压厂用母线的电压水平，主变压器或高压厂用变压器需采用有载调压型，有载调压开关本身结构较无载调压开关复杂，投资较大，而且频繁操作有可能发生故障，因此采用有载调压开关既增加了投资，也降低了可靠性，对机组的安全可靠运行带来一定的不利影响。

2.2.3 GCB价格及运行维护的问题

发电机出口断路器GCB本身投资较大，而且必须是进口，采购周期较长，由于进口采购，其备品备件的采购也不是非常方便，有可能因备品备件采购的不及时影响到整个机组的运行。另外由于高厂变或主变需要采用有载调压开关，也将增加投资。

2.2.4 结论

通过以上技术分析比较，发电机出口装设GCB优于不装设GCB，可以简化厂用电切换操作程序，提高发电机及主变、高压厂用变压器的保护水平，简化同期操作，便于检修、调试，缩短故障恢复时间，提高机组可用率，节省高压备用变压器在热备用方式下的空载电能损耗。但初投资较高，GCB设备为全套进口设备，设备维护技术门槛较高、备品备件采购不便。

下面将结合起动/备用电源的引接方案进行综合的分析比较。

3.起动/备用电源的引接方式

3.1技术分析

3.1.1起/备电源可靠性比较

起/备电源采用500kV引接时，本期500kV升压站扩建后，形成双母线双分断接线且增加一回出线，升压站的可靠性较高，故起/备电源的可靠性也将提高。

3.1.2起/备变可靠性

500kV/10kV-10kV起动/备用变压器， 目前此种变压器的运行业绩也较多，变压器的可靠性也能较好满足要求。

3.1.3发电机出口设GCB，对起/备变可靠性的要求

发电机出口不设GCB时，起/备变不仅作为起动和停机的电源，而且还作为工作变压器事故或检修状态下的备用，因此对起/备变的可靠性要求高。当发电机出口设GCB时，机组正常起动时的电源可从500kV通过主变倒送过来。起/备变的功能作为机组的事故停机电源和高厂变的检修备用，因而对备用变压器的可靠性要求可适当降低。

3.2 方案比较分析

方案一：采用和一期工程同样的配置，即不设发电机出口断路器，起备电源由厂内500kV母线引接。

（1）此方案接线简单清晰，一二期厂用电之间无相互电气联系，各自系统互相独立，不会产生相互影响 ，可靠性高。

5. 结论

方案一：不设GCB， 起动/备用电源由500kV引接的优缺点如下：

优点：（1）发电机出口不装设GCB的机组发电机到主变之间只有封闭母线，安全性较高；接线简单可靠，且与一期系统保持一致；

（2）一二期启动/备用变压器之间增加联络后能增加机组备用电源的可靠性；

（3）初始投资较少，节省的投资在收益率上完全能覆蓋启动/备用变压器的空载损耗和维护成本。

缺点：（1）在启、停机时厂用电源切换频繁；

（2）一期启动/备用变压器继电保护装置需要改造。

方案二：设GCB，事故停机电源从一期启动/备用变压器引接的优缺点如下：

优点：（1）减化操作程序，提高供电可靠性；只有在极特殊的情况下， 即主变或高压厂用变故障时需进行厂用电电源切换， 事故恢复快，提高厂用电供电的可靠性；

（2）简化发电机的同期回路；对保护主变压器、高压厂用工作变压器有利；

（3）缩小继电保护分区，提高保护的动作选择性和故障分辨能力， 简化保护接线等。

缺点：（1）发电机与主变之间串接GCB后，发电机变压器回路的可靠性要比无GCB时下降，GCB故障或检修时将影响整个机组的运行，具有一定的风险和不经济性。

（2）设备的一次性投资较方案一高1580万元，不安装启动/备用变压器所带来的经济效益并不明显，不能覆盖设备前期的一次性投资。

（3）一期启动/备用变压器继电保护装置需要改造。

（4）有突破规程《火力发电厂设计技术规程》、《大中型火力发电厂设计规范》的规定之处。

综合考虑两种方案的优缺点及电厂30年的运行成本的经济性及维护工作量，本阶段推荐采用方案一（不设发电机出口断路器，起备电源由厂内500kV母线引接）。

参考文献：

[1]《电力变压器选用导则》GB17468

[2]《大中型火力发电厂设计规范》GB50660-2011