大型机组发电机断路器配置分析

周道军

（神华国华太仓发电有限公司，江苏 太仓　215433）



大型机组发电机断路器配置分析

周道军

（神华国华太仓发电有限公司，江苏 太仓215433）

摘要自从厂网分开后，发电厂起动/备用电源若由邻近的变电站引接，除了要承担发电厂输电线路基建设备投资外，运行以后还要向电网公司长期支付昂贵的变压器基本电费，因此，各设计院和发电厂对新建项目工程反复优化设计方案，努力提高机组投产后的上网竞价能力。本文通过经济、技术和安全几个方面的比较与分析，对是否配置发电机出口断路器进行综合论述，得出发电机出口断路器配置的几点意见，可为建设全寿命周期内效益最大化高效电厂提供参考。

关键词：配置；发电机断路器；火力发电厂

目前在建的火力发电机组中，600MW及以上机组已成主流。自厂网分开后，电网开始对从厂外引接起动/备用电源的收取基本电费。因此，优化中、高压电气系统连接方式，对发电厂具有重要的经济意义。

对于基本电费，电网公司有以下几种不同的处理方式。

1）将发电厂视为大工业用户，起动/备用电源从厂外引接时，要按月交纳基本电费，当从本厂母线引接时，则不收取基本电费。

2）采用与厂网分开以前的做法，无论发电厂起动/备用电源从厂外还是从厂内引接时，均不收取基本电费。

3）无论发电厂起动/备用电源从厂外电力系统还是从厂内母线上引接时，均要收取基本电费[1]。

第1种处理方式是大部分省电力公司的做法，也是对发电厂厂用电接线设计影响最大的一种做法。

发电机断路器（以下简称GCB）是发电机主回路的重要设备，在国外发电厂中已得到广泛应用。近年来，GCB在国内的应用也逐步提升。如果能够通过改进设计，优化厂用电一次系统接线，减少起动/备用变压器的数量或降低容量，应能为发电厂节约大量运行费用。

1　GCB发展现状

由于火力发电厂设计技术规程的制约，1999年前国内600MW汽轮发电机组中只有沙角C厂的3台机组装有GCB和部分前苏联进口机组采用GCB方案。

600MW以上大容量发电机组一般接入500kV系统，500kV高压断路器均为分相操作机构，容易发生非全相运行，一旦发生非全相运行，会严重威胁发电机安全。为此，2000年修订的规程规定，在技术经济合理时，容量为600MW机组的发电机出口可配置断路器或负荷开关[2]。

GCB经历了少油型、压缩空气型、真空型到SF6型几个发展阶段。短路开断能力差的少油型和压缩空气型已经不能满足形势发展需要。

真空型因灭弧室处于真空状态，无法对流散热，触头的载流热量是以热传导方式散热，从散热条件和触头抗熔焊的技术上看，每个真空灭弧室触头载流量很难超过5kA，故更适合在中小工作电流场所内使用[3]。

SF6气体是理想的绝缘和灭弧介质。目前研发出的SF6型GCB可以在开关中以对流方式大量带走触头导体载流能量，且随着载流能量的增大，还可以采用强迫风冷等方式进行散热，非常有利于向更大的载流量方向发展，其短路开断电流达到200kA。

当前，在智能变电站的快速发展，已经研发出测量数字化、状态可视化、信息互动化、控制网络化、功能一体化的SF6型GCB成套设备[4]。

2　GCB配置安全性分析

2.1GCB配置主要影响因素

1）基本电费问题

变压器基本电费划分为按变压器容量和实际最大需量收费两种标准。各省电网公司收费标准和收取方式各不相同，一般收费标准为按变压器容量12～20元/kVA/月，按最大需量20～30元/kW/月。无论按变压器容量还是需量收取基本电费，都将严重影响到机组的竞价上网能力。

2）外购电量电费问题

据统计，一台1000MW机组平均每年需要外购电量约600万kW·h。若按大工业用户计费，由于工业电价与发电厂成本电价差额较大，这也将影响机组的经济效益。

3）厂用电电源安全问题

由于大容量发电机组一般接入500kV等级，如果备用电源引自220kV变电站，当两个电源系统电气距离过大时，厂用电工作段与备用段电源相角差可能较大，在厂用电正常和事故切换时，会产生较大的暂态电流冲击，对主变压器、厂用变压器寿命会产生累计影响。为保证变压器的安全，厂用电切换闭锁角就不能整定过大。并联切换时，工作电源与备用电源相角差应不大于15°[5]，这样，就可能出现电源切换不成功。

2.2GCB配置性能分析

1）提高厂用电供电可靠性

当发电机配置GCB后，正常运行时厂用电电源由发电机提供，其起动或停机时厂用电源通过主变压器倒送至高压厂用变压器获得，无论机组正常运行还是解列停机，整个过程无需进行厂用电切换。只有当厂用变压器故障或检修时才切换至备用变压器供电，可以大大降低厂用电切换的次数及人为误操作事故的发生，减少暂态电流对设备的冲击次数，延长设备使用寿命。

当发电机故障跳闸时，特别是非电气原因引起的跳闸，厂用电自动由主变压器倒送电，可做到无扰动切换厂用电，各种厂用辅机不会因发电机跳闸而改变工作状态，给事故处理提供极大的方便，并减少因厂用电失去使事故扩大和设备损坏的可能性，厂用电源可靠性大为提高，并为机组恢复正常运行取得时间。

2）提高保护水平

当主变压器或高压厂用变压器内部故障时，绝缘闪络形成的电弧使油分解后产生大量气体，引起变压器内部压力升高，可能导致油箱破裂或爆炸。

变压器内部故障电弧电流由系统和发电机共同提供。系统提供的电弧电流由装在主变压器高压侧断路器切断，当高压断路器把系统与故障点分开后，燃弧电流只由发电机供给。如没有GCB，主变压器高压侧断路器断开后，发电机在停机灭磁过程中仍连续不断的对变压器故障点提供短路电流，使油箱内部压力继续上升，极有可能使故障范围进一步扩大。如装有GCB，GCB可在3周波（60ms）内切断故障电流，将发电机与故障变压器迅速隔离，能有效减少变压器的损坏程度，为修复变压器创造条件。

3）改善同期操作条件

配置GCB后，同期点可由GCB来实现，不存在高压断路器受电压应力影响的弊端。利用GCB进行同期操作，比较的是发电机断路器两侧同级电压，使得同期操作系统更加简单、可靠。国外最新研究表明：分别由高压断路器和GCB来实现同期操作和不同期操作所引起的延迟过零电流，对系统有着不同的影响，在同期操作过程中由于发电机转子快速转动产生的延迟过零电流，高压断路器分断延迟过零电流的能力非常有限，而GCB有足够的能力切断该电流[6]。

当同期在高压侧进行操作时，高压断路器可能会受到过电压作用。在污染较重的情况下，可能使高压断路器外部绝缘介质闪络。当同期操作在发电机出口进行时，由于发电机出口电压等级低，过电压相对较小，提高了同期并列的可靠性。

4）减少运行操作、方便检修维护

（1）机组正常起、停不需要切换厂用电，运行人员只需操作GCB，非常简便，减化了操作程序。

（2）在新机组投产或大修后的机组调试中，发电机与主变压器由GCB分隔，可分为两部分进行调试，使调试更为方便，并能节省调试时间。

5）增加设备投资

国产GCB开断大电流能力不满足要求，大容量机组GCB必须进口，价格昂贵，初期投资高；主厂房内布置和发电机引出线比不装GCB复杂；配置GCB后，为满足机组起停时厂用母线电压水平，要求厂用高压变压器或主变压器装设有载调压装置。有载调压装置一般采用进口或合资产品，价格昂贵。这些会引起发电厂基建设备投资增加。

3　GCB配置经济性分析

3.1电气主接线设计要求

设计规范规定，600MW及以上机组，根据工程具体情况，经技术经济论证合理时，在发电机与变压器之间可配置发电机断路器或负荷开关，主变压器或高压厂用工作变压器宜采用有载调压方式。

600MW级及以上的机组，每2台机组可设1台或2台高压厂用起动/备用变压器。当配置发电机断路器时，同容量高压厂用备用电源在4台及以下机组，可设1台高压厂用备用变压器[7]。

3.2备用电源主接线分析

以新建4×1000MW机组为例，机组一般接入500kV系统，厂网分开后，发电厂从外部电网引接起动/备用电源涉及交纳巨额的基本电费，为提高经济效益，降低运行成本，新建项目起动/备用电源设计时都尽量避开电网收取基本电费的接线，采用由厂内高压配电装置直接降压引接的供电方式。以下比较备用电源经厂内高压母线供电、配置或者不配置GCB的四种典型接线方案。

1）起动/备用变压器接500kV系统

接线一是500kV断路器按GIS考虑，不配置GCB，每台机设计1台高压厂用变压器，采用无激磁调压。每2台机公用1台起动/备用变压器，采用有载调压。变压器容量设计为68/34-34MVA。

接线二是按配置GCB设计，每台机设计1台高压厂用变压器，4台机公用1台起动/备用变压器，采用有载调压，容量为68/34-34MVA。

2）起动/备用变压器接220kV系统

接线三是按扩建项目考虑，厂内有220kV升压站，且具备扩建条件。220kV断路器按GIS考虑，不配置GCB，每台机设置1台高压厂用变压器，采用无激磁调压。每2台机公用1台起动/备用变压器，采用有载调压，容量设计为68/34-34MVA。

接线四是按配置GCB设计，每台机设置1台高压厂用变压器，4台机公用1台起动/备用变压器，采用有载调压，容量为68/34-34MVA。

3.3GCB配置方案费用分析

1）配置GCB对项目费用的影响

上述4种电气主接线设计方案均避开了交纳基本电费问题，配置GCB对工程项目费用的影响主要表现在以下几个方面：

（1）GCB设备投资。

（2）变压器有载调压装置设备投资。（3）减少起动/备用变压器设备费用。（4）降低机组运行后的外购电费。

2）备用电源接入500kV系统费用分析

表1比较备用电源接入500kV系统时配置GCB前后所带来的主设备投资差异分析，费用计算依据2014年版《火电工程限额设计参考造价指标》[8]。

表1反映出，配置GCB后，4台1000MW机组约增加3280万元设备投资。

按照一台1000MW机组年平均外购电量600万kW·h（含机组检修、变压器空载损耗等用电量）计算，对于关口表安装主变压器侧，起动/备用变压器按大工业用户电价计费的发电厂，4台1000MW机组每年需要外购电量2400万kW·h。以江苏某电厂为例，工业电价与发电成本电价相差约0.38元/ kW·h，若不考虑进口有载调压装置和GCB的维护费用，机组全部运行后可在44个月内收回设备投资。

3）备用电源接入220kV系统费用分析

表2比较备用电源接入220kV系统时配置GCB前后所带来的主设备投资差异分析。

表1　起动/备用变压器接入500kV系统费用对比分析

表2　起动/备用变压器接入220kV系统费用对比分析

表2反映出，配置GCB后，4台1000MW机组约增加4000万元设备投资。

外购电量按大工业用户电价计费的发电厂，安装GCB后，若工业电价与发电成本电价相差0.38 元/kW·h，当不考虑进口有载调压装置和GCB的维护费用时，机组全部运行后可在53个月内收回设备投资。

一般发电机投产一年内要进行首次大修，且机组投运初期稳定性相对较差，所以外购电量比长年平均值高，若再考虑这些因素，装设GCB后设备投资回收周期应更短。

4　结论

对于大型火力发电机组是否配置GCB，通过文中分析，得出如下结论：

1）无论发电厂起动/备用电源从厂外还是从厂内母线上引接时，电网公司均收取基本电费的，应配置GCB，并尽可能的减少备用变压器的数量和容量。

2）对于能避开交纳基本电费接线方式的发电厂，要结合外购电量电价综合考虑。当外购电量电价按照大工业用户计费的，应配置GCB。若外购电量按发电厂成本电价计费时，可不配置GCB。

参考文献

[1] 刘洋, 李霞. 600MW级机组起动/备用电源引接方式优化[J]. 能源与环境, 2007(5): 50-52, 56.

[2] DL/T 5000—2000. 火力发电厂设计技术规程[S]. 北京:中国电力出版社, 2000: 64.

[3] 沈文兰, 李本, 李建国. 研制国产发电机断路器的主攻方向[C]. 中国水力发电工程学会2010年电气学术交流会. 2010.

[4] 徐齐巍. 大容量SF6发电机断路器关键技术的探讨[J]. 智能电网, 2015(3): 201-207.

[5] DL/T 1073—2007. 电厂厂用电源快速切换装置通用技术条件[S].

[6] 徐新平. 大机组GCB方式下并网特点及分析[J]. 中国动力工程学会, 2009: 2.

[7] GB 50660—2011. 大中型火力发电厂设计规范[S].

[8] 电力规划设计总院. 火电工程限额设计参考造价指标[M]. 北京: 中国电力出版社, 2007: 273-276.

周道军（1973-），男，河南光山人，本科，工程师，从事火力发电厂电气二次专业管理。

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

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