极寒地区600MW汽轮发电机出口加装GCB重大项目研究分析

吉鹏

摘  要：国华呼贝电厂发电机出口加装断路器技改项目是2017至2018年度国华公司年度重大技改项目之一，也是原神华集团内首家、全国火电系统内第二个在已投运机组的发变组单元接线电气系统中加装发电机出口加装断路器的重大技改项目。为确保该项重大技改工程顺利实施，呼贝电厂高度重视，经过前期反复论证研究，深度调研系统内外成功案例，结合实际合理规划设计，现已成功完成两台机组发电机出口均已加装GCB改造项目。通过近两年改造后电气一次、二次设备或系统运行效果分析和验证，此项重大技改达到了预期效果和目的。改项后带来的安全效益和经济效益十分可观，加装出口断路器后，停机且冬季主变倒挂后主变内部油温可控制在10℃以上，改善了主变运行工况，延长主设备使用寿命，大大降低维护成本和日常工作量，隐形的安全效益是长期存在的，呼贝电厂成功的改造经验也为国家能源集团内火电机组加装出口GCB改造带来现实的指导意义。

关键词：GCB;调研;改造方案设计;主变

中图分类号：TM621 文献标志码：A 文章编号：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 項目概况

内蒙古国华呼伦贝尔发电有限公司（简称“呼贝电厂”）#1、#2 600MW汽轮发电机组分别于2010年11月20日和12月1日投产发电，发电机与主变压器原设计为发-变组单元接线方式（无发电机出口断路器和隔离刀闸），主变和高厂变随机组停运即进入停运冷备用。呼贝电厂所处地域冬季严寒、漫长（一年寒冬天气9个月）、冻害风险极高，且自投产以来因电网调度机组启停频繁。本次将#1发电机出口改造加装断路器GCB，改造后形成“停机不停变”的有利条件，能够保证主变和高厂变在停机期间继续带载保持运行油温，有效降低停運后的冻害绝缘风险，且节省外购电、减少厂用电切换简化流程。

1.2 调研情况

为确保呼贝电厂发电机出口加装断路器项目顺利实施完成，电厂高度重视，组织专人赴系统内、外加装GCB的电厂进行调研。2016年4月24日-4月30日，分别调研安徽田集电厂、国华台山电厂。

系统外（田集电厂）：该厂一期建设容量2×630MW国产超临界燃煤发电机组，已于2007年竣工投产。

因一期工程外送电网网架结构变化，发现相角差受系统运行方式影响较大，典型的几个运行方式下启备变低压侧和高厂变低压侧的相角差将达到22度～35度。该厂6kV快切装置在并联切换方式下所能设定的最大相角差为20度。超过20度后，除非解除快切闭锁，否则并联切换不会成功。在机组启动时都会碰到此类问题，若相角差过大，闭锁快切进行强行切换，有可能损坏运行中的一次设备。故该厂2015年、2016年分别加装GCB，改造后，配套电气一次、二次设备运行情况良好稳定。

系统内（台山电厂）：台山电厂共计7台机组，一期工程1、2机仍然为发电机-变压器单元接线;一期工程3、4、5号机为基建加装GCB开关，且为ABB开关;二期工程6、7号机为基建加装GCB开关，且为ABB开关;台山#6机加装GCB正面图。

2 改造方案设计

2.1 电气系统接线现况及改造方案综述

呼贝电厂调研系统内外成功案例后，结合实际考虑GCB的安装位置，并提出三个并网点的构想，发电机并网点新增一个（即为GCB），原主变高压侧两个500kV断路器仍然保留。单台机组的三个并网点均在DCS控制，但优先使用GCB作为每次启机的并网点。

2.2 出口断路器改造布置方案

2.2.1 发电机出口设备、母线及励磁设备布置现状

呼贝电厂#1发电机封闭母线从汽机房7.8米层上引出，穿过A排墙接至主变压器。发电机出口电压互感器/避雷器柜、励磁变压器布置在汽机房7.8米层、与主回路封闭母线通过分支封闭母线连接，发电机中性点接地柜布置在发电机中性点引出套管附近，用封闭母线与发电机中性点连接。两台厂用变分支封闭母线在汽机房A排墙外从发电机封闭母线下“T”接。

2.2.2 出口断路器布置方案

由于在基建期原设计当中未考虑加装出口断路器的可能性，故在主厂房中间层设备布置方案中未预留出口断路器安装位置，现阶段装设出口断路器主要存在以下几个问题：

（1）出口断路器的安装位置

根据现有设备布置情况，出口断路器布置位置可考虑如下方案：

方案一：在主厂房运转层设检修孔，将出口断路器GCB布置在主厂房中间层，将原有PT/LA柜和励磁变移至运转层，通过分支封闭母线进行连接。并相应对原有交流励磁母线进行改造。由于GCB安装高度有严格要求，采用该方案需在安装位置处新增一处100mm高的平台，供GCB安装用，并应能满足GCB开断时的动荷载要求。该方案需对原A轴至1/A轴之间的主回路封闭母线（含上升段）及PT/LA柜及励磁分支封闭母线进行改造;该方案需要在主厂房运转层设置GCB检修孔，孔大小不应小于6700×3000mm。并在运转层楼板下方对应GCB各相中心线处设置检修梁，供GCB各相断路器单元检修起吊用。

方案二：在主厂房A排外空冷管道支架上增设一层平台，将发电机出口断路器布置在平台上。采用该方案时，由于本工程所在地冬季户外温度低于-40°C，需设置加热装置对出口断路器进行加热。

方案三：将出口断路器GCB布置在主厂房中间层，对原A轴至1/A轴之间的主回路封闭母线（含上升段）进行改造，将主回路封闭母线引接至靠近A排附近的位置后再抬升。采用该方案时，发电机出口区域空间紧凑，为留出GCB安装空间，需要对PL/LA柜分支母线和上升段主回路封闭母线尺寸进行压缩。

以上三个方案中，方案一、三均需要对中间层主回路和分支回路封闭母线进行改造，在中间层新增GCB安装平台，并在运转层加设GCB检修孔。但方案一需要将原布置在中间层的PT/LA柜和励磁变移至运转层，改造工作量较大。方案二需将GCB布置在户外空冷管道支架上，一方面由于GCB开断时动荷载较大，支架能否承受需要核实，且安装起吊难度较大。另一方面，由于当地最低温度可低至-40℃，断路器六氟化硫灭弧单元难以在如此低温下可靠工作，需要局部封闭或者加装加热装置。且空冷管道在机组运行过程中会持续产生振动，不利于出口断路器稳定运行，故不推荐采用。

综上所述，方案三工程量较小，相对而言较为可行，故推荐方案三。

（2）封闭母线改造方案

原有主厂房发电机出口封闭母线主回路由发电机基座引出后，在1/A轴处母线中心标高由9.4米升高至10.5米后，向A排延伸并穿出接至主变压器。加装出口断路器后，由于出口断路器安装要求，主回路封闭母线穿出基座后，需要保持9.4米的中心标高接至出口断路器，由出口断路器变压器侧引出后再抬高中心标高并从A排墙穿出，故需对上述主回路封闭母线进行改造以满足此路径要求。

现有PT/LA柜分支封闭母线为三相并排引出接至PT/LA柜后再接至励磁变压器，由于三相母线并排布置时宽度过大，该布置不能满足出口断路器安装要求，需要进行改造。将三相分支母线引出位置向发电机侧调整，并将B、C箱分支封母上下重叠引出，引出后通过空间上的高差经过两次转完后接至PT/LA柜。这样可以减小分支母线引出占据的空间，从而满足出口断路器安装要求。

同时，为保证封母主回路两侧检修通道畅通，应在封母主回路适当位置设置跨桥。

2.3 出口断路器设备选型及规范

导体及主要电气设备选择按短路电流计算结果、《导体和电器选择设计技术规定》、《高压交流发电机斷路器》及有关规程[1]进行选择。断路器参数见表1。

3 改造后安全效益

（1）改造后形成了“停机不停变”的有利条件，保证了冬季停机状态下主变和高厂变继续带载保持油温，有效降低冻害绝缘风险。预计主变油温可提升至10℃以上，大大减少变压器油内部微水析出，从而消除了因油中微水析出导致绝缘降低的安全隐患，提高主变和高厂变的设备可靠性。

（2）提高了厂用电和系统供电可靠性，减化了厂用电切换简化流程。采用高压断路器进行同期操作时，断路器将会承受电压应力，在受到污染的情况下，这些电压应力可能造成断路器外部绝缘介质的闪络，当同期操作在发电机电压等级进行时，高压断路器的电压应力便会消失[2]。利用发电机断路器进行同期操作，比较的是GCB两侧的同级电压，因而使得同期操作系统更加简单、可靠。另外，由于 GCB 安装于室内的封闭金属壳内，环境条件好，其充分的绝缘安全裕度保证同期操作更加可靠。

（3）改造后提高了保护的选择性。加装GCB后，可减少和避免了正常、事故状态下切换厂用电不成功的风险，有效地提高了发电厂安全可靠性，消除了因启备变容量不足，在双机同时跳闸情况下，发生启备变过载而导致全厂停电、供热中断的事故安全隐患。当发电机内部故障时，可通过跳开GCB，阻止外部向发电机提供故障电流，当发电机外部故障时，快速跳开 GCB，可避免发电机继续提供故障电流[3]，GCB对于保护发电机及与其相接的主变、高厂变等设备是有利的。

4 结束语

国华呼贝电厂#1、#2发电机出口加装断路器项目是原神华集团、国华电力公司重大技改项目，该项目是在极寒地区发电机单元接线加装GCB全国第二例成功案例。加装出口断路器后，停机且冬季主变倒挂后主变内部油温可控制在10℃以上，改善了主变运行工况，延长主设备使用寿命，大大降低维护成本和日常工作量，隐形的安全效益是长期存在的，呼贝电厂成功的改造经验也为国家能源集团内火电机组加装出口GCB改造带来现实的指导意义。2017至2018年，国华呼贝电厂两台机组发电机出口均已加装GCB，通过近2年改造后电气一次、二次设备或系统运行效果分析和验证，此项重大技改达到了预期效果和目的。

参考文献：

[1]西北电力设计院.电力工程电气设计手册电气一次部分[M].北京：水利电力出版社，1991.

[2]张圣楠.发电机装设出口断路器的可靠性经济性综合分析[D].浙江大学，2008.

[3]徐新平.GCB的应用分析及相关要素研究[D].上海交通大学，2010.