发电厂主变兼做启备变的探讨与研究

发电厂主变兼做启备变的探讨与研究

吴海金

（身份证：41082119811111xxxx中煤能源新疆煤电化有限公司）

摘要：近年来30万、60万火力发电机组和部分启备变负荷比较重的电力企业均采用了在发电机出口直接加装断路器的形式，该种接线方式主变兼做了高备变，不仅提高了供电可靠性，也简化了机组厂用电系统的运行方式，并产生了很大的经济效益。

0引言

我国早期的发电机出口均未装设断路器，主要是受到断路器制造工艺方面的限制。近年来随着发电机出口断路器制造工艺水平的逐步提高，断路器在智能化、小型化的同时额定开断容量也在迅速提高，断路器的种种特性使得在发电机出口安装断路器成为了可能，目前国内外发电机出口断路器已取得很大进展，大型火力发电机组已将发电机出口安装断路器作为一种备选方案。本文将就发电机主变兼做启备变的特点和注意事项进行分析论证。

1发电机出口断路器的发展概况

美国、英国、德国等国家在设计发变组主接线时均考虑将发电机出口加装断路器（以下简称GCB），目前在国内加装GCB的有申能平山电厂（2X660MW），伊敏电厂、甘电投常乐电厂、葛洲坝水电站、二滩电厂、李家峡等。GCB最先在水电核电机组大力发展，之后因其在提高机组可用率、电力系统稳定性、经济性、简化厂用电运行方式、降低设计施工成本方面等拥有很大的技术优势而在火力发电机组得到广泛运用。目前国内技术尚不能生产60万及以上装机容量的GCB，该技术主要掌握在GE、ABB等国外企业，目前国外GCB技术发展技术势头迅猛，已完成了从少油断路器向真空断路器、SF6断路器的技术过度，额定电流、开断电流显著提升，断路器的机械分合次数可达万次以上，与之匹配的继电保护技术也同步发展，GCB可靠性更高，事故率更低。

2GCB作用分析

随着GCB研发技术的不断的发展和GCB产品的不断增多，GCB的性价比已足以让人们在设计厂用电时，考虑将GCB取代原有的封闭母线不带出口断路器设计。GCB具有以下特性：

2.1系统稳定性

传统的发电机封闭母线设计少了一个GCB，与之匹配的保护也优化了，却多了一个高备变，这样的设计看似简化了，实际上无形中加深了主变、发电机、升压站之间的联系，而且这个联系仅依赖于发电机出口开关，如果发电机开关在正常并网、解列过程中发生误动时，造成三相无法同时分合时，将对电力系统造成巨大的冲击。这个开关的异常状态将可能导致发电机电动机状态运行，鼓风摩擦损坏汽轮机叶片；可能导致发电机转子引入负序分量，这个分量叠加在发电机转子一个两倍的反向磁场，使发电机转子严重过热损坏；最严重的后果是导致失灵保护动作，将母线相连的所有原件全部分闸，造成厂用电全停的恶性事故。国内的电厂也因为同类型的原因导致系统解列的比比皆是，所以采用GCB就显得很有必要。

2.2关于切换厂用电

目前国内厂用电的传统切换方式为高备变和高厂变之间的切换，机组启停时，由高备变发挥作用，正常运行时由高厂变发挥作用。传统的切换方式因为两台变压器的电源点不同，绕组接线方式不同，可能导致因切换厂用电导致变压器寿命下降；而在事故切换过程中，可能会发生因切换相位差过大导致切换失败，直接发生厂用电全停的事故，处置不当可能导致汽轮机断油烧瓦的恶性事故。采用GCB后，发电机的启停电源均采用主变倒送至高厂变，只有在高厂变或主变故障时，才进行厂用电切换。

2.3保护灵活性

采用GCB后，当发电机侧故障时，保护及时动作，将发电机隔离，不会影响系统和厂用电带电。主变故障时，GCB也可以迅速动作，切除相应故障，使发电机、变压器有效隔离，而如不采用GCB，当发生主变内部故障时，即使主变出口开关跳闸，由于发电机并不能立即停下来，仍然会向故障点输送能量，可能导致事故扩大。

2.4方便调试和改善同期条件

GCB之所以能执行机组所需的全部操作任务，是因为它的位置处在回路中最恰当的地方，可以在不中断厂用电源的情况下将发电机断开，这样运行人员也减少了操作，避免了出错的可能性。机组投运进行短路试验时，可很方便地实现使用接地开关，否则要进行试验改接线，需投入额外的资金和时间，还有可能承担不必要的风险。

当电厂与电网的连接经由高压断路器通过主变压器受电时，同期点可由GCB来实现。对于同期操作来而言，应用主变高压侧断路器和GCB来进行同期操作有什么不同呢？国外最新的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，在反相同期操作过程中由于发电机转子的快速转动会产生的延迟过零电流，高压断路器在切断反相同期电流上能力非常有限，而GCB有足够的能力切断该电流。

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的闪络。再者，高压断路器一般都不是三相机械联动的，所以在同期操作过程中就有可能产生有较大不同期，这样会产生一个不平衡负载，给发电机带来严重的机械和热应力，从而损坏发电机。

当同期在发电机电压等级进行操作时，断路器电压等级的降低有助于防止外部绝缘闪络。用GCB实现同期操作完全在发电厂操控范围内，变电站操控可以不介入，从而不会产生任何操控责任上的重叠

3GCB经济性分析

随着主变压器制造质量的提高和GCB制造技术的进步，大容量机组启动（备用）电源的设置原则正在发生变化。当GCB的价格与启动／备用变、高低压侧开关等设备价格相比接近时，可以考虑不设专用的启动／备用变，而由主变通过厂用工作变提供起动电源的方案，把一次投资降低至最少。即便设置启动／备用变把GCB的投资考虑在内，在提高电厂可用率的同时，仍有相当可观的经济效益增加。下面就600MW机组常用的两种电气接线方案作经济性比较：

方案一：采用发电机—变压器组接线，发电机出口不装设GCB，设置两台启动／备用变，变压器电源从10km附近的200kV变电所引接，两台启动／备用变采用2回线路，连接线采用架空线，变电所采用一个半断路器或双母线接线。当高压厂用变压器故障或检修时，厂用电源由启动／备用变提供。

方案二：采用发电机—变压器组接线，发电机出口装设GCB，当机组启动和正常停机时，厂用电源由系统通过主变压器倒送供给。设一台事故停机备用变，备用变压器电源从10km附近的220kV变电所引接，连接线采用架空线，变电所采用一个半断路器或双母线接线。

（1）初期投资比较

根据对方案一、二的初期投资计算比较，方案二比方案一初期投资需大约增加630万元：

（2）运行收益分析

依据可利用率的计算结果，平均故障时间方案二较方案一少60.4h，如机组年运行小时数假设6000h，那么每年机组可以多发电达49640kW，扣除6％的厂用电量，每年上网电量可增加4666.16万度，上网电价按0.34元／kW•h，电厂年收入可增收1586.5万元，因此方案二运行收益显著，能较快的收回初期投资。

（3）故障停电损失分析

根据有关文献统计，500kV主变压器的故障率为2次／100台•年，如运行小时数按照6000h／年，发电利润按照0.14元／kW•h计算，GCB寿命时间为20年，如采用方案二电厂每年将可以减少停电损失费为：0.02×2×6000／8760×20（177×24－1187）×60×0.14×0.8（故障率×2台主变×年运行小时数×使用年限×（无GCB故障修复天数×24h－GCB故障恢复时间）×600MW×发电利润×（GCB起作用的）此类故障率）＝11271.4万元。显而易见，该项收益远远大于初期投资的差异。

4结束语

发电机出口开关的出现，使得主变替代启备变发挥作用，GCB在电力系统的经济性、稳定性、可靠性等方面均发挥着巨大的作用，在水电、核电、火电等行业得到广泛应用。

参考资料：

[1]刘光华.00MW机组采用GCB方案探讨[C].北京：电力设计电气专业技术信息网，2001.

[2]姜柏卿.台山发电厂1号、2号机组发电机出口开关方案的选择［J］.广东电力，2001，（12）.