装设发电机出口断路器、不设启动备用变压器接线方式探讨

庞 飞

（湖北华电江陵发电有限公司）

0 引言

随着发电机出口断路器（GCB）在机组上广泛应用及其应用经验不断积累，人们对电力系统及设备认识的深入及其理念创新、GCB价格不断下降、加之提高机组利用率、降低发电成本的深度优化设计工作越来越受到重视，机组加装GCB进而优化厂用电接线的设计理念进入人们的视野。

1 装设GCB、不设启备变接线方式简介

机组初步设计最初采用传统接线方式，即采用发电机-变压器组单元接线、设置1台启备变，不装设GCB的接线方式，如图1所示。有关专家经过反复研究论证，推翻初步设计方案，采用装设发电机出口断路器、不设启备变、由一台机组的高压厂用工作变压器低压侧工作母线引接另一台机组的高压事故停机电源的接线方式，如图2所示。

图1 不装设GCB、设置启备变方案接线示意图

图2 装设GCB、不设启备变方案接线示意图

在国内，GB 50660—2011《大中型火力发电厂设计规范》16.3.10-2已规定“当装设发电机出口断路器且机组台数为2台及以上，出线回路为2回及以上时，还可由一台机组的高压厂用工作变压器低压侧厂用工作母线引接另一台机组的高压事故停机电源”，另外，16.3.13-2-2）规定“当从另一台机组的高压厂用工作变压器低压侧厂用工作母线引接本机组的高压事故停机电源，机组之间对应的高压厂用母线设置联络，互为事故停机电源时，则可不设专用的高压厂用备用变压器”。

2 装设GCB、不设启备变接线方案技术经济分析

2.1 不装设 GCB、设置启备变接线方式存在的主要问题

1）这种简化接线方式使得发电机、变压器和系统的稳定运行在很大程度上取决于主变高压侧断路器运行的可靠性。

2）在不设GCB的发电厂，机组正常启、停不可避免地要进行高厂变与启备变之间的并联切换。如果高厂变与启备变的电源取自不同的系统，两台变压器的阻抗值也不相同，这就造成两台变压器低压侧母线之间存在初始相位差。在正常并联切换时，两台变压器之间将产生较大（甚至可达数千安培）的环流。如此之大的环流，即使在并联切换时间内对变压器不造成损害，也会对变压器寿命产生累积影响。另外，在厂用电事故切换过程中，也存在着与正常厂用电切换过程中厂用工作母线电压与备用母线电压之间的相位差。相位差过大，则难以保证事故切换成功，而且会对设备造成直接危害。

2.2 装设GCB、不设启备变接线方式存在的主要问题

1）目前国内大容量机组发电机出口断路器制造水平较低，基本依赖进口，GCB价格稍高，高厂变需设有载调压装置。

2）加装GCB、不设启备变方式将导致高厂变容量增加及短路电流增大，可能影响到高厂变短路阻抗的增大、高压厂用电电压以及高压厂用开关设备的选择。

3）牺牲了机组厂用的单元性及检修备用功能。

4）单台机组不适合采用取消启备变接线方式。

2.3 装设GCB、不设启备变方案的优越性

装设 GCB、不设启备变的优点主要在于简化运行操作程序，减小发电机和变压器的事故范围，简化厂用电切换及同期操作、提高运行可靠性，方便调试和运行维护，增加机组利用小时数，提高经济效益。

（1）保护发电机、主变及高厂变，提高系统安全性和稳定性

主变侧发生单相或两相故障时，如果没有发电机断路器，发电机将持续承受不对称短路电流的作用，直到发电机灭磁结束。装设发电机断路器后，可在很短时间内将机组从故障点切除，从而保护发电机组。对于主变压器、高压厂用工作变压器发生内部故障时，由于发电机励磁电流衰减需要一定的时间，在发电机一变压器组保护动作以切除主变压器高压侧断路器后，发电机在励磁电流衰减阶段仍向故障点供电，因而装设发电机断路器可快速切开发电机断路器，使主变压器、厂变压器受到更好地保护，这一点对大型机组非常有利。

（2）提高保护选择性

当发电机侧发生故障时，GCB迅速跳闸将发电机与系统隔离，而不需要将主变压器一并切除，停机厂用电源仍可由系统通过主变压器倒送，避免了厂用电事故切换。

（3）大大减少厂用电源的切换、方便操作、调试

机组正常启停及在发生发电机或机炉侧故障机组解列时可以不中断厂用电源，即将发电机断开，而厂用电源不需要切换。有关资料分析结果表明：采用发电机断路器后，完成一次厂用电切换的操作次数将减少到约1/384（这也是取消启备变的原因之一）。减少运行操作作用显著，避免了出错的可能，同时减轻了对电动机的电冲击和机械冲击，从而有效提高了发电厂的安全可靠性。

装设GCB可以大大减少机组在调试阶段由于各种调试工作造成机组跳闸而引起的厂用电切换，为发电机和变压器的调试与维护提供了很大便利，也为发电机短路试验提供了方便。

（4）有利于提高机组利用率，降低厂用电率，提高机组经济性

机组启动或停机只需要通过GCB就可以完成，厂用电源切换次数大大减少，缩短停机时间的同时避免了因切换失败带来的风险。

另外，装设 GCB、取消启备变，电厂不但可以不用缴纳基本容量电费和启备变损耗电费。而且在机组正常启停过程中可以减少购网电量，有利于降低厂用电率，提高机组的经济性。在不装设GCB的电厂机组启动时厂用电由启备变带，按规程为保证机组安全稳定，当机组出力达到30%额定负荷时，才切至本机高厂变带。这样将产生过多的购网电量。采用发电机出口断路器，机组发电量将与购网电量及时冲抵，当发电量满足厂用负荷需要时，将立即不再产生购网电量。同样，在机组停运时也可降低购网电量，从而降低厂用电率，提高了机组经济性。

3 注意事项或建议

采用GCB、不设启备变接线方式可以简化系统、节约运行成本，但因接线方式变化将导致相关系统及一二次设备配置的改变，加之设计安装调试运行经验相对欠缺，工程建设过程中应多加论证调研，考虑周全，保证系统设备的安全可靠性。

3.1 出线回路应在2条及以上

为提高机组安全可靠性，在进行接入系统设计时，出线回路应在2条及以上，并应尽量避免送出线路送到对侧同一座变电站，若两条出线应尽量避免同塔架设，以防对侧变电站发生全停事故或倒塔事故时，电厂侧机组全停，两台机均失去事故停机电源，影响机组安全。

3.2 确定主变及高厂变的调压方式

在工程设计时，应根据工程具体情况，在主变或高厂变上装设有载调压开关，主要是担心机组启动时，厂内高压母线在系统中处于受电端，电压水平比较低，通过主变和高厂变降压后，厂用母线的电压水平就不能保证电动机的正常启动。

根据电网无功及电压的有关要求，发电机应具有额定负荷下进相至功率因数 0.95的运行能力。在国内大部分发电机组进相试验中，大部分电厂进相运行深度的主要限制条件是厂用母线电压，因此，要根据实际情况来计算核实高压厂用母线的电压水平，从而确定主变和高厂变的调压方式。

3.3 高厂变容量的选取

当机组正常启停时，厂用电源由系统通过主变压器倒送供给。一般情况下，由于2台机厂用母线手拉手互联，考虑单台机组事故停机负荷容量占单元机组厂用负荷总容量的30%，因此高厂变容量按实际容量的110%～130%选取。

3.4 对快切装置的要求

当发生故障时，解决发电机出口断路器的跳闸与厂用电快切装置的配合问题尤为重要，为了提高经济性，此种接线方式下高厂变容量一般仅考虑另外一台机组的事故停机负荷，这就要求在正常运行情况下，任一台机组的 6kV母线切至另一台机组高厂变时，应在极短的时间内首先切除部分负荷且能够保留事故停机负荷，保证另外一台机组的高厂变不过载。因此，对快切装置的要求更高。

3.5 设备绝缘问题

装设GCB在切断负荷电流、短路电流和变压器励磁电流时，可能会产生某种过电压而影响发电机、变压器和其他电气设备的绝缘。为此，应将系统参数、发电机、主变压器、高厂变、封闭母线以及其他电气设备的参数，提供给断路器厂商进行过电压研究，以决定最大过电压峰值、恢复电压上升速度等，以便采取措施。当发电机出口装设断路器时，靠近发电机的X/R特别大，其过电压值也大，而且短路电流的直流分量持续时间比较长，有可能在电流未经零点时切断。这种情况应进行详细的绝缘配合研究。

3.6 当一台机组的主变或高厂变检修时应能保证柴油发电机正常启动

采用装设 GCB、不设启备变接线方式，在一台机组的主变或高厂变检修等情况下，将造成另外一台运行机组失去事故停机电源，此时运行机组发生主变或高厂变等故障将造成运行机组厂用电失去，柴油发电机组应能及时投入，以使机组交流润滑油泵、空预器辅电机等及时投入，以确保机组安全停运。

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但柴油机组作为交流保安电源的最后一道备用电源也存在一定风险，暴露出了较多的、不可回避的问题。在寒冷的冬季，柴油机组的冷却水和燃料的防冻问题突出，任一方面出现问题都将导致柴油机不能快速启动。此外，从较多电厂的柴油机定期试验情况来看，常有试验启动不成功或并网不成功的情况。这都为机组安全停机留下隐患。为此提出以下建议：①保安段工作电源、柴油机电源的切换控制做在柴油机PLC内，而不在DCS内实现相关控制逻辑。以避免切换逻辑做在DCS内，则在因DCS故障造成停机、厂用系统失电时，保安段供电不能自动切换到柴油发电机组，可靠性差的问题。②在一台机组停运，运行机组失去事故停机电源的情况下，为增加保安电源的可靠性，停运机组的柴油发电机组应能作为运行机组保安电源的第三备用电源。

3.7 保护设计上应增设

1）GCB失灵保护，该保护跳主变高压侧断路器及高厂变6kV侧开关等。

2）主变侧也装设过激磁保护。

3）主变侧增设零序过电压保护，用于保护主变带厂用电启、停时主变低压侧至高厂变封闭母线可能发生的单相接地故障。

4）发电机增设低阻抗保护，作为主变内部及引线故障的后备保护。

3.8 关于GCB的布置问题

装设GCB将挤占发电机与主变压器间设备布置空间，给设备布置带来一定困难，可以在主厂房外增加披屋来解决这一问题，但影响主厂房美观，并造成投资增加，设计时应加以注意，统筹考虑设备布置问题。断路器及刀闸操动机械设备位于GCB底部，为便于检修，GCB底部距安装地面高度应不少于0.7m。

3.9 主变压器需提前到货

3.10 因GCB多为进口产品，需注意成品保护

在工程安装、检修过程中应严格按章、按程序作业，确保安装质量，避免不必要的麻烦。某电厂工程在安装过程中，因施工人员在GCB未充SF6气体的情况下，进行分合闸操作，结果导致分合闸触头损坏。还有某电厂在对发动机出口断路器大修时，检修人员在取下外壳的情况下进到设备内部，出来时由于没放置爬梯，便踩在设备上面，导致设备部件损坏。这两次事件，均导致设备被送到ABB瑞士工厂检修，经历了较长的时间，带来了不必要的麻烦和损失。

3.11 合理安排主变及高厂变检修时间

加装 GCB、不设启备变方式，应合理安排主变及高厂变检修时间，尽量缩短另一台运行机组失去事故停机电源时间，并制定相关的事故处理预案。

3.12 关于调试期间的电量计算

取消启备变，机组调试期间和停机期间下网电量需通过220kV主变降压至20kV，再通过20kV高厂变降压至 6kV供厂用设备使用。由于主变功率远大于启备变功率，所以主变CT电压比也很大，当厂用电负荷低于2.5万kWh（绝大部分时间），主变高压侧电流不到1%，会产生较大计量误差，电网公司会损失一定的电费，可能会要求电厂在高厂变处增加一考核计量点，通过对比两块表的差值来确定每月缴纳的电费，由此一来，电厂需购置一套计量设备，且主变损耗为变化值，每月电量难以定量确认，容易与供电公司产生电量纠纷。建议电厂与电网协商，取消设置在高厂变处的考核计量点，只在主变高压侧计量下网电量，同时每年可节约计量设备费用及电费。

4 结束语

装设 GCB、取消启备变方案比传统的接线方式在技术方面有较大的合理性，在经济上也有明显的优势。随着人们认识的提高、理念的更新及 GIS市场的逐步成熟，当机组台数为2台及以上，出线回路为2回及以上时，采用装设发动机出口断路器、不设启备变的接线方式将成为电厂优选设计方案。

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