極寒地區(qū)600MW汽輪發(fā)電機(jī)出口加裝GCB重大項(xiàng)目研究分析

吉鵬

摘? 要：國華呼貝電廠發(fā)電機(jī)出口加裝斷路器技改項(xiàng)目是2017至2018年度國華公司年度重大技改項(xiàng)目之一，也是原神華集團(tuán)內(nèi)首家、全國火電系統(tǒng)內(nèi)第二個(gè)在已投運(yùn)機(jī)組的發(fā)變組單元接線電氣系統(tǒng)中加裝發(fā)電機(jī)出口加裝斷路器的重大技改項(xiàng)目。為確保該項(xiàng)重大技改工程順利實(shí)施，呼貝電廠高度重視，經(jīng)過前期反復(fù)論證研究，深度調(diào)研系統(tǒng)內(nèi)外成功案例，結(jié)合實(shí)際合理規(guī)劃設(shè)計(jì)，現(xiàn)已成功完成兩臺機(jī)組發(fā)電機(jī)出口均已加裝GCB改造項(xiàng)目。通過近兩年改造后電氣一次、二次設(shè)備或系統(tǒng)運(yùn)行效果分析和驗(yàn)證，此項(xiàng)重大技改達(dá)到了預(yù)期效果和目的。改項(xiàng)后帶來的安全效益和經(jīng)濟(jì)效益十分可觀，加裝出口斷路器后，停機(jī)且冬季主變倒掛后主變內(nèi)部油溫可控制在10℃以上，改善了主變運(yùn)行工況，延長主設(shè)備使用壽命，大大降低維護(hù)成本和日常工作量，隱形的安全效益是長期存在的，呼貝電廠成功的改造經(jīng)驗(yàn)也為國家能源集團(tuán)內(nèi)火電機(jī)組加裝出口GCB改造帶來現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：GCB;調(diào)研;改造方案設(shè)計(jì);主變

中圖分類號：TM621 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：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(xiàng)目概況

內(nèi)蒙古國華呼倫貝爾發(fā)電有限公司（簡稱“呼貝電廠”）#1、#2 600MW汽輪發(fā)電機(jī)組分別于2010年11月20日和12月1日投產(chǎn)發(fā)電，發(fā)電機(jī)與主變壓器原設(shè)計(jì)為發(fā)-變組單元接線方式（無發(fā)電機(jī)出口斷路器和隔離刀閘），主變和高廠變隨機(jī)組停運(yùn)即進(jìn)入停運(yùn)冷備用。呼貝電廠所處地域冬季嚴(yán)寒、漫長（一年寒冬天氣9個(gè)月）、凍害風(fēng)險(xiǎn)極高，且自投產(chǎn)以來因電網(wǎng)調(diào)度機(jī)組啟停頻繁。本次將#1發(fā)電機(jī)出口改造加裝斷路器GCB，改造后形成“停機(jī)不停變”的有利條件，能夠保證主變和高廠變在停機(jī)期間繼續(xù)帶載保持運(yùn)行油溫，有效降低停運(yùn)后的凍害絕緣風(fēng)險(xiǎn)，且節(jié)省外購電、減少廠用電切換簡化流程。

1.2 調(diào)研情況

為確保呼貝電廠發(fā)電機(jī)出口加裝斷路器項(xiàng)目順利實(shí)施完成，電廠高度重視，組織專人赴系統(tǒng)內(nèi)、外加裝GCB的電廠進(jìn)行調(diào)研。2016年4月24日-4月30日，分別調(diào)研安徽田集電廠、國華臺山電廠。

系統(tǒng)外（田集電廠）：該廠一期建設(shè)容量2×630MW國產(chǎn)超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，已于2007年竣工投產(chǎn)。

因一期工程外送電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)變化，發(fā)現(xiàn)相角差受系統(tǒng)運(yùn)行方式影響較大，典型的幾個(gè)運(yùn)行方式下啟備變低壓側(cè)和高廠變低壓側(cè)的相角差將達(dá)到22度～35度。該廠6kV快切裝置在并聯(lián)切換方式下所能設(shè)定的最大相角差為20度。超過20度后，除非解除快切閉鎖，否則并聯(lián)切換不會(huì)成功。在機(jī)組啟動(dòng)時(shí)都會(huì)碰到此類問題，若相角差過大，閉鎖快切進(jìn)行強(qiáng)行切換，有可能損壞運(yùn)行中的一次設(shè)備。故該廠2015年、2016年分別加裝GCB，改造后，配套電氣一次、二次設(shè)備運(yùn)行情況良好穩(wěn)定。

系統(tǒng)內(nèi)（臺山電廠）：臺山電廠共計(jì)7臺機(jī)組，一期工程1、2機(jī)仍然為發(fā)電機(jī)-變壓器單元接線;一期工程3、4、5號機(jī)為基建加裝GCB開關(guān)，且為ABB開關(guān);二期工程6、7號機(jī)為基建加裝GCB開關(guān)，且為ABB開關(guān);臺山#6機(jī)加裝GCB正面圖。

2 改造方案設(shè)計(jì)

2.1 電氣系統(tǒng)接線現(xiàn)況及改造方案綜述

呼貝電廠調(diào)研系統(tǒng)內(nèi)外成功案例后，結(jié)合實(shí)際考慮GCB的安裝位置，并提出三個(gè)并網(wǎng)點(diǎn)的構(gòu)想，發(fā)電機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)新增一個(gè)（即為GCB），原主變高壓側(cè)兩個(gè)500kV斷路器仍然保留。單臺機(jī)組的三個(gè)并網(wǎng)點(diǎn)均在DCS控制，但優(yōu)先使用GCB作為每次啟機(jī)的并網(wǎng)點(diǎn)。

2.2 出口斷路器改造布置方案

2.2.1 發(fā)電機(jī)出口設(shè)備、母線及勵(lì)磁設(shè)備布置現(xiàn)狀

呼貝電廠#1發(fā)電機(jī)封閉母線從汽機(jī)房7.8米層上引出，穿過A排墻接至主變壓器。發(fā)電機(jī)出口電壓互感器/避雷器柜、勵(lì)磁變壓器布置在汽機(jī)房7.8米層、與主回路封閉母線通過分支封閉母線連接，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地柜布置在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)引出套管附近，用封閉母線與發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)連接。兩臺廠用變分支封閉母線在汽機(jī)房A排墻外從發(fā)電機(jī)封閉母線下“T”接。

2.2.2 出口斷路器布置方案

由于在基建期原設(shè)計(jì)當(dāng)中未考慮加裝出口斷路器的可能性，故在主廠房中間層設(shè)備布置方案中未預(yù)留出口斷路器安裝位置，現(xiàn)階段裝設(shè)出口斷路器主要存在以下幾個(gè)問題：

（1）出口斷路器的安裝位置

根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備布置情況，出口斷路器布置位置可考慮如下方案：

方案一：在主廠房運(yùn)轉(zhuǎn)層設(shè)檢修孔，將出口斷路器GCB布置在主廠房中間層，將原有PT/LA柜和勵(lì)磁變移至運(yùn)轉(zhuǎn)層，通過分支封閉母線進(jìn)行連接。并相應(yīng)對原有交流勵(lì)磁母線進(jìn)行改造。由于GCB安裝高度有嚴(yán)格要求，采用該方案需在安裝位置處新增一處100mm高的平臺，供GCB安裝用，并應(yīng)能滿足GCB開斷時(shí)的動(dòng)荷載要求。該方案需對原A軸至1/A軸之間的主回路封閉母線（含上升段）及PT/LA柜及勵(lì)磁分支封閉母線進(jìn)行改造;該方案需要在主廠房運(yùn)轉(zhuǎn)層設(shè)置GCB檢修孔，孔大小不應(yīng)小于6700×3000mm。并在運(yùn)轉(zhuǎn)層樓板下方對應(yīng)GCB各相中心線處設(shè)置檢修梁，供GCB各相斷路器單元檢修起吊用。

方案二：在主廠房A排外空冷管道支架上增設(shè)一層平臺，將發(fā)電機(jī)出口斷路器布置在平臺上。采用該方案時(shí)，由于本工程所在地冬季戶外溫度低于-40°C，需設(shè)置加熱裝置對出口斷路器進(jìn)行加熱。

方案三：將出口斷路器GCB布置在主廠房中間層，對原A軸至1/A軸之間的主回路封閉母線（含上升段）進(jìn)行改造，將主回路封閉母線引接至靠近A排附近的位置后再抬升。采用該方案時(shí)，發(fā)電機(jī)出口區(qū)域空間緊湊，為留出GCB安裝空間，需要對PL/LA柜分支母線和上升段主回路封閉母線尺寸進(jìn)行壓縮。

以上三個(gè)方案中，方案一、三均需要對中間層主回路和分支回路封閉母線進(jìn)行改造，在中間層新增GCB安裝平臺，并在運(yùn)轉(zhuǎn)層加設(shè)GCB檢修孔。但方案一需要將原布置在中間層的PT/LA柜和勵(lì)磁變移至運(yùn)轉(zhuǎn)層，改造工作量較大。方案二需將GCB布置在戶外空冷管道支架上，一方面由于GCB開斷時(shí)動(dòng)荷載較大，支架能否承受需要核實(shí)，且安裝起吊難度較大。另一方面，由于當(dāng)?shù)刈畹蜏囟瓤傻椭?40℃，斷路器六氟化硫滅弧單元難以在如此低溫下可靠工作，需要局部封閉或者加裝加熱裝置。且空冷管道在機(jī)組運(yùn)行過程中會(huì)持續(xù)產(chǎn)生振動(dòng)，不利于出口斷路器穩(wěn)定運(yùn)行，故不推薦采用。

綜上所述，方案三工程量較小，相對而言較為可行，故推薦方案三。

（2）封閉母線改造方案

原有主廠房發(fā)電機(jī)出口封閉母線主回路由發(fā)電機(jī)基座引出后，在1/A軸處母線中心標(biāo)高由9.4米升高至10.5米后，向A排延伸并穿出接至主變壓器。加裝出口斷路器后，由于出口斷路器安裝要求，主回路封閉母線穿出基座后，需要保持9.4米的中心標(biāo)高接至出口斷路器，由出口斷路器變壓器側(cè)引出后再抬高中心標(biāo)高并從A排墻穿出，故需對上述主回路封閉母線進(jìn)行改造以滿足此路徑要求。

現(xiàn)有PT/LA柜分支封閉母線為三相并排引出接至PT/LA柜后再接至勵(lì)磁變壓器，由于三相母線并排布置時(shí)寬度過大，該布置不能滿足出口斷路器安裝要求，需要進(jìn)行改造。將三相分支母線引出位置向發(fā)電機(jī)側(cè)調(diào)整，并將B、C箱分支封母上下重疊引出，引出后通過空間上的高差經(jīng)過兩次轉(zhuǎn)完后接至PT/LA柜。這樣可以減小分支母線引出占據(jù)的空間，從而滿足出口斷路器安裝要求。

同時(shí)，為保證封母主回路兩側(cè)檢修通道暢通，應(yīng)在封母主回路適當(dāng)位置設(shè)置跨橋。

2.3 出口斷路器設(shè)備選型及規(guī)范

導(dǎo)體及主要電氣設(shè)備選擇按短路電流計(jì)算結(jié)果、《導(dǎo)體和電器選擇設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》、《高壓交流發(fā)電機(jī)斷路器》及有關(guān)規(guī)程[1]進(jìn)行選擇。斷路器參數(shù)見表1。

3 改造后安全效益

（1）改造后形成了“停機(jī)不停變”的有利條件，保證了冬季停機(jī)狀態(tài)下主變和高廠變繼續(xù)帶載保持油溫，有效降低凍害絕緣風(fēng)險(xiǎn)。預(yù)計(jì)主變油溫可提升至10℃以上，大大減少變壓器油內(nèi)部微水析出，從而消除了因油中微水析出導(dǎo)致絕緣降低的安全隱患，提高主變和高廠變的設(shè)備可靠性。

（2）提高了廠用電和系統(tǒng)供電可靠性，減化了廠用電切換簡化流程。采用高壓斷路器進(jìn)行同期操作時(shí)，斷路器將會(huì)承受電壓應(yīng)力，在受到污染的情況下，這些電壓應(yīng)力可能造成斷路器外部絕緣介質(zhì)的閃絡(luò)，當(dāng)同期操作在發(fā)電機(jī)電壓等級進(jìn)行時(shí)，高壓斷路器的電壓應(yīng)力便會(huì)消失[2]。利用發(fā)電機(jī)斷路器進(jìn)行同期操作，比較的是GCB兩側(cè)的同級電壓，因而使得同期操作系統(tǒng)更加簡單、可靠。另外，由于 GCB 安裝于室內(nèi)的封閉金屬殼內(nèi)，環(huán)境條件好，其充分的絕緣安全裕度保證同期操作更加可靠。

（3）改造后提高了保護(hù)的選擇性。加裝GCB后，可減少和避免了正常、事故狀態(tài)下切換廠用電不成功的風(fēng)險(xiǎn)，有效地提高了發(fā)電廠安全可靠性，消除了因啟備變?nèi)萘坎蛔?，在雙機(jī)同時(shí)跳閘情況下，發(fā)生啟備變過載而導(dǎo)致全廠停電、供熱中斷的事故安全隱患。當(dāng)發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障時(shí)，可通過跳開GCB，阻止外部向發(fā)電機(jī)提供故障電流，當(dāng)發(fā)電機(jī)外部故障時(shí)，快速跳開 GCB，可避免發(fā)電機(jī)繼續(xù)提供故障電流[3]，GCB對于保護(hù)發(fā)電機(jī)及與其相接的主變、高廠變等設(shè)備是有利的。

4 結(jié)束語

國華呼貝電廠#1、#2發(fā)電機(jī)出口加裝斷路器項(xiàng)目是原神華集團(tuán)、國華電力公司重大技改項(xiàng)目，該項(xiàng)目是在極寒地區(qū)發(fā)電機(jī)單元接線加裝GCB全國第二例成功案例。加裝出口斷路器后，停機(jī)且冬季主變倒掛后主變內(nèi)部油溫可控制在10℃以上，改善了主變運(yùn)行工況，延長主設(shè)備使用壽命，大大降低維護(hù)成本和日常工作量，隱形的安全效益是長期存在的，呼貝電廠成功的改造經(jīng)驗(yàn)也為國家能源集團(tuán)內(nèi)火電機(jī)組加裝出口GCB改造帶來現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。2017至2018年，國華呼貝電廠兩臺機(jī)組發(fā)電機(jī)出口均已加裝GCB，通過近2年改造后電氣一次、二次設(shè)備或系統(tǒng)運(yùn)行效果分析和驗(yàn)證，此項(xiàng)重大技改達(dá)到了預(yù)期效果和目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]西北電力設(shè)計(jì)院.電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊電氣一次部分[M].北京：水利電力出版社，1991.

[2]張圣楠.發(fā)電機(jī)裝設(shè)出口斷路器的可靠性經(jīng)濟(jì)性綜合分析[D].浙江大學(xué)，2008.

[3]徐新平.GCB的應(yīng)用分析及相關(guān)要素研究[D].上海交通大學(xué)，2010.