| 1國(guó)內(nèi)外GCB的使用和發(fā)展?fàn)顩r
美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家在電廠設(shè)計(jì)中，其大容量發(fā)電機(jī)出口均考慮裝設(shè)GCB。目前國(guó)內(nèi)電廠采用GCB或發(fā)電機(jī)負(fù)荷開關(guān)電廠主要有天津薊縣、遼寧綏中、伊敏電廠、沙角C電廠(3×600MW)、上海外高橋電廠(2×900 MW)、天津盤山(2×600 MW)、葛洲壩水電廠、二灘水電廠、李家峽、天生橋等工程。過(guò)去GCB主要在水電工程和核電工程被廣泛采用，近年來(lái)隨著我國(guó)電力系統(tǒng)大電網(wǎng)、大機(jī)組、超高壓的發(fā)展，怎樣簡(jiǎn)化電廠的運(yùn)行操作，提高機(jī)組的可用率以及提高系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性等問(wèn)題越來(lái)越被得到重視，而GCB優(yōu)越的特性完全可以滿足這些要求。
目前國(guó)內(nèi)制造商還沒(méi)有能力生產(chǎn)與600 MW等級(jí)大容量機(jī)組配套的GCB，國(guó)外也僅有ABB、GEC-ALSTHOM、MITSUBISHI等幾家知名大公司有能力生產(chǎn)(主要技術(shù)參數(shù)詳見表1)。GCB型式主要有少油型、空氣型、SF6氣體型和真空型。少油型GCB如沈陽(yáng)高壓開關(guān)廠20世紀(jì)60年代生產(chǎn)的SN3、SN4等，額定電流為5000～8000 A，額定開斷電流為58 kA。空氣型GCB，如法國(guó)A-A公司生產(chǎn)的PKG2型額定電壓為36 kV，額定電流11000 A，額定開斷電流58 kA，該種斷路器主要存在是產(chǎn)品體積大、噪聲響、缺乏中等容量斷路器等缺點(diǎn)，在我國(guó)葛洲壩水電廠有使用，運(yùn)行情況良好。隨著電力設(shè)備制造技術(shù)的發(fā)展，20世紀(jì)80年代ABB等公司推出以SF6氣體為滅弧介質(zhì)的GCB，它運(yùn)用SF6自滅弧原理，當(dāng)動(dòng)觸頭分開時(shí)產(chǎn)生電弧來(lái)加熱SF6氣體，使其膨脹形成熄弧所需氣體，同時(shí)電流流過(guò)固定觸頭內(nèi)的線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，引起電弧旋轉(zhuǎn)分離，保證荷載觸頭與滅弧觸頭正常工作。SF6型GCB目前在國(guó)內(nèi)外電廠有大量的使用，它額定電流可達(dá)24000 A，開斷能力160 kA，而且結(jié)構(gòu)緊湊，故障率更低(＜0.3%)，還可以集成CT、PT、接地開關(guān)等設(shè)備，成為多功能的組合電器。
綜上所述，目前國(guó)外GCB的技術(shù)發(fā)展十分迅速，各大公司競(jìng)相開發(fā)革新技術(shù)，從原來(lái)的少油型向SF6型和真空型斷路器發(fā)展，體積越來(lái)越小，額定電流和開斷電流越來(lái)越大，機(jī)械壽命高達(dá)10000次以上，隨著研發(fā)能力及制造技術(shù)的提高，GCB配置保護(hù)將更趨完善，可靠性更高故障率更低。
2裝設(shè)GCB技術(shù)分析
安裝在發(fā)電機(jī)出口的低電壓、大電流斷路器，其作用可謂舉足輕重。以前由于發(fā)電機(jī)巨大的額定電流和短路電流以及開斷電流的直流分量大，使得GCB制造困難，造價(jià)也甚高�？紤]技術(shù)和經(jīng)濟(jì)因素，除小容量機(jī)組的發(fā)電機(jī)出口設(shè)置少油斷路器外(單機(jī)容量200 MW以下)，一般大機(jī)組(單機(jī)容量200 MW及以上)大都采用發(fā)電機(jī)—變壓器組單元接線，盡量使用離相封閉母線不裝出口斷路器和隔離開關(guān)。近年來(lái)，隨著GCB制造質(zhì)量和技術(shù)的進(jìn)步，價(jià)格不斷降低，而如何提高系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性將越來(lái)越得到重視。下面就發(fā)電機(jī)出口設(shè)置斷路器的優(yōu)越性作一分析。
2.1提高系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性
200 MW及以上的機(jī)組采用的發(fā)電機(jī)與變壓器組的單元接線方式的優(yōu)點(diǎn)在于省去了GCB，同時(shí)也省去了相應(yīng)的繼電保護(hù)。但是這種簡(jiǎn)化的接線方式卻使得發(fā)電機(jī)、變壓器和系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行在很大程度上要取決于主變高壓側(cè)的高壓斷路器運(yùn)行可靠性的影響。當(dāng)高壓斷路器在正常運(yùn)行中，在執(zhí)行解列或并車操作時(shí)、在事故狀態(tài)下的動(dòng)作過(guò)程中，如果發(fā)生一相或二相斷路器因拒動(dòng)、誤動(dòng)或斷口絕緣擊穿而導(dǎo)致非全相分、合閘狀態(tài)時(shí)，則電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行將會(huì)受到嚴(yán)重的威脅，極有可能因非全相運(yùn)行而造成變壓器絕緣損壞甚至起火燒毀，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子因負(fù)序電流作用而使絕緣損壞甚至起火燒毀、系統(tǒng)穩(wěn)定性遭受破壞而解列造成大面積停電等重大事故的發(fā)生。國(guó)內(nèi)發(fā)電廠已發(fā)生過(guò)不少類似事故，如：某電廠因2號(hào)爐故障停機(jī)檢查，運(yùn)行人員操作2號(hào)機(jī)主變斷路器跳閘時(shí)發(fā)現(xiàn)斷路器A相拒分，在升壓站手跳未獲成功后，跳母聯(lián)斷路器將2號(hào)機(jī)主變與系統(tǒng)解列，造成非全相運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)達(dá)8 min，引起2號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)子燒毀。又如石洞口二廠2號(hào)機(jī)作逆功率試驗(yàn)時(shí)，2號(hào)機(jī)逆功率保護(hù)動(dòng)作，同時(shí)引起主變高壓側(cè)并聯(lián)的斷路器三相分閘。因一臺(tái)斷路器未能分閘到底，造成斷路器非全相運(yùn)行，導(dǎo)致電廠另一臺(tái)運(yùn)行的600 MW機(jī)組、電網(wǎng)4條500 kV線路、3條220 kV線路、黃渡變的一臺(tái)500 kV變壓器及一臺(tái)220 kV變壓器先后跳閘。
2.2保護(hù)發(fā)電機(jī)及主變壓器
當(dāng)發(fā)電機(jī)帶不平衡負(fù)荷運(yùn)行、內(nèi)部或外部發(fā)生不對(duì)稱短路時(shí)均會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生很嚴(yán)重的機(jī)械和熱應(yīng)力，這種故障電流及其非全相運(yùn)行的負(fù)序分量所引起的熱應(yīng)力加在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的阻尼繞組上，會(huì)產(chǎn)生異常的高溫而使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子嚴(yán)重受損。除此以外，高壓斷路器的合、分閘不同期，避雷器的損壞，架空線或GIS連接套管上行波反射造成的接地故障都會(huì)對(duì)發(fā)電要造成影響，GCB可以迅速切除這些故障，使得發(fā)電機(jī)免遭損壞。但如果沒(méi)有裝設(shè)GCB，發(fā)電機(jī)會(huì)持續(xù)提供不平衡負(fù)載給故障點(diǎn)，直到滅磁裝置起作用。由于滅磁過(guò)程往往會(huì)持續(xù)幾秒鐘時(shí)間，甚至?xí)^(guò)10 s，從而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)嚴(yán)重的損壞。
2.3提高保護(hù)選擇性
當(dāng)發(fā)電機(jī)側(cè)發(fā)生故障時(shí)，GCB動(dòng)作將故障點(diǎn)與系統(tǒng)隔離，避免了廠用電事故切換，簡(jiǎn)化了廠用電源的控制保護(hù)接線，降低了保護(hù)動(dòng)作的聯(lián)鎖復(fù)雜性。當(dāng)主變壓器側(cè)故障時(shí)，GCB可以迅速切除，使得發(fā)電機(jī)、主變壓器和廠用高壓變壓器處于各自獨(dú)立的保護(hù)范圍內(nèi)。
2.4方便調(diào)試和改善同期條件
GCB之所以能執(zhí)行機(jī)組所需的全部操作任務(wù)，是因?yàn)樗奈恢锰幵诨芈分凶钋‘?dāng)?shù)牡胤�，可以在不中斷廠用電源的情況下將發(fā)電機(jī)斷開，這樣運(yùn)行人員也減少了操作，避免了出錯(cuò)的可能性。機(jī)組投運(yùn)進(jìn)行短路試驗(yàn)時(shí)，可很方便地實(shí)現(xiàn)使用接地開關(guān)，否則要進(jìn)行試驗(yàn)改接線，需投入額外的資金和時(shí)間，還有可能承擔(dān)不必要的風(fēng)險(xiǎn)。
當(dāng)電廠與電網(wǎng)的連接經(jīng)由高壓斷路器通過(guò)主變壓器受電時(shí)，同期點(diǎn)可由GCB來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于同期操作來(lái)而言，應(yīng)用主變高壓側(cè)斷路器和GCB來(lái)進(jìn)行同期操作有什么不同呢？國(guó)外最新的研究表明分別由高壓斷路器和GCB來(lái)實(shí)現(xiàn)同期操作和不同期操作所引起的延遲過(guò)零電流，對(duì)系統(tǒng)有著不同的影響，在反相同期操作過(guò)程中由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的快速轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生的延遲過(guò)零電流，高壓斷路器在切斷反相同期電流上能力非常有限，而GCB有足夠的能力切斷該電流。請(qǐng)登陸:高壓開關(guān)網(wǎng)瀏覽更多信息
當(dāng)同期在高壓側(cè)進(jìn)行操作時(shí)，高壓斷路器可能會(huì)受到過(guò)電壓作用。在污染較重的情況下，可能使高壓斷路器外部絕緣介質(zhì)的閃絡(luò)。再者，高壓斷路器一般都不是三相機(jī)械聯(lián)動(dòng)的，所以在同期操作過(guò)程中就有可能產(chǎn)生有較大不同期，這樣會(huì)產(chǎn)生一個(gè)不平衡負(fù)載，給發(fā)電機(jī)帶來(lái)嚴(yán)重的機(jī)械和熱應(yīng)力，從而損壞發(fā)電機(jī)。
當(dāng)同期在發(fā)電機(jī)電壓等級(jí)進(jìn)行操作時(shí)，斷路器電壓等級(jí)的降低有助于防止外部絕緣閃絡(luò)。用GCB實(shí)現(xiàn)同期操作完全在發(fā)電廠操控范圍內(nèi)，變電站操控可以不介入，從而不會(huì)產(chǎn)生任何操控責(zé)任上的重疊。
3裝設(shè)GCB經(jīng)濟(jì)比較
隨著主變壓器制造質(zhì)量的提高和GCB制造技術(shù)的進(jìn)步，大容量機(jī)組啟動(dòng)(備用)電源的設(shè)置原則正在發(fā)生變化。當(dāng)GCB的價(jià)格與啟動(dòng)／備用變、高低壓側(cè)開關(guān)等設(shè)備價(jià)格相比接近時(shí)，可以考慮不設(shè)專用的啟動(dòng)／備用變，而由主變通過(guò)廠用工作變提供起動(dòng)電源的方案，把一次投資降低至最少。即便設(shè)置啟動(dòng)／備用變把GCB的投資考慮在內(nèi)，在提高電廠可用率的同時(shí)，仍有相當(dāng)可觀的經(jīng)濟(jì)效益增加。下面就600 MW機(jī)組常用的兩種電氣接線方案作經(jīng)濟(jì)性比較：
方案一：采用發(fā)電機(jī)—變壓器組接線，發(fā)電機(jī)出口不裝設(shè)GCB，設(shè)置兩臺(tái)啟動(dòng)／備用變，變壓器電源從10 km附近的200 kV變電所引接，兩臺(tái)啟動(dòng)／備用變采用2回線路，連接線采用架空線，變電所采用一個(gè)半斷路器或雙母線接線。當(dāng)高壓廠用變壓器故障或檢修時(shí)，廠用電源由啟動(dòng)／備用變提供。其主接線示意圖見圖1：
方案二：采用發(fā)電機(jī)—變壓器組接線，發(fā)電機(jī)出口裝設(shè)GCB，當(dāng)機(jī)組啟動(dòng)和正常停機(jī)時(shí)，廠用電源由系統(tǒng)通過(guò)主變壓器倒送供給。設(shè)一臺(tái)事故停機(jī)備用變，備用變壓器電源從10 km附近的220 kV變電所引接，連接線采用架空線，變電所采用一個(gè)半斷路器或雙母線接線。其主接線示意圖見圖2。
(1)可利用率比較
方案一、二主接線中各元件可靠性數(shù)據(jù)采用國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議公布的數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果見表2。請(qǐng)登陸:高壓開關(guān)網(wǎng)瀏覽更多信息
由上表可知，方案二較方案一年平均可利用率提高了0.69%，年平均故障時(shí)間減少60.4 h，裝設(shè)GCB將可以產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)效益。
(2)初期投資比較
根據(jù)對(duì)方案一、二的初期投資計(jì)算比較(見表3)，方案二比方案一初期投資需大約增加630萬(wàn)元：
(3)運(yùn)行收益分析
依據(jù)可利用率的計(jì)算結(jié)果，平均故障時(shí)間方案二較方案一少60.4 h，如機(jī)組年運(yùn)行小時(shí)數(shù)假設(shè)6000 h，那么每年機(jī)組可以多發(fā)電達(dá)49640 k W，扣除6%的廠用電量，每年上網(wǎng)電量可增加4666.16萬(wàn)度，上網(wǎng)電價(jià)按0.34元／kW·h，電廠年收入可增收1586.5萬(wàn)元，因此方案二運(yùn)行收益顯著，能較快的收回初期投資。
(4)故障停電損失分析
根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)，500 kV主變壓器的故障率為2次／100臺(tái)·年，如運(yùn)行小時(shí)數(shù)按照6000 h／年，發(fā)電利潤(rùn)按照0.14元／kW·h計(jì)算，GCB壽命時(shí)間為20年，如采用方案二電廠每年將可以減少停電損失費(fèi)為：0.02×2×6000／8760×20(177× 24-1187)×60×0.14×0.8(故障率×2臺(tái)主變×年運(yùn)行小時(shí)數(shù)×使用年限×（無(wú)GCB故障修復(fù)天數(shù)×24 h-GCB故障恢復(fù)時(shí)間)×600 MW×發(fā)電利潤(rùn)×（GCB起作用的)此類故障率)＝11271.4萬(wàn)元。顯而易見，該項(xiàng)收益遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于初期投資的差異 |
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