600 MW發(fā)電機(jī)組出口裝設(shè)斷路器問題的探討

精品文檔-下載后可編輯MW發(fā)電機(jī)組出口裝設(shè)斷路器問題的探討隨著我國(guó)第1個(gè)大型機(jī)組裝設(shè)發(fā)電機(jī)出口斷路器(以下簡(jiǎn)稱GCB)的電廠——沙角C廠的投運(yùn)，GCB的諸多優(yōu)點(diǎn)日益被人們注重，GCB對(duì)抑制主變內(nèi)部故障及防止發(fā)電機(jī)非全相運(yùn)行的作用也日漸被人們認(rèn)識(shí)；同時(shí)國(guó)際市場(chǎng)上GCB的價(jià)格也隨著其大量投入商業(yè)運(yùn)行而逐步下調(diào)，以ABB公司為例，其GCB的價(jià)格每年大致下調(diào)2%，這就為GCB在我國(guó)大型火力發(fā)電機(jī)組上的應(yīng)用提供了較好的應(yīng)前景。繼沙角C廠以后，我國(guó)相繼有湖北省黃岡電廠(2×600MW)、外高橋電廠(2×900MW)及盤山電廠(2×600MW)幾個(gè)大型火力發(fā)電廠通過審查，將在其發(fā)電機(jī)出口裝設(shè)GCB。1國(guó)外發(fā)電機(jī)出口斷路器制造及使用情況

40年代初，由于系統(tǒng)及單機(jī)容量的不斷增大，提供短路電流水平越來越高，普通的中壓開關(guān)已無法滿足開斷能力的要求。大電流推動(dòng)了離相封閉母線技術(shù)的迅速發(fā)展以及發(fā)電機(jī)、變壓器單元接線的廣泛采用。至60年代中期，為了簡(jiǎn)化電廠的運(yùn)行操作，提高機(jī)組的可用率以及核電技術(shù)的需要，越來越多的（專家）認(rèn)為采用GCB是必要的。正是這種需要，BBC公司在1969年開發(fā)出第1臺(tái)在大型發(fā)電機(jī)機(jī)端直接操作的DR型空氣斷路器［1］。該斷路器為離相式全封閉結(jié)構(gòu)，以壓縮空氣為滅弧介質(zhì)，操作機(jī)構(gòu)也采用壓縮空氣，額定電流可達(dá)50kA，開斷能力250kA。從第1臺(tái)DR型斷路器投運(yùn)至今，BBC/ABB共生產(chǎn)了大約600臺(tái)投放市場(chǎng)，其故障率逐步縮小至0.5%左右，且逐漸趨于穩(wěn)定。操作故障率為20×10-6，這一指標(biāo)比高壓斷路器低20倍左右。

1984年ABB推出了第1臺(tái)HE型SF6GCB，采用SF6氣體作為絕緣和滅弧介質(zhì)，操作機(jī)構(gòu)仍為氣動(dòng)。它利用SF6自滅弧原理(self-extinguishing)，由觸頭分開時(shí)產(chǎn)生的電弧來加熱SF6氣體，使其膨脹，形成熄弧所需的氣體；同時(shí)電流流過固定觸頭內(nèi)的線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，導(dǎo)致電弧旋轉(zhuǎn)，使對(duì)觸頭的燒傷減至最低限度。荷載觸頭與滅弧觸頭相互獨(dú)立，保證了連續(xù)載流能力。該斷路器額定電流達(dá)24kA，開斷能力160kA，為SF6斷路器用于我國(guó)600MW發(fā)電機(jī)出口提供了條件。由于SF6氣體優(yōu)良的絕緣和滅弧性能，使整個(gè)斷路器的結(jié)構(gòu)更趨緊湊，故障率也更低(＜0.3%)。除了ABB公司之外，法國(guó)GEC-ALSTHOM公司、日本三菱等公司也先后開發(fā)出了SF6GCB。由于GCB的獨(dú)特性能，除了需滿足現(xiàn)有的開關(guān)制造標(biāo)準(zhǔn)如IEC56(1987)、ANSI/IEEEC37.08(1987)、IEC694(1980)、IEC298(1990)以外，1993年IEEE專門頒布了用于GCB制造標(biāo)準(zhǔn)：IEEEC37.013(1993)。從而使現(xiàn)代GCB的制造、試驗(yàn)及安裝的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化。

從1969年第1臺(tái)GCB誕生以來，GCB在世界范圍的使用已越來越普遍，根據(jù)CIGRE的調(diào)查表明，目前全世界有超過50%的核電廠與超過10%的火電廠采用了GCB，特別是對(duì)廠用電系統(tǒng)可靠性要求很高的核電廠與大容量火力發(fā)電廠采用GCB已逐步成為一種標(biāo)準(zhǔn)。德國(guó)新安裝的單機(jī)容量大于259MV.A的核電廠和單機(jī)容量大于588MV.A的火電廠均裝設(shè)了GCB。ABB公司SF6型GCB從1984至1995年11年間共銷售了507臺(tái)，單從1996年至今兩年多一點(diǎn)的時(shí)間里，就銷售了273臺(tái)SF6GCB。俄羅斯“火電廠設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程”8.9條明確規(guī)定：容量為300MW及以上的每臺(tái)發(fā)電機(jī)在單元接線的所有情況下，在發(fā)電機(jī)與變壓器之間均應(yīng)裝設(shè)斷路器。因此在俄羅斯所有300MW及以上機(jī)組均裝設(shè)了斷路器或負(fù)荷開關(guān)。我國(guó)由俄羅斯引進(jìn)的工程如天津薊縣、遼寧綏中、伊敏電廠、營(yíng)口電廠等均裝設(shè)了負(fù)荷開關(guān)。而采用負(fù)荷開關(guān)的原因是目前俄羅斯僅能生產(chǎn)敞開式空氣斷路器，無法使發(fā)電機(jī)主回路封閉，降低了可靠性，而該負(fù)荷開關(guān)為封閉式，并有較高的可靠性和良好的性能指標(biāo)。

2600MW機(jī)組裝GCB的技術(shù)分析

2.1可限制主變及廠變故障，減少故障損失

變壓器故障，將導(dǎo)致電廠嚴(yán)重的非計(jì)劃停機(jī)，然而任何1臺(tái)變壓器都無法避免因介電強(qiáng)度的下降而導(dǎo)致內(nèi)部故障的可能性，為了合理的評(píng)價(jià)GCB對(duì)抑制變壓器內(nèi)部故障的作用，必須仔細(xì)研究在GCB的動(dòng)作時(shí)間(連同保護(hù)動(dòng)作時(shí)間約75ms)內(nèi)變壓器的損壞情況。變壓器是否發(fā)生爆炸主要取決于內(nèi)部故障時(shí)短路電弧所產(chǎn)生的氣體壓力與油箱本體允許的機(jī)械耐受應(yīng)力兩者之間的平衡，如果氣體的壓力高于油箱的允許壓力，油箱將發(fā)生破裂，內(nèi)部絕緣油在氣體壓力的作用下發(fā)生噴濺而起火，從而導(dǎo)致變壓器嚴(yán)重的損壞，直至報(bào)廢。

研究表明，短路電弧產(chǎn)生的氣體壓力取決于短路發(fā)生的位置、短路持續(xù)時(shí)間以及系統(tǒng)電壓、短路阻抗等參數(shù)，是電弧電壓U、電弧電流I、故障時(shí)間T、氣體產(chǎn)生速率C的函數(shù)，文獻(xiàn)［2］給出了故障發(fā)生在變壓器內(nèi)部不同位置時(shí)的計(jì)算結(jié)果，見圖1。當(dāng)變壓器有80%的各種內(nèi)部故障，如部分線圈短路、高壓線圈對(duì)地短路、套管短路等，都會(huì)由于GCB的動(dòng)作，使電弧氣體壓力維持在油箱允許應(yīng)力范圍之內(nèi)，并限制了故障的發(fā)展。這意味著較輕的損壞程度以及較短的修復(fù)時(shí)間，如果沒有GCB，那么90%的內(nèi)部故障均會(huì)在180ms以內(nèi)引發(fā)變壓器的爆炸，文獻(xiàn)［2］對(duì)發(fā)生故障變壓器的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值進(jìn)行了比較，結(jié)果相當(dāng)接近。

對(duì)于發(fā)生在主變高壓側(cè)端部的外部短路故障，由于發(fā)電機(jī)滅磁時(shí)間長(zhǎng)達(dá)6～12s，即使主變能夠承受這期間的動(dòng)、熱穩(wěn)定要求，根據(jù)AEP的調(diào)查，其壽命也將受到嚴(yán)重?fù)p害。

2.2可避免負(fù)序電流對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的損害

大型發(fā)電機(jī)均具有一定的承受負(fù)序電流的能力，根據(jù)IEC-Recommendation34-1(1983)的建議，大型發(fā)電機(jī)允許負(fù)序電流約為8s(I22×t值)，文獻(xiàn)［3］分析了各種不平衡負(fù)荷是否超出了發(fā)電機(jī)的承受能力。

2.2.1高壓斷路器在發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)同期時(shí)發(fā)生兩相合閘成功，一相因故障被卡住

此時(shí)負(fù)序電流I2約為0.4pu，不平衡保護(hù)將立即動(dòng)作，高壓斷路器將合閘兩相跳開，對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子影響不大。

2.2.2發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)解列時(shí)高壓斷路器兩相分閘成功，一相因故障被卡住

此時(shí)發(fā)電機(jī)已經(jīng)滅磁，發(fā)電機(jī)將作為電動(dòng)機(jī)狀態(tài)運(yùn)行，I2約為0.368pu，允許持續(xù)時(shí)間為60s，但由于開關(guān)被卡住，發(fā)電機(jī)要通過對(duì)側(cè)開關(guān)進(jìn)行系統(tǒng)解列，顯然，對(duì)側(cè)開關(guān)斷開要超過60s，將使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子嚴(yán)重過熱損壞。

2.2.3發(fā)電機(jī)在開斷額定電流時(shí)高壓斷路器兩相分閘成功，一相因故障被卡住

發(fā)電機(jī)負(fù)序電流將在5～15s內(nèi)達(dá)到允許極限，顯然在該種情況下發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過熱損壞程度較2.2.2更為嚴(yán)重。

2.2.4高壓側(cè)母線單相接地時(shí)，高壓斷路器非全相開斷

這種情況下，初始負(fù)序電流約為1.21pu，由于存在接地故障，發(fā)電機(jī)進(jìn)行強(qiáng)勵(lì)；強(qiáng)勵(lì)之后，I2約達(dá)到1.67pu，發(fā)電機(jī)負(fù)序電流將在3s內(nèi)達(dá)到允許極限，這種情況下發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過熱損壞程度又較2.2.2、2.2.3為嚴(yán)重。

2.2.5主變高壓側(cè)單相接地

負(fù)序電流及允許時(shí)限基本同2.2.4，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子將在滅磁(6～12s)之前損壞。

2.2.6如果主變?yōu)槿嘧儔浩?，且故障發(fā)生在主變內(nèi)部，10ms之內(nèi)故障將發(fā)展為三相，因此對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子影響不大，但主變會(huì)在發(fā)電機(jī)滅磁之前徹底損壞。

2.2.7主變高壓側(cè)相間短路

這種情況下，初始負(fù)序電流約為1.39pu，強(qiáng)勵(lì)之后，I2達(dá)到1.92pu，發(fā)電機(jī)負(fù)序電流將為2.2s內(nèi)達(dá)到允許極限，這種情況下發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過熱損壞程度又較2.2.2、2.2.3、2.2.4嚴(yán)重。

2.2.8主變低壓側(cè)相間短路

這種情況下，初始負(fù)序電流約為2.22pu，強(qiáng)勵(lì)之后，I2可達(dá)3.01pu，發(fā)電機(jī)負(fù)序電流將在1s內(nèi)達(dá)到允許極限，這種情況下發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過熱損壞程度又較2.2.2、2.2.3、2.2.4、2.2.6嚴(yán)重。

綜上所述，在大多數(shù)情況下，因高壓開關(guān)非全相操作或主變、廠變故障均將引起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的損壞。

我國(guó)僅河南電網(wǎng)1984～1990年6a間就發(fā)生了3次因高壓斷路器非全相運(yùn)行而造成的嚴(yán)重轉(zhuǎn)子燒損事故［4］。國(guó)外也多次發(fā)生過類似故障，如1983年巴基斯坦1臺(tái)400MW機(jī)組、1984年意大利1臺(tái)400MW機(jī)組、1987年東德1臺(tái)500MW機(jī)組均因不平衡電流導(dǎo)致了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子嚴(yán)重?fù)p壞。

2.3可避免機(jī)組在正常啟動(dòng)、停機(jī)及事故停機(jī)時(shí)高壓廠用工作電源與啟動(dòng)/備用電源之間的切換

2.3.1正常切換

機(jī)組在啟動(dòng)與停機(jī)過程中，不可避免地要進(jìn)行工作廠變與啟動(dòng)/備用變電源之間的并聯(lián)切換，由于廠變與啟/備變電源往往取自不同的系統(tǒng)，它們之間存在的不同數(shù)值的阻抗，存在著一定的相位差，陽邏電廠二期該相角超過12°，石洞口二廠曾達(dá)到14°。初始相角的存在，在正常并聯(lián)切換時(shí)，兩臺(tái)變壓器之間將產(chǎn)生較大的環(huán)流，陽邏電廠經(jīng)實(shí)測(cè)該環(huán)流接近變壓器額定電流，如此之大的環(huán)流，在切換時(shí)間內(nèi)會(huì)對(duì)變壓器的壽命產(chǎn)生累積影響。

2.3.2事故切換

目前在大型機(jī)組廠用電系統(tǒng)廣泛采用事故快切裝置，如果允許相角差整定過大(超過40°)，則對(duì)高壓電機(jī)的暫態(tài)沖擊電流可達(dá)額定值的18倍，極有可能引起高壓電機(jī)的損壞［3］，是安全運(yùn)行所不能允許的。因此一般將允許相角差整定在25°～40°之間，但初始相角差的存在，使實(shí)現(xiàn)快速切換極為困難，快速切換能否成功具有某種偶然性，如果快切不成功，快切裝置將自動(dòng)轉(zhuǎn)為慢切。此時(shí)殘壓大致已降到額定電壓的20%～40%，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速將有很大程度的下降，此時(shí)電源恢復(fù)，有可能導(dǎo)致鍋爐運(yùn)行發(fā)生危險(xiǎn)。如引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速比送風(fēng)機(jī)快，則可能使?fàn)t膛過分抽風(fēng)而導(dǎo)致鍋爐和煙道負(fù)壓爆炸；又如水泵式油泵電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，水壓和油壓降低，將造成機(jī)爐汽水系統(tǒng)和油系統(tǒng)的異常運(yùn)行。我國(guó)允許的慢切時(shí)間為1～1.5s，前蘇聯(lián)允許的慢切時(shí)間為0.7～1s。可見蘇聯(lián)認(rèn)為慢切的風(fēng)險(xiǎn)更大。所以無論是快切還是慢切，均有相當(dāng)?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)，成功與否，直接威脅著機(jī)組的安全，因而廠用電切換，一直是電廠運(yùn)行人員最擔(dān)心和最感頭疼的問題。前蘇聯(lián)在發(fā)電機(jī)出口裝設(shè)負(fù)荷開關(guān)，其開斷能力并不能開斷各種短路時(shí)的短路電流，主要作用便是避免這種頗具風(fēng)險(xiǎn)的用電切換。而采用GCB，是解決該問題的較好辦法。

2.4簡(jiǎn)化繼電保護(hù)接線，縮短故障恢復(fù)時(shí)間，提高機(jī)組可用率

(1)在系統(tǒng)振蕩時(shí)，可借助GCB使機(jī)組與系統(tǒng)解列，而不失去廠用電源，汽機(jī)進(jìn)汽可經(jīng)旁路凝汽器，等異常工況消失后，經(jīng)短時(shí)間即可恢復(fù)機(jī)組和系統(tǒng)的并列運(yùn)行，從而避免了由系統(tǒng)振蕩引起的長(zhǎng)時(shí)間的停機(jī)事故。

(2)由于GCB可在不失去廠用電源的條件下切除發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障，保證了故障情況下的安全停機(jī)。

(3)由于采用了GCB，不僅實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)、變壓器有選擇的保護(hù)跳閘，同時(shí)簡(jiǎn)化了保護(hù)接線，而且多數(shù)保護(hù)無須動(dòng)作于高壓斷路器，從而避免了廠用電源的失去，這對(duì)于一些瞬時(shí)性故障特別是來自于鍋爐、汽機(jī)的熱工誤發(fā)信號(hào)的排除，盡快恢復(fù)機(jī)組的運(yùn)行和避免因誤操作而導(dǎo)致更大的損失非常有益。根據(jù)沙角C廠的經(jīng)驗(yàn)，3臺(tái)GCB在機(jī)組調(diào)試期間共計(jì)動(dòng)作800余次，多數(shù)情況下可在數(shù)十分鐘內(nèi)恢復(fù)機(jī)組的運(yùn)行。

(4)經(jīng)計(jì)算，采用GCB約可使電廠的可用率提高0.7%～1%。

3發(fā)電機(jī)出口裝設(shè)斷路器的經(jīng)濟(jì)分析

以陽邏電廠為例，GCB的采用將隨著啟/備變引接方式(采用架空線式電纜)的不同、共箱電纜母線的使用與否等前提條件的不同，將增加投資99.6～721.4萬元(見表1～2)，為了對(duì)GCB的經(jīng)濟(jì)性有一個(gè)全面的評(píng)價(jià)，以下結(jié)合我國(guó)500kV變壓器的事故率，分析GCB對(duì)2臺(tái)600MW機(jī)組20a運(yùn)行期間，因變壓器故障而產(chǎn)生的事故損失費(fèi)用的影響。

表1發(fā)電機(jī)出口裝設(shè)斷路器方案經(jīng)濟(jì)比較

(電纜＋電纜共箱母線方案)萬元

項(xiàng)目發(fā)電機(jī)出口不裝

斷路器(方案一)發(fā)電機(jī)出口裝

斷路器(方案二)單價(jià)數(shù)量/臺(tái)總價(jià)單價(jià)數(shù)量/臺(tái)總價(jià)發(fā)電機(jī)斷路器792.521585啟/備電源設(shè)備2766.6991.2變壓器調(diào)壓

方式差價(jià)145

0

0

145

2

290

合計(jì)2766.62866.2價(jià)差099.6備注：1.本表只對(duì)兩方案的主要設(shè)備進(jìn)行差異比較，相同部分未列出。2.發(fā)電機(jī)斷路器、電纜為進(jìn)口設(shè)備，其余為國(guó)產(chǎn)設(shè)各，進(jìn)口設(shè)備價(jià)格已考慮了關(guān)稅及增值稅。

表2發(fā)電機(jī)出口裝設(shè)斷路器方案經(jīng)濟(jì)比較

(架空線＋普通共箱母線方案)萬元

項(xiàng)目無發(fā)電機(jī)斷路

器(方案一)有發(fā)電機(jī)出口

斷路器(方案二)單價(jià)