论文摘要：本文详细介绍了发电机出口断路器（以下简称GCB）的特点，并分析了其在实际工程中应用的意义。在大唐清苑2×300MW热电厂（目前已发电）的前期工作中通过技术经济的详细比较，采用了设置GCB的主接线方案，实现了简化主接线方式和简化电厂运行操作的目的。

关键词：发电机出口断路器；GCB；保护
　　中图分类号：TM561文献标识码：A文章编号：1006-4311（2013）16-0034-03

0引言
　　如何简化电厂的运行操作，提高机组的可利用率以及提高系统安全性和稳定性是近年来随着我国发电厂向大机组方向发展产生的重要课题。采用GCB是尝试解决此类问题的途径之一。
　　目前国内制造商无能力生产与600MW等级大容量机组配套的GCB，国外也仅有ABB、ALSTHOM等几家知名大公司有能力生产。随着电力设备制造技术的发展，现在国内外电厂使用的SF6气体为灭弧介质的GCB，结构更紧凑，故障率更低，还可以集成CT、PT、接地开关等设备，成为多功能组合电器。如图1所示。
　　关于300MW及以下的单元制连接的火电机组是否可以采用GCB方案的问题，在1999年10月上海召开的专题研讨会上经过一番激烈的争论后，规定有所松动，建议“300MW及以下，主变压器高压侧电压为220kV以下（三绕组变压器例外）的火电机组原则上不采用GCB设计方案，但如果投资方有资金，通过技术、经济比较后认为有必要，也可以采用GCB方案。”但以上内容没有正式列入“大火规”[1]。
　　随着GCB制造质量的提高，技术的进步和价格的不断降低，如何合理地提高系统的安全稳定性越来越得到重视。下面对300MW发电机出口设置断路器并取消起备变的可行性进行研究分析。

1装设GCB的技术分析
　　1.1GCB对系统的作用在我国，300MW级发电机组通常采用发变组单元接线方式。该接线方式中，主变高压侧断路器的可靠运行是发电机、变压器及系统能稳定运行的重要前提条件。
　　未装设GCB时，在事故状态下，当主变高压侧断路器执行解列或并车操作的动作过程中，若发生一相或两相断路器因拒动、误动或断口绝缘击穿而导致非全相分、合闸状态时，极有可能因非全相运行而造成主变压器绝缘损坏甚至起火烧毁。进而，因负序电流作用使发电机转子绝缘损坏至起火烧毁。更甚者，系统解列，发生大面积停电等重大事故，造成巨大的经济损失。
　　如果装设GCB则能够降低此类事故发生时所造成的破坏程度，GCB可在50～60ms内把机组与故障点分开，缩短事故影响机组的时间，从而有效地保护机组，保证电力系统的长期稳定运行，所以装设GCB将提高系统运行的安全稳定性。
　　1.2GCB对发电厂的作用根据1.1中的情况，当主变高压侧断路器故障时，因发电机带不平衡负荷运行、发生不对称短路时产生的非全相运行负序分量及不对称短路电流会产生相应的热应力，该应力施加在发电机转子绕组上超过秒级单位时，发电机转子因异常高温而损毁的概率成几何倍增加。所以在发电厂中，和发电机相关的故障讲求毫秒必争。而GCB可在50～60ms内把机组与故障点分开，缩短事故影响机组的时间，从而有效地保护机组。
　　由此可见，采用GCB能够保护发电机。
　　另外，再举一个例子：假设主变压器与其高压侧断路器之间发生对地故障时，如果发电机出口装设了GCB，在最初的32ms内，短路电流来自系统侧和发电机侧，主变内部的温度及压力上升异常迅速。50ms时，变压器高压侧断路器分闸，短路电流只由发电机供给。60ms时，GCB动作将发电机与主变断开，切断短路电流。因短路电流源只存在了不到一秒的时间，主变内部的绕组、铁芯及夹件等的损毁概率大大减少。
　　由此可见，采用GCB能够保护主变。
　　1.3GCB的其他作用GCB可以改善同期条件——在GCB上操作同期，可由发电厂完全操控，并不会与电厂内升压站操控产生任何操控责任上的重叠。而在反相同期操作过程中，GCB相比主变高压侧断路器更有能力切断延迟过零电流[2-3]。
　　GCB可以简化保护动作——以为GCB中心，故障分为两种：发电机侧故障和主变侧故障。故障时，GCB动作使得发电机、主变和高厂变处于各自独立的保护范围内，简化了厂用电源的控制保护接线及其联锁复杂性。

2装设GCB的经济性分析
　　目前，大容量机组启动（备用）电源的设置原则正在发生变化。当GCB的价格与起动/备用变（以下简称起备变）、高低压侧开关等设备价格相比接近时，可以考虑不设置专用的起备变，而由主变通过高厂变提供起动电源的方案，把初投资降低至最低。即便设置起备变，仍然将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。
　　以下就大唐清苑2×300MW热电厂前期讨论的三种电气接线方案作技术经济性比较：
　　2.1技术方案方案一：该方案为常规双母线接线，设置一台与高厂变相同容量的启动/备用变压器。经过计算该方案6kV厂用段的短路水平为40kA。如图2所示。
　　方案二：该方案采用发电机～主变～线路的主接线型式，发电机出口装设GCB。相对于方案一，该方案通过系统反送电经有载调压高厂变供机组起动。取消起备变。经过统计停机负荷，厂变的容量按实际容量的110%选取，厂用段1A与2A，1B与2B段拉手连接，以保证其中一台机组出现故障时的正常停机。经过计算该方案厂用段的短路水平为40kA。如图3所示。
　　方案三：该方案主接线为双母线型式。设置一台与高厂变相同容量的启动/备用变压器。发电机出口装设GCB。经过计算该方案厂用段的短路水平为40kA。如图4所示。
　　2.2初期投资比较下面以方案一为基准进行三个方案的初投资比较：
　　1）由图2与图4可知：方案三与方案一相比，其差别在于方案三装设了两台GCB（485万元/台）以及高厂变采用了有载调压型式（有载开关100万/台），即方案三比方案一的初投资增加了1170万元。
　　2）由图3与图4可知：方案二与方案一的差别在于5个方面（投资差额见表1与表2）：
　　①升压站的型式和大小；②高厂变型式和容量；③共箱封母长度；④有无起备变；⑤有无GCB。
　　由表1与表2可知：方案二与方案一相比，其初投资减少了3291-2882=409万元。
　　综上所述，初投资：方案三>方案一>方案二。
　　2.3主变故障损失与装设GCB的关系主变的故障率分析是电力系统运行风险评估中的一项。电力系统运行风险评估的目的是针对电网未来若干分钟到若干小时内的运行状态，给出综合考虑其不确定性和安全性的量化指标口[4-5]。通过主变的故障率分析可以估算得到因主变故障引起年均停电损失费用。根据有关文献统计[6]，主变压器的故障率可按图5估算。
　　由图5可知，主变压器的故障率约为0.0012次/台·年，以大唐清苑2×300MW热电厂为例，发电厂运行小时数按照5500h/年，发电利润按照0.1元/kW·h计算，因主变故障造成的年均损失电费按下式估算：
　　变压器内部潜伏性故障的加速因素分为内部因素和外部因素[6]，如下：
　　1）内部因素：
　　①过热；②放电；③吸潮；④密封不良；⑤油老化。
　　2）外部因素：
　　①操作失误；②雷击；③短路电流的冲击。
　　如果装设了GCB，除了对吸潮、密封不良、油老化固有因素的影响较小外，对其他加速变压器老化的因素都很有作用，对变压器的老化可以起到很大的延缓作用。GCB可以起到保护作用的概率大约为0.625。那么当采用上述方案二或方案三时，发电厂装设GCB可以减少因主变故障造成的年均停电损失费为：
　　由上述比较可以看出，装设GCB后，会有隐形的年均收益，只需不到5年的时间就完全可以收回装设GCB的初投资。如果发电利润再有提高，收回装设GCB的初投资的时间可以更短。
　　2.4取消起备变对发电厂的影响下面根据2.1中提出的三个方案对发电厂故障状态运行方式进行简单论述。
　　方案一的故障运行方式：如果是减负荷再停机的情况，可采用正常停机方式；如果是紧急跳机的故障，厂用电突然失电，则由厂用电切换装置自动切换到由起备变引接的起动/备用电源，保证重要辅机仍有电源，然后安全停机。如由高压厂用工作变压器、发电机、主变压器、汽轮机、主封母、厂用分支封母及6kV本回路元件等引起的故障，厂用电源失去，厂用电切换装置自动切换到由起备变引接的起动/备用电源，保证重要辅机仍有电源，安全停机。
　　方案二的故障运行方式：由锅炉和重要辅机以及发电机引起的故障，只需要跳开GCB而停机，此时不需要切换厂用电源。如果是由GCB、主变压器、高厂变、高厂变低压侧封母及220kV本回路元件故障引起的机组停机，本机组将失去厂用电，这时厂用电切换装置将会自动将另一台机组的高厂变投入作为本机组的备用电源，过程与方案一相同。
　　方案三的故障运行方式：由锅炉和重要辅机以及发电机引起的故障，只需要跳开GCB而停机，此时不需要切换厂用电源。如果是由GCB、主变压器、高厂变、高厂变低压侧封母及220kV本回路元件故障引起的机组停机，机组将失去厂用电，这时厂用电切换装置将会自动投入备用变电源，过程与方案一相同。
　　三个方案的厂用电特性比较，见表3。
　　从上面论述可以看出，方案二取消了起备变，其厂用电的切换次数大大减少，并且不需要厂用电的同期投入并联运行方式。但是采用另一机组的高厂变作为本机组的备用电源，其电负荷需要精确统计，而且操作规程须完善完整，否则，会出现将另一台正常运行的机组拉停的事故。由此可见，取消起备变有利有弊，其弊可人为消除。

3结论及建议
　　根据以上技术和经济性比较，大唐清苑2×300MW热电厂最终采取的是方案二：采用发电机～主变～线路的主接线型式，发电机出口装设GCB，并且取消起备变。
　　综上所述，使用GCB既可以保护发电机和变压器，减少设备平均维护时间，简化主接线型式，改善同期条件，使整个电厂的安全可靠性大大提高，又方便电厂管理、运行和维护，同时还能带来明显的经济效益，使整个电厂寿命周期内维护成本得到降低，加快了电厂投资的回收，因此，300MW机组的发电机出口装设GCB是值得考虑的。

参考文献：
　　[1]GB50660-2011大中型火力发电厂设计规范.
　　[2]GB/T14824-2008高压交流发电机断路器.
　　[3]IEEEC37.013-1997基于平衡电流的交流高压发电机断路器.
　　[4]CIGRETaskForce38.03.12.PowersystemsecurityAssessment：apositionpaper.Electra，1997（175）：49-77.
　　[5]吴文传，宁辽逸，张伯明.一种考虑二次设备模型的在线静态运行风险评估方法.电力系统自动化，2008，32（7）.
　　[6]宁辽逸，吴文传，张伯明.运行风险评估中的变压器时变停运模型（一）基于运行工况的变压器内部潜伏性故障的故障率估计方法.电力系统自动化，2010，34（15）.