张 浩，胡振兴

（中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川 成都 610021）

0 引言

H级燃机是目前最先进的燃气轮机机型，拥有最大的出力、最高的燃烧初温和最高的效率，代表目前燃机技术发展的最高水平。作为优质的调峰电源，国内多地开始投资建设大型H级燃机机组。而这类型调峰机组，绝大部分通过220 kV电压等级接入负荷中心骨干电网。本文针对这类高压侧为220 kV的大型H级调峰燃机机组进行了主接线优化设计研究。

1 常规电气主接线方案

目前国内调峰燃气发电机组项目在发电机出口一般都配置了GCB，典型(单轴)电气主接线图如图1所示。

图1 常规电气主接线方案

1.1 燃气发电机组对发电机断路器的要求

调峰燃机机组要频繁启停，安装发电机断路器可以简化操作。考虑到频繁启停厂用电快切装置的成功率问题，调峰燃机机组通过主变压器从电力系统取得启动电源，以保证机组的正常启动、停机，故设置发电机断路器。

目前H级燃机机组的起动方式都为静态变频器(static frequency converter，SFC)带动发电机以同步电动机方式运行带动燃气轮机机组转动来起动。为保证机组的正常起动，一般认为宜在发电机出口设置发电机断路器。

1.2 主机厂的定型设计的要求

H级机组的定型设计，往往要求SFC隔离变装设在发电机出口。进口主机供货商为了维持其标准化设计和分包采购流程不变，一般不会同意使用方修改其定型设计；DL/T 5174—2003《燃气—蒸汽联合循环电厂设计规定》[1]第13.3.6条的条文解释也有提及：“个别国外燃气轮机制造商，也是大量生产发电机出口断路器的公司，推荐变频起动时，要求从发电进出口单独引接起动电源(此时必须增设发电机出口断路器)，我们认为这种要求是从其具有发电机出口断路器制造优势出发考虑的。”

1.3 存在的问题

目前已投运的大型H机调峰燃机基本都设置了GCB。但是结合工程经验和电厂运行人员的反馈，此方案存在以下不足之处：

1)初投资大。目前H级调峰燃机所配置的GCB主要为进口产品，单台GCB的价格达千万元；

2)主变空载损耗导致电厂运行费用增加。由于各省级调度一般不允许电厂自行操作主变高压侧220 kV断路器，故机组停机时，主变仍长期带电，其空载损耗较大，增加了电厂的运行费用；

3) GCB的设置也增加了一处故障点，机组可靠性相应有所降低。实际工程中也出现不少GCB处电压互感器、操作机构故障导致的事故。

2 电气主接线优化设计方案

根据DL/T 5174—2020《燃气—蒸汽联合循环电厂设计规范》[2]第14.2.2条要求“调峰的发电机组采用发电机变压器组单元制接线时，发电机出口断路器的装设应通过技术经济论证决定。”第14.4.2条又规定“燃机电厂发电机组的启动负荷宜从本机组的厂用工作母线段引接。”条文解释为：“燃气轮机发电机组一般有变频、柴油机、电动机等启动方式，其电源不宜单独特别从发电机双卷变压器组的发电机出口支接处引接，因为如此设计必须装设发电机出口断路器，……”上述最新规范的要求可理解为在有条件的情况下不装设GCB。

GB 50660—2011《大中型火力发电厂设计规范》[3]中16.2.5和16.2.6条的条文解释有，“当600 MW级机组采用220 kV发电机—变压器—线路组或发电机—变压器单元接线方式，且技术经济合理时，也可采用主变压器高压侧串接两台断路器和高压厂用工作变压器由其间支接的方案”。

结合上述规范条文，本文提出优化电气主接线方案如下：燃机发电机与主变之间不装设断路器，在主变高压侧与220 kV升压站之间设置一组220 kV发电机断路器用于机组的启停。每套机组设1台高压厂用变压器，高压厂用变T接于220 kV发电机断路器与220 kV升压站主变进线间隔断路器之间。高压事故停机/备用变压器接在#1机组对应的220 kV母线。燃机SFC隔离变由厂用6 kV母线供电。优化的电气主接线方案如图2所示。

图2 优化的电气主接线方案

高压发电机出口断路器方案在秦山300 MW核电站(升压到220 kV)[4]及台山1 750 MW EPR核电站(升压到500 kV)均有过实际应用，如图3所示。核电厂对于设计方案和系统运行的可靠性要求更高，因此高压发电机出口断路器方案应用于燃机电站，可靠性没有问题。

图3 秦山核电电气主接线

当采用高压GCB时，燃机电站启动过程与常规燃机有所不同，主要是SFC隔离变电源通过发电机出口隔离开关带动发电机启动时，主变压器低压侧将带电从电压、频率为0开始一直到额定值时再合闸。国内300 Mvar调相机就是采用此种启动方式[5]如图4所示，目前没有发现问题。而且燃机电站相比调相机启动条件更好：燃机电站有燃气轮机作为原动机，燃机电站SFC隔离变电源在转子2 000转时就可退出由燃气轮机带动；调相机由于无原动机，需由SFC隔离变电源一直带动到110%转速再切换合闸。

图4 300 Mvar调相机典型电气主接线

上述两种方案均满足相关规程要求。方案技术表与技术经济比较见表1和表2所列。

表1 电气主接线方案技术比较表

表2 电气主接线方案投资比较表

从表1可知，优化方案在技术上满足规范标准的要求，同时仍具备常规方案的绝大部分优点。经济方面，优化方案在节省高额初投资的情况下，还可避免主变空载损耗带来的高额运行费用问题，故在经济技术方面均有极大优势。

3 其他问题

采用优化方案时，可能存在以下问题：

1) 调峰机组的并网、解列开关由GCB改为220 kV GIS中的SF6断路器。此开关需进行每天1～2次的频繁开合(但非连续开合)，故对GIS开关的可靠性提出的更高的要求。

2) 常规方案中，无论机组运行还是停机，主变高压侧一直处于带电状态，机组通过GCB投切时，对主变冲击较小。优化方案中，机组并网时，主变高压侧220 kV断路器合闸，由此产生的过电压或冲击涌流可能对变压器造成损伤。

得到的反馈如下：

1) GIS开关设备在正常的开断寿命次数内，每天1～2次的非连续动作并不会对设备本身造成明显损坏。在开断次数较为频繁的情况下，运行单位可适当加强SF6(六氟化硫)气体质量监测等检查维护工作。

2) 变压器本身的设计过程中已考虑了开关动作所带来的过电压和冲击涌流问题。且优化方案主变电压、频率从0起升到额定值再合闸比空载合闸条件要好。

4 结语

结合规范标准和实际运行需求，本文提出了一种大型H级调峰燃机主接线优化设计方案。优化方案取消了常规方案中的发电机出口断路器(GCB)，在主变高压侧设置了220 kV发电机断路器，高厂变高压侧从主变高压侧2组串接的220 kV断路器之间支接(也可直接从220 kV母线引接)。通过技术经济分析论证了此方案的技术可行性和经济性，并对可能存在的问题进行了咨询验证。优化方案相关技术都是成熟的，在核电站、调相机中均有成熟应用，推荐调峰燃机电站推广采用该优化主接线方案以节省初投资及运行费用。