对主变压器和发电机的保护所示为二滩水电站UNITROL5000励磁系统的灭磁录波,龙滩水电站也采用了UNITROL5000励磁系统。二滩发电机的额定励磁电压为378V,其4号机灭磁时间达6.5s,龙滩发电机的额定励磁电压为455.9V,灭磁时间可能还要长。
UNITROL5000灭磁录波灭磁时间Tm计算公式如下:Tm=nn-1Lfrf+rn0(1)式中:rf为转子电阻;rn0为t=0时的灭磁电阻值;Lf为转子电感;n为灭磁电阻材料系数,SiC的n为3~5.灭磁开关最大开断弧断电压Usm计算公式如下:Usm≥Ufm+Urm(2)式中:Ufm为励磁最大电压;Urm为灭磁电阻最大电压降。
由式(1)可以看出,如果要减少灭磁时间,只有提高灭磁电阻值(即灭磁电阻的阈值电压),而这样将带来2个问题:①从式(2)可以看出,要增加灭磁开关的弧断电压,龙滩700MW巨型发电机需选用高一个等级弧断电压的灭磁开关,代价很大;②灭磁电压有可能超过转子耐压将转子击穿,因此,要提高转子耐压,才能防止发电机灭磁时产生的更高的反向电压对转子造成损坏。这是我国目前巨型机组灭磁时间普遍偏长的主要原因。因此,龙滩机组的灭磁时间估计将达到或超过6.5s.
假设变压器高压侧内部或套管对地或相间发生故障,燃弧电流来自500kV系统侧和发电机2部分,30ms时,500kV高压断路器把系统与故障点断开,燃弧电流只由发电机供给。如果没有GCB,发电机会把一个因为灭磁而衰减的电流源源不断地送到燃弧点,并维持6.5s的时间,变压器油箱内部压力将会不断上升,有可能引起变压器油箱爆炸。
据统计,当遭受外部短路时,因不能及时跳闸切除故障点而烧毁变压器的事故,约占短路损坏事故的30%<4>。另一方面,由于故障时不能及时跳闸切除故障点,一次故障后,面上变压器还能正常运行,但多次出现故障时不能及时跳闸切除故障点,将使变压器内部的夹件、绕组等产生变形累计效应,留下严重的事故隐患,长时间运行,变压器终究会彻底损坏。
根据龙滩水轮发电机组合同文件附件3规定,龙滩水轮发电机组允许的负序电流分量与额定电流之比不超过9%.但发生在主变高压侧的单相或相间短路产生的负序电流分量大大超过该值,将在励磁绕组、阻尼绕组以及转子面感应电流,该电流将在相应的部分引起很大的损耗和发热。大型发电机转子的层负序过负荷保护设计定值一般为3s动作跳GCB<5>,如果发电机出口未装GCB,则龙滩发电机在上述故障时将承受发热持续达6.5s,发电机有可能受到较严重的损坏。有资料明,国内火电大机组已发生负序烧机事故50多起<4>,损失很大。
虽然凸极机的散热条件较隐极机要好很多,但作为国内最大的空冷发电机组,龙滩机组存在的散热问题和负序烧机问题应引起充分的关注。出于对龙滩780MVA主变压器和700MW发电机的保护,发电机出口装设GCB,及时快速地切断故障电流,对保护发电机和主变压器的安全很有必要。
GCB作为同期点更为可靠<6>HEC8型GCB为三相机械联动,三相分合闸操作的不同期时间很小,相间不同期分合闸均不大于2ms,造成发电机非全相运行或相间不同期的可能性非常小;同时,GCB绝缘裕度高,切断反相电流能力强,很适于同期时的可靠、安全操作。500kV断路器由于分断电压高,设备厂家一般采用多断口、单项操作机构,龙滩500kVGIS设备厂家为平高―东芝公司,该公司的500kVGIS断路器为单项操作机构,每相为2个断口,在同期操作过程中出现非全相运行或相间不同期的可能性高于HEC8型GCB,将影响发电机的安全运行。
三峡左岸电站在发电初期由于厂用电的问题曾多次造成机组事故停机,威胁到电网的安全运行,同时也给电厂造成了经济损失,后来采用其他措施增强了厂用电系统。鉴于龙滩水电站在南方电网和广西电网的重要和特殊地位,机组应设置GCB,以利于建成一个完善、灵活、可靠的厂用电系统。