发电厂高压厂用电系统的安全与稳定性研究

2012-03-30黄亚军杨开黎

大电机技术 2012年3期

黄亚军，杨开黎，姜平

（1. 国电哈尔滨热电有限公司，哈尔滨 150060；2. 哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040）

前言

随着国民经济对电力的需求越来越旺盛，目前国内逐渐建成了许多新的大型火力发电厂、核电发电厂和水力发电厂。发电厂的高压厂用电系统正常运行才能保证机组生产电力，厂用电系统一旦出现问题，就影响到机组的励磁系统供电，使机组停机，严重时发电机组可能遭到破坏。发电厂的厂用电系统接线形式与机组容量密切相关，单机容量越大，发电厂在电力系统中占有的地位就越重要，接线形式要求的可靠性就越高。此外，机组的控制系统的自动化水平越高、相应地对厂供电系统的安全、稳定性的要求也就越苛刻。不仅要求机组在正常运行和起停时有安全可靠的供电能力，而且要求电厂各系统辅机故障或电力系统发生短路造成系统电压波动、频率摇摆等事故状态下，都应该提供可靠的供电。

虽然厂用电系统的投资一般只占电厂总投资的5%-10%，但是由于机组长期停役而引起的非直接性投资，主要设备的维修费用，以及使用备用电源所增加的成本，这些额外的附加投资，可能超过厂用电系统的总投资。所以规划和设计厂用电系统时，必须充分意识到它在电厂生产中的重要地位，并尽可能设计出安全、稳定、运行灵活的厂用电系统。因此本文初步系统地讨论在保证发电厂厂用电系统的安全性和稳定性方面需要注意的问题。

1 厂用电电压等级选择

目前，国内发电厂高压厂用电电压等级为3kV、6 kV、10kV电压等级。一般按这样的原则来选择火电厂用电电压等级：发电机容量60MW以下，发电机电压等级为10.5kV时，可采用3kV作为高压厂用电电压；发电机容量在100-300MW时，宜选用6kV作为厂用高压电压；容量 300MW 及以上时，从技术经济方面考虑，可采用两种高压厂用电压，即3kV和10kV。

水电厂厂用电压等级，通常只设380V/220V电压等级，但是坝区和水力枢纽有些大型机械，如闸门启闭装置、航运使用的船闸或升降机等设施用电，常需另设坝区变压器，以6-10kV电压供电。但是发电厂在设计厂用电系统时，常常要结合以下情况：机组数量及单机容量、厂用电接线方式、短路电流水平、设备制造水平、母线电压水平、电动机情况、电气设备布置情况等进行几种方案设计，再进行可行性评估选用合适的电压等级。华北电力设计院的张熠在对600MW空冷机组高压厂用电电压等级选择时[1]，提出以下 3种方案。方案1：10.5kV-3.15kV两级高压厂用电电压。方案 2：10.5kV一级高压厂用电电压。方案 3：10.5-6.3kV两级高压厂用电电压。

通过对比分析，结合多年电厂运行经验，笔者认为10.5-6.3kV两级电压的方案不但可靠性高、灵活性好、且与脱硫岛的接口清晰、节省主厂房内电气面积，而且经济性最好。此方案在技术性、经济性两方面具有的明显优势。

目前，国内运行和在建的1000MW机组中，高压厂用电电压基本采用 3个方案，即 1个电压等级10kV(方案1)；2个电压等级10kV和6kV(方案2)；2个电压等级10kV和3kV(方案3)。3个方案的论证是在发电机出口不装设断路器，考虑每台机设置2台同容量的高压厂用变压器，2台机共设置2台高压启动／备用变压器的前提条件下进行的。狄莹[2]通过对变压器容量、电压波动、电动机启动、短路电流等方面比较分析，认为方案1相对于方案2和方案3除10kV小容量电机的损耗及体积略大外，在总投资方面相差不大。由于方案2和方案3的设备型号较方案1增多，造成维护检修、运行管理工作量加大。因此，狄莹论证的结论认为 1000MW 机组高压厂用电采用 10kV1个电压等级更为合理。

2 厂用电系统中性点接地方式选择

目前，国内大型机组的高压厂用电系统的中性点接地方式主要有3种，即中性点不接地方式、中性点经电阻接地方式和中性点经消弧线圈接地方式[3]。高压厂用电中性点接地方式的选择与接地电容电流大小有关，由于设计中常用的计算方法在运行中往往与实测值发生较大偏差，因此需要采用实测的方法获得电容电流的数值。对于125MW及以下机组或厂用母线段对地电容电流小于5A时，宜采用中性点不接地方式；对于 200MW 及以上机组或厂用母线段对地电容电流在5-10A之间，宜采用高电阻接地方式，如果中性点没有接入高电阻，最好采用专用接地变压器，即采用间接接入电阻的方法；如厂用母线段对地电容电流大于10A时，宜采用消弧线圈接地方式；随着电力电子技术得到广泛的应用，有条件的发电厂可采用智能化的快速消弧系统[4]。

随着 600MW 及1000MW大容量机组越来越多地采用超临界参数、电动给水泵容量和厂用电负荷大幅度增加，对高压厂用电接线的设计提出了更高要求，因此以下几方面因素对超临界机组厂用电接线的影响需要考虑[5]：机组的辅机容量、电动给水泵容量、脱硫装置的容量；厂用电系统设备的短路承受水平；采用发电机出口设置的断路器；发电厂公共用电的供电方式。

3 继电保护装置的应用

用户内部高压线路的电压等级一般为6-35kV，线路较短，通常为单端供电，常见故障有相间短路、单相接地和过负荷等。供电线路装设带时限的过电流保护和瞬时电流速断保护，断路器跳闸作为相间短路的保护；供电线路装设绝缘监视装置（零序电压保护）或单相接地保护（零序电流保护），作为单相接地故障保护。在可能出现过负荷的线路上装设过负荷保护。供电线路越靠近电源，过电流保护的动作时限越长，而短路电流越大，危害也越大，这是过电流保护的不足。因此，GB50062-92规定当过电流保护动作时限超过0.5-0.7s时，应装设瞬动的电流速断保护。

一般用于过电流保护的装置有：熔断器保护、低压断路器保护和继电保护。熔断器保护适用于高低压供电系统，由于其装置简单经济，所以在用户供电系统中应用非常广泛；但其断流能力较小，选择性较差，且其熔体熔断后要更换熔体才能恢复供电，因此在要求供电可靠性高的场所不宜采用熔断器保护（过负荷、短路保护）。低压断路器保护又称低压自动开关保护，适用于要求供电可靠性较高和操作灵活方便的低压供配电系统中（过负荷、短路保护、低电压或失压保护）。继电保护适用于要求供电可靠性较高、操作灵活方便特别是自动化程度较高的高压供配电系统中[6]。

三峡左岸安装的14台机组初期发电时，由于机端短路电流太大以及造价、安装空间等限制因数，机端未安装继电保护装置——出口断路器，致使机组停机时，与该机组相连接的厂用母线失电，造成机组供电的厂用电系统的可靠性较差[7]。

电厂及变电所供电系统对继电保护装置基本要求是：(1)当供电系统发生故障时，只离故障点最近的电源侧保护装置动作，切除故障，而供电系统的其他部分仍然正常运行。(2)为了防止故障扩大，减轻其危害程度，并提高电力系统运行的稳定性，因此在系统发生故障时，保护装置应尽快地动作，切除故障。(3)保护装置在该动作时，不应拒动；而不该动作时，不应误动。保护装置的可靠程度，与保护装置的元件质量、接线方案以及安装、整定和运行维护等多种因素有关。

4 集成化的多功能综合继电保护装置

随着电子技术的发展，出现了集成化的多功能综合继电保护装置及操作过电压吸收装置所组成的具有各种保护功能的新型配电装置。这种新型配电装置是由高压限流式熔断器(Fuse)和真空接触器(Contactor)构成的开关回路（F-C开关回路），主要用于高压电动机和变压器的操作和保护。

高压真空接触器典型的特点是：回路简单、原理清晰，但在实际应用时以下两个问题需要优化处理：（1）没有防跳回路。防跳功能能够防止在合闸信号和分闸信号持续时，造成开关频繁自动合分的跳跃现象，跳跃时断路器的断流能力下降容易发生爆炸事故。高压真空接触器控制和保护的负载多为高压电动机，高压电动机启动电流较大(一般为额定电流的4-6倍)，控制回路没有防跳功能的接触器在设备出现障时会对电网形成很大冲击，造成系统配电设备和负载的严重受损。因此，有必要对高压真空接触器设计防跳回路。（2）不能实现分、合闸回路断线报警功能。高压真空接触器的合闸控制是通过合闸辅助继电器来实现的，该继电器的阻值比较大，因此在分闸后，一方面合闸辅助继电器的分压仍能达到动作电压而合闸，另一方面合闸监视继电器的分压达不到动作电压而显示控制回路断线。

对于电气保持型高压真空接触器，上述问题的解决方案：重新设计了合闸、分闸控制回路及检测电路，利用跳闸辅助继电器和它的辅助常开点来实现防跳功能；真空接触器与综合保护装置配合，来实现分、合闸回路断线监测功能。

目前，F-C开关使用的高压熔断器采用WFK系列的较多，该类型熔断器在短路电流下熔断时间较快，一般弧前时间不超过10ms。6kV用电系统最大运行方式下三相短路电流20.528kA，最小运行方式下两相短路电流16.6kA，F-C开关的遮断容量4000A，当负荷开关下口出现短路故障时，短路电流一般都超过 F-C开关的遮断容量，这时开关所配置的速断保护不应动作，要靠高压熔断器熔断切断故障电流。

短路时电流互感器会严重饱和，二次电流波形产生了严重畸变，变成很窄的尖脉冲，其顶值不及实际顶值的一半，造成保护装置采样值失真。目前我国6kV微机综合保护的采样频率普遍不高，而且都是利用一定长度数据窗内的若干个采样数据计算电流的大小，如果二次电流的波形变成很窄的尖脉冲，在一个数据窗内可能仅采样到很少几个点（甚至采样不到）的真实故障数据，其他各点采样值接近于零，这样计算出来的故障电流肯定偏小。

在F-C回路中，重要的问题是短路和过载保护配合交接点的断流能力。通过微机综合保护装置动作电流及时间的整定，小于交接点的电流按保护的整定值使真空接触器跳闸，大于交接点的电流则使限流熔断器断开，实现短路电流保护。

目前，我国6kV系统属不接地系统，既以不接地和中阻接地较多。不接地系统接地电流很小，电流多是容性的，接地电流不超过5A，中阻接地系统接地电流较大，一般在200-600A之间，单相接地电流不会影响到F-C开关的遮断容量，但是必须考虑两点接地的可能，出现两点接地时，接地电流是很大的，在某些情况下一点接地过渡到两点接地的情况是很快的，所以，这时应考虑两点接地的问题，零序保护时间需要加延时。

5 厂用电源快切装置

火力发电厂厂用电系统一般都具有两个电源：即厂用工作电源和备用（启动）电源。目前绝大多数大型机组火力发电厂都采用单元接线，正常运行时机组厂用电由单元机组供电，停机状态由备用电源供电，机组在启动和停机过程都必须带负荷进行厂用电切换。另外，当机组或厂用工作电源发生故障时，为了保证厂用电不中断及机组安全有序地停机，不扩大事故，必须尽快把厂用电电源从工作电源切换到备用电源。厂用电系统切换分为两类：即机组启动、停机过程的正常切换和故障情况下的事故切换。

发电厂中厂用电的安全可靠直接关系到发电机组乃至整个电力系统的安全运行。因此人们倍加重视厂用电的可靠性，这主要表现在对备用电源自动投入装置的设计上。以往厂用电切换大都采用工作电源的辅助接点直接（或经低压继电器、延时继电器）起动备用电源投入。这种方式未经同步检定，造成厂用电动机易受冲击。

为解决厂用电的安全稳定运行，生产厂家专门研制了微机型备用电源快速切换装置。采用该装置后可避免备用电源电压与母线残压在相角、频率相差过大时合闸而对电机造成冲击，如失去快速切换的机会，则装置自动转为同期判别或判残压、长延时的慢速切换状态，同时在电压跌落过程中，可按延时甩去部分非重要负荷，以利于重要辅机的自起动，提高厂用电切换的成功率。

目前市场上出现的多微机同期快切复用装置，在用电事故切换过程中不损失任何厂用负荷，并根除变压器励磁涌流的影响。多微机同期快切复用装置的特点是断路器两侧都有电源，当两侧电源是相互独立的电源时，此时的同期操作属差频同期性质，在两侧频差及压差满足整定值时，捕捉相位差为零的时机完成同期操作。