浅析电厂1000MW机组厂用电压等级的选择优化

2015-04-26李建强

电气技术 2015年12期

李建强

（大唐三门峡电力有限责任公司，河南三门峡 472143）

随着我国经济的发展，用电需求量越来越大，煤耗小、厂用电率低、每千瓦投资较省的大容量（1000MW）燃煤机组将逐步越来越多的投入电力市场。这些大容量的发电机组今后将成为电力系统的主力机组。然而，随着机组容量的加大，厂用电系统的规模及辅机容量也有较大幅度的提高，随之带来厂用电用电负荷的增大和高压厂用变压器及起动备用变压器容量的增大。单台变压器的容量增大，变压器低压侧短路电流随之增大。为了满足电动机起动、自起动及电压水平的要求并将高厂变低压侧短路电流限制到合理水平，仅靠改变高压厂用变压器阻抗已不能满足要求，高压厂用变压器低压侧还应考虑采用10kV、6kV等不同电压等级。

发电厂厂用电系统是电厂的重要组成部分，合理的厂用电接线对于保证机组的安全连续运行，降低厂用电率，方便操作和维护，节省投资有着重要的意义。高压厂用电电压的选取与，与高压厂用电接线方式、厂用电负荷容量、最大单台电动机功率、设备制造能力、短路电流大小、电动机起动母线电压水平等诸多因素有关。本文根据公司1000MW机组工程的特点，对不同电压等级和接线的厂用电方案进行技术经济比较，从整体进行优化设计，来选择确定最优厂用电接线方案。

1 厂用系统设计方案

根据发电厂高压厂用电系统设计经验，在满足电动机起动及自起动电压水平校验，将厂用母线短路水平限制到一定水平的情况下，应选择较简单的厂用电系统接线和合理的厂用电电压，以满足较好的技术和经济要求。

1.1 厂用系统设计方案1

厂用电系统设置 10kV一级电压，每台机设两段10kV母线；每台机设一台高压厂用分裂变压器，两台机组设一台有载调压分裂变压器作为起动/备用电源。图1为10kV厂用电系统接线图。

图1 10kV厂用电系统接线图

根据1000MW机组负荷要求，采用10kV一级电压。每台机组设置一台68/38-38MVA的无励磁调压分裂高压厂用工作变压器，电源由发电机出口引接。每台机组设两段 10kV工作母线，向本单元机组厂用负荷供电（包括脱硫装置用电负荷），不设置高压公用段，全厂公用负荷分接于#5机和#6机10kV厂用工作母线段上。两台机组设一台68/38-38MVA的有载调压高压起动/备用变压器，电源由本厂500kV母线引接。

1.2 厂用系统设计方案2

厂用电系统设置6kV一级电压，每台机设三段6kV母线；每台机设一台高压厂用工作分裂变压器及一台高压厂用公用双卷变压器，两台机组设一台分裂变压器及一台双卷变压器作为起动/备用电源。图2为10kV厂用电系统接线图。

根据1000MW机组负荷要求，采用6kV一级电压。每台机组设置一台50/29-29MVA的无励磁调压分裂高压厂用工作变压器及一台 20MVA的无励磁调压双卷高压厂用公用变压器，电源由发电机出口引接。每台机组设2段6kV工作母线及1段主厂房6kV公用母线，本单元机组厂用负荷接于对应机组6kV厂用工作母线段上，全厂公用负荷及脱硫负荷分接于每台机组6kV厂用公用母线段上。两台机组设两台同高压厂用变压器同容量的起动/备用电源变压器，电源由本厂500kV母线引接。

图2 10kV厂用电系统接线图

1.3 厂用系统设计方案3

厂用电系统设置6kV一级电压，每台机设两段6kV母线；每台机设一台高压厂用分裂变压器，两台机组设一台有载调压分裂变压器作为起动/备用电源。高厂变、起备变容量及厂用母线段的设置同方案一。

1.4 各方案短路电流、电压调整、电动机起动压降及设备选择

满足母线的电压波动及电动机起动时母线的电压水平，限制厂用母线的短路水平，这是两个相互制约的因素。变压器阻抗越小对电动机起动越有利，但变压器阻抗越小，厂用母线的短路电流越大，过大的短路电流，将使厂用电投资有很大的增加，甚至选择设备困难。选择一个合适的变压器阻抗，使其既满足电压波动和电动机起动的要求又能很好的限制短路电流，是高压厂用电系统设计很重要的因素。经过对三种方案进行短路电流计算、电压调整、电动机起动压降等计算，结果表明：上述方案一、二厂用母线的短路水平能控制在可选范围内，电压波动水平和电动机起动压降均能满足《火力发电厂厂用电技术规定》的要求。两方案都是可行的。而方案三，0s三相短路电流值超出50kA，目前要选择开断电流为＞50kA的设备比较困难，同时相应的热稳定截面电缆太大。因此，方案三的技术经济性较差，淘汰方案三。以下仅对方案一及方案二进行详细的技术和经济比较。

2 厂用系统设计方案技术方面对比

2.1 主要电气设备的选择及生产情况

1）厂用变压器

从厂用变压器设备供货上看，低压侧为10.5kV-10.5kV的分裂变压器及低压侧为6.3kV-6.3kV的分裂变压器属于常规产品。容量为68/38-38MVA的大容量分裂变压器制造上不存在问题，且有很多的制造和供货业绩。

2）断路器及F－C回路开关柜

目前我国的生产厂家10kV、6kV开关柜均可生产，但高压真空断路器实际上采用的都是 12kV等级的断路器，因此相同开断能力在价格上10kV、6kV开关柜并无区别。高压开关柜的 10kV F-C回路比6kV F-C回路的价格略高一点。开断电流为40kA的高压真空断路器及F-C回路国内厂家即可生产，而且技术成熟。50kA的高压真空断路器及F-C回路需采用进口或合资技术产品。

3）电动机

根据调研，6kV电动机在电厂及一般企业使用较为广泛，目前均为批量生产产品。10kV电动机由于电压高，绝缘加厚，铁心加长，使定子槽利用率低，容量越小，匝数越多，定子利用率越低，对小容量的电动机制造来说不太经济。从目前对工程使用情况及生产厂家来看，容量为200kW以上的10kV电动机用于发电厂从技术上、生产制造上及产品供货上均无问题。

4）高压电缆

对于高压电动机的电缆选择，1000kW 以上断路器供电回路的电动机电缆选择应不小于热稳定截面并应满足额定电流；1000kW及以下F+C供电回路的电动机电缆将按《高压熔断器加真空接触器回路设计技术规定》选择。上厂用电方案一 10kV方案，其厂用10kV母线短路电流为40kA，10kV电缆的最小热稳定截面为95mm2；方案二6kV方案，其工作母线段厂用 6kV短路电流为 50kA，高压电缆的最小热稳定截面均为120mm2。因此，10kV方案的电缆截面小于6kV方案。

5）其他设备

10kV等级和 6kV等级的低压干式变压器，其绝缘等级均为 10kV级的。两种电压等级的低压干式变压器制造厂均能生产，从目前供货情况看，价格基本相同。10kV和 6kV等级的动力电缆在制造上绝缘稍有差别，价格上属同一级别，相同截面价格差别不大。

综上所述：10kV电气设备与 6kV电气设备在技术方面不存在问题，均已是成熟产品。

2.2 厂用配电装置布置比较

方案一：10kV二段，主厂房10kV配电装置每机占1跨，占地少，容易布置，共箱母线少，布置清晰。

方案二：6kV三段，主厂房6kV配电装置每机占1跨，6kV公用段占1跨，占地较多，不易布置，共箱母线较多，交叉较多，布置较繁杂。详见表1。

表1 厂用电系统技术对比表

从表1比较可知采用方案一时，接线简单，可靠性高，高厂变数量少，共箱母线少。主厂房配电装置布置简洁清晰；设备品种少及共箱母线少，备品备件品种少，维护检修、运行管理工作量小。

采用方案二时，接线相对复杂，变压器数量多，高压母线段数多。共箱母线段数多，主厂房配电装置布置占地较多，布置紧张。

上述2个方案技术上都是可行的，但有所差异，方案一接线简单，方便运行，共箱母线及配电装置布置清晰简洁。在技术上有较大的优势。

3 厂用系统设计方案经济方面对比

厂用电电压和接线方案的选择是否合理，不仅要从技术方面考虑方案的接线简单、供电可靠和运行灵活、方便，在方案的经济性上，应综合考虑厂用电系统方案的综合投资和运行费用。

主要设备及材料费用对比如下。

1）厂用变压器价格比较

据变压器制造厂家最新介绍，变压器的价格和容量成正比，方案一为：10kV一台分裂，方案二为6kV一台分裂变＋一台双卷变，很明显，方案二价格远远高于方案一，据大概计算，2台机总计方案一较方案二节省900多万元。

2）10kV和6kV断路器及柜体价格比较

对于真空断路器开关柜，国内（包括合资厂）生产的6kV真空断路器开关柜与10kV真空断路器开关柜一般为同一产品，均为 10kV产品，最大额定电流4000A、额定短路开断电流（有效值）50kA、额定峰值耐受电流 125kA。方案二较方案一开关柜数量较多，据不完全统计：2台机总计方案一节省投资约300多万元。

3）10kV和6kV电动机价格比较

据制造厂最新介绍，10kV大容量电机比 6kV电动机大约贵 10%；10kV中小型容量电机比 6kV电动机大约贵20%。根据1000MW机组厂用系统标配电动机大概计算：2台机总计10kV电动机比6kV电动机多支出400多万元。

4）10kV和6kV封闭、共箱母线价格比较

对于变压器封闭、共箱母线，6kV母线要求的载流量大于10kV，所以6kV封闭母线的价格略高，同时 6kV母线需要的数量较多，2台机总计 10kV较6kV封闭母线节省投资200余万元。

5）10kV和6kV高压电缆价格比较

由上可知：10kV电缆的最小热稳定截面为95mm2；6kV最小热稳定截面均为120mm2，很明显采用6kV电压等级，回路工作电流大，导致电缆根数增加和截面增大，造价也高，据估算，2台机总计10kV较6kV高压电缆节省投资80多万元。

综上所述：厂用电系统选用 10kV电压等级较6kV电压等级节省投资约1100万元。

4 10kV与6kV电压等级运行能耗对比

提高工业生产效率、降低单位产值能量消耗。电厂不仅是电能的生产者，同时也消耗大量电能。厂用电电压等级是否合理，将直接影响发电厂的电能能耗。所以，对各种电压等级的厂用电系统的能耗进行分析研究是十分必要的。以下将对6kV、10kV高压电动机的效率及对应电缆的损耗、高压厂用变压器的空载及负载损耗进行分析研究。

4.1 电动机的效率比较

在电力系统中，通常低容量的电动机采用较低的电压等级可以获得较高的运行效率；高容量的电动机采用较高的电压等级也可以获得较高的运行效率。根据从电机制造厂获得的数据来看，大多数的较小容量的高压电动机，6kV的效率略高于 10kV的，随着电动机容量的加大，两者效率差别越小，当高压电动机的容量在3000kW左右时，6kV电动机与 10kV电动机的效率基本相同，容量再大时，10kV电压的效率反略高于 6kV电压的。参考多个电机制造厂提供的数据，6kV电动机与 10kV电动机的效率差约为 0.5%～-0.1%。而且，小容量电动机如输煤皮带等运行时间较短，大容量电动机如循环水泵、一次引风机等运行时间较长，因此，采用10kV电动机的利用效率较高。

4.2 高压电缆的损耗比较

对于高压电动机的电缆选择，10kV电缆的最小热稳定截面为95mm2；6kV高压电缆的最小热稳定截面均为120mm2。电缆的损耗为P=I2R，即电缆的损耗与电流的平方成正比，与电阻一次方成正比。6kV热稳定电缆截面大于 10kV热稳定电缆截面，即6kV热稳定电缆截面电阻小于10kV热稳定电缆截面电阻，但10kV电动机电流小于6kV电动机电流，而损耗同电流的平方成正比，因此 10kV电动机的电缆损耗小于 6kV电动机的。经计算，10kV电压等级电动机电缆总损耗（2台机）小于6kV电压等级约14kW。

4.3 高压厂用变压器的损耗

上述2个厂用电方案中，方案一，10kV二段，所配高压厂用变压器为 2台 68/38-38MVA的分裂变，其空载损耗为 40kW，负载损耗为 254kW；方案二，6kV三段，所配高压厂用变压器为 1台50/29-29MVA的分裂变+1台20MVA的双卷变，其空载损耗为 40kW+20kW，负载损耗为 205kW+93kW。由于当厂用变压器检修或退出时，高压备用变压器将代替，因此，高压厂用变压器的空载及负载损耗将是始终存在的。负载损耗按负载率为70%来计算，两方案高压厂用变压器的总损耗差见表2。两台机方案一小于方案二约66kW。

表2 高压厂用变压器运行损耗对比表

综上所述，经对1000MW机组的6kV或10kV高压电动机的效率及对应电缆的损耗、高压厂用变压器的空载及负载损耗进行定量分析研究，厂用电系统运行总损耗，方案一 10kV二段方案比方案二6kV三段略低，约40kW。两厂用电方案的运行损耗相差不大。

5 结论

从以上对厂用系统10kV与6kV两种方案进行技术经济比较得出：方案一（10kV）在技术与经济上均有明显优势，推荐采用方案一：10kV一级电压，每台机组设一台高压厂用分裂变,二段10kV母线方案。方案1高厂变数量少，接线简单、供电可靠性高，有利安全运行。从经济上看，整个高压厂用系统的开断电流为40kA，可选用较小开断容量的开关柜设备，设备选择范围大；高压厂用变压器数量少，布置清晰，投资较少；由于该方案厂用母线电压高，回路电流较小，使得电缆截面总体减小，电缆总量较少。虽然电动机的投资有所增加，但总的造价较低。此外，从运行管理上看，该方案配电装置占地少，维护检修、运行管理工作量小。