厂用电增设启动备用变压器的选型及仿真分析

肖海鹏

(中山嘉明电力有限公司，广东 中山 528437)

厂用电增设启动备用变压器的选型及仿真分析

肖海鹏

(中山嘉明电力有限公司，广东 中山 528437)

厂用电系统的稳定可靠是发电厂安全稳定运行的基础。通过对某电厂升压站及厂用电接线方式的分析，结合实际情况，针对厂用电系统所存在的问题和隐患，提出了增设启动备用变压器的改造方案，以解决厂用电供电系统存在的缺陷，保证厂用电系统供电的可靠性。

厂用电；主变压器；启动备用变压器；改造

0 引言

某电厂2期项目装备2台390 MW燃气-蒸汽联合循环发电机组，发电机出口电压为19 kV，经发电机出口断路器GCB与主变压器相连接，以单元制形式接入220 kV系统。2期项目设独立的220 kV升压站，采用双母线接线方式。厂用电正常运行状态下由主变压器-高压厂用变压器倒送，并与邻机互做备用。

1 方案的提出

厂用电系统采用6 kV和400 V 2级电压。每台机组设置1台高压厂用变压器，其高压侧由主变压器低压侧引接。机组正常启停时，通过主变压器-高压厂用变压器倒送厂用电源。高压厂用变压器低压侧分为2个分支，分别作为本机6 kV段工作电源及邻机的备用电源，2路6 kV电源之间由快切装置实现备用。当1台主变压器或高压厂用变压器故障，或主变压器及高压厂用变压器需停运检修时，2台机组厂用电将只有1路电源供电，机组处于无备用电源状态。此时如果工作电源出现故障，将直接导致全厂停电事故发生。

针对此种情况，现提出加装1台启动备用变压器作为厂用电备用电源，以解决邻机主变压器或高压厂用变压器检修造成运行机组厂用电单电源问题，提高机组厂用电供电的可靠性。

2 变压器的选型

改造前，电厂6 kV厂用电2路电源均引自220 kV升压站，每一路都经由1台主变压器及1台高压厂用变压器接至6 kV母线。现有主变压器为强迫油循环风冷双绕组变压器，型号为SFP10-480 000/220，额定容量Sn=480 000 kVA，额定电压Un=229.9 kV，联接组别YNd11，负载损耗Pk=869 kW，空载损耗P0=153.6 kW，阻抗电压Uk=14.14 %，空载电流Ik=0.06 %。现有高压厂用变压器为油浸自冷双绕组变压器，型号为SZ10-25 000/19，额定容量Sn=25 000 kVA，额定电压Un=19/6.3 kV，联接组别Dd0，负载损耗Pk=90.9 kW，空载损耗P0=14.7 kW，阻抗电压Uk=8.03 %，空载电流Ik=0.07 %。

现计划加装启动备用变压器，改造后的工作电源与备用电源来自同一升压站系统(当母联断路器合闸运行时)，考虑到6 kV自投切换方式的串联切换问题：串联切换断路器先分后合，使6 kV母线失电，可能使一些辅机跳闸，不能保证负荷的安全；若串联切换时工作电源断开后，备用断路器拒动，将造成6 kV母线失电事故。因此，在有条件的情况下，应尽量在正常手动切换厂用电过程中，使用并联切换方式。厂用电并联切换过程，相当于电磁环网的短时合环。合环时，2路电源之间存在相位差，导致合环点产生功率潮流。功率潮流过大，会损伤变压器，也可导致保护动作。由于线路的电阻及阻抗相对较小，现设电阻为0，即线路只有电抗，则合环时功率潮流为：

其中：U1为工作电压；U2为备用电压；δ为U1与U2之间的相角差；X为整个环网的阻抗和；P为有功潮流；Q为无功潮流。

从式(1)可知，为减小工作电源电压与备用电源电压之间的相位差，应尽可能减小合环过程中的有功潮流。根据电厂情况，当升压站母联断路器合闸时，启动备用变压器与主变压器的电源一致。主变压器联接组别为YNd11，二次侧线电压在相位上超前一次侧线电压30°；高压厂用变压器联接组别为Dd0，二次侧线电压与一次侧线电压同相位，则工作电源6 kV侧线电压在相位上超前220 kV侧线电压30°。因此，在进行启动备用变压器选型时，应选择二次侧线电压在相位上超前一次侧线电压30°，选定其联接组别为YNd11。

升压站母联断路器分闸，双母线分裂运行，当2段母线供电分别引自不同升压站时，由于6 kV工作电源及备用电源来自不同系统，工作电源电压与备用电源电压相位差大，若采取并联切换将产生较大的有功潮流。因此，在此种运行方式下时，6 kV厂用电的切换方式应定为串联切换。

从式(2)可知，无功潮流的大小取决于工作电源与备用电源的电压差，减小工作电源与备用电源的电压差，可使合环点的无功潮流尽可能小。因此，可选用加装的启动备用变压器为有载调压，在切换前先对备用电源电压进行调整，以减小电压差。

主变压器为无载调压方式，正常运行时其分接头位置不变；主变压器分接头在5档位置时，主变压器变比为：

高压厂用变压器为有载调压方式，正常运行时分接头位置在9b档，即高压厂用变压器变比为：

因此，在正常情况下，启动备用变压器应运行的分接头位置变比为：

当选定启动备用变压器时，其额定电压为230 ±8×1.25 %/6.3 kV，运行档位应该在9b档。档位选定后，当升压站母线电压为230 kV时，其6 kV侧电压差为：

式中：｜U1｜为高压厂用变压器低压侧电压，U2为启动备用变压器低压侧电压。

启动备用变压器容量可选择与高压厂用变压器容量一致，即25 MVA，备用电源可达到100 %容量备用。启动备用变压器选用油浸风冷三相双绕组有载调压变压器，型号为SFZ-25 000/220，额定容量Sn=25 000 kVA，额定电压为230±8×1.25 %/ 6.3 kV，联接组别YNd11，负载损耗Pk=101.31 kW，空载损耗P0=24.96 kW，阻抗电压Uk=10.07 %，空载电流Ik=0.426 %。

3 仿真分析

3.1 仿真模型的建立

根据设计方案，利用Matlab软件建立仿真模型，如图1所示。其中：3B为主变压器，03T为高压厂用变压器，05T为计划增设的启动备用变压器，2203断路器为3B主变压器高压侧断路器，2205断路器为05T启动备用变压器高压侧断路器，6303断路器为03T低压侧6 kV母线工作进线断路器，6503断路器为05T低压侧6 kV母线备用进线断路器，Load Breaker为6 kV段负荷断路器。

3.2 仿真分析

将变压器参数输入仿真模型中，为方便观察各相关电气量的变化，设计了以下仿真方案(设定6 kV段负荷大小为1 MW)。

3.2.1 方案1

(1) 所有断路器(Breaker)初始状态均设定为断开状态。

(2) 3B主变压器高压侧断路器2203、05T启动备用变压器高压侧断路器2205、6 kV段负荷断路器Load Breaker在系统运行后0.1 s合闸，6 kV工作电源及备用电源三相电压的大小和相位均相同。

(3) 系统运行0.2 s后，03T低压侧6 kV母线工作进线断路器6303合闸，此时6 kV系统为正常运行状态，即6 kV母线由高压厂用变压器供电，启动备用变压器备用。高压厂用变压器带负荷后，电流波形良好，其相电流幅值为128 A。

图1 Matlab仿真模型

(4) 系统运行0.5 s后，05T低压侧6 kV母线备用进线断路器6503合闸；系统运行0.8 s后，03T低压侧6 kV母线工作进线断路器6303分闸。此0.5～0.8 s的仿真过程即为模拟6 kV电源并联切换的过程。

观察6 kV电源并联切换的模拟结果，05T低压侧6 kV母线备用进线断路器6503合闸后，负荷从高压厂用变压器向启动备用变压器转移，至0.15 s后基本稳定。此时高压厂用变压器低压侧相电流幅值为69 A，启动备用变压器低压侧相电流幅值为62 A，2台变压器负荷分配为高压厂用变压器占约53 %，启动备用变压器占约47 %，负荷分配基本均衡，未出现大的环流。系统运行0.8 s后，并联切换完成，负荷转由启动备用变压器供电，整个切换过程电流波形未出现畸变。

3.2.2 方案2

(1) 所有断路器(Breaker)初始状态均设定为断开状态。

(2) 3B主变压器高压侧断路器2203、05T启动备用变压器高压侧断路器2205在系统运行后0.1 s合闸。

(3) 系统运行0.2 s后，03T低压侧6 kV母线工作进线断路器6303合闸；系统运行0.3 s后，05T低压侧6 kV母线备用进线断路器6503合闸，6 kV母线未带负荷。在0.2～0.3 s期间，工作电源断路器6303合闸而备用电源断路器6503分闸时，高压厂用变压器及启动备用变压器低压侧电流为0；在0.3～0.4 s期间，工作电源断路器6303和备用电源断路器6503均合闸时，此时高压厂用变压器低压侧电流与启动备用变压器低压侧电流大小相等，方向相反，存在环流。环流大小约为10 A，相对较小。

(4) 系统运行0.4 s后，6 kV段Load Breaker合闸，6 kV段带负荷，原来的环流在合闸瞬间电流方向一致，2台变压器共同分担6 kV段所带负荷。03T高压厂用变压器低压侧电流约70 A，05T启动备用变压器低压侧电流约60 A，即高压厂用变压器03T所带负荷约占54 %，启动备用变05T所带负荷约占46 %，负荷分配基本均衡。

(5) 系统运行0.8 s，05T低压侧6 kV母线工作进线断路器6503分闸，系统运行0.8 s后，启动备用变压器05T退出运行，原启动备用变压器05T所带负荷转由高压厂用变压器03T供电，电流波形未出现畸变。

分析可知，通过选用适当型号的启动备用变压器，当启动备用变压器与主变压器电源来自同一系统时，可实现6 kV电源的并联切换，不会在系统中形成大的环流；当启动备用变压器与主变压器电源来自不同系统时(母联断路器2056分闸运行且启动备用变压器与主变压器电源取自不同母线)，只能进行6 kV电源的串联切换。

4 总结

当1台主变压器或高压厂用变压器故障需停运，2台机组的厂用电将只有1路电源供电，存在无备用电源状态的厂用电安全隐患。现提出了加装1台启动备用变压器作为厂用电备用电源，以解决邻机主变压器或高压厂用变压器检修时造成的运行机组厂用电单电源问题。

通过对变压器合环条件分析，确定启动备用变压器的技术参数，并通过建立仿真变压器模型，对启动备用变压器投运进行仿真曲线分析。仿真结果表明：加装1台启动备用变压器的方案是可行的。

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2 史兴华．北仑港电厂高压厂变、启动备用变压器间的角度差计算[J]．浙江电力，1995(5).

3 张德本，陈 慧，罗树权．2台变压器并列环流计算[J].电工技术，2002(4).

4 王 智，李德臣，王雨扬，等．变压器选型的分析及仿真[J]．红河学院学报，2007(2).

5 郭 刚．一起厂用电切换不成功导致的跳机事故分析[J].电力安全技术，2011(2)．

2014-11-30。

肖海鹏(1985-)，男，工程师，主要从事燃气轮机发电厂运行工作，email：13590768562@163.com。