大容量跨区送电火电机组厂用电源切换方案

2016-07-01朱皓

综合智慧能源 2016年4期

关键词：电网

朱皓

(陕西能源赵石畔煤电有限公司，陕西榆林　719000)

大容量跨区送电火电机组厂用电源切换方案

朱皓

(陕西能源赵石畔煤电有限公司，陕西榆林719000)

摘要：我国现有六大区域电网交流未联网，各电网分别以各自的频率运行。火电厂若跨区域送电，会存在厂用工作电源和备用电源不同网无法并联切换的问题。分析了厂用电源切换困难的原因，提出了电厂设计时将启动备用变压器电源从升压站母线引接或发电机出口设置断路器等措施。对已建成电厂，两个厂用电源来自两个区域电网时，可将厂用工作、备用电源开关接入同期装置，启、停机时发电机带厂用电运行作为中间环节，完成厂用电源的并列切换。

关键词：电网；差频电源；厂用电切换；启备变电源；发电机出口断路器

0引言

近期，国家规划了12条跨区域输电通道，将内蒙古、山西、陕西和云南等地的电力资源向京津冀、长三角和珠三角地区输送，用以解决这些区域日益严重的雾霾和电力短缺问题，并将逐步建设一批超超临界百万千瓦级火电机组。电能跨区域电网输送，会出现机组厂用工作电源和备用电源不同网的问题，给厂用电源的并联切换带来困难。

1厂用工作电源和备用电源不能并列切换的原因

单机容量300 MW以上的大型火电机组，往往采用发电机-主变压器-厂用变压器(以下简称发变组)单元制接线，发电机出口不设断路器，厂用启动备用变压器(以下简称启备变)电源从本地电网引接。如图1所示，两台机组厂用6 kV或10 kV的4段母线，工作电源由厂用变压器供电，备用电源由启备变供电。若启备变电源引接的本地电网和发变组的接入电网处于同一区域电网，则厂用工作电源和备用电源频率相同，厂用变压器和启备变降压后电压幅值基本一致，厂用工作电源和备用电源的相角差基本为固定值，大小取决于两电源到电网的电气距离差值，一般不会超过10°，满足技术规程规定的相角差小于30°的并列条件[1]。在机组启、停时，厂用工作电源和备用电源可以并列切换，厂用负荷供电不中断。

图1　发变组一次系统

由于我国煤炭储藏分布不均和经济发展的不平衡，“西电东送”工程中单机容量达1 000 MW的新建电厂不断增多，启备变电源引接自电网，发变组接入电网，厂用工作电源和备用电源分别来至两个区域电网的情况经常出现，两电网运行频率不同(为差频电源)，相角差随时间不断变化，变化速率与两电网的频率差有关。厂用工作电源和备用电源的相量图如图2所示，厂用工作电源相量Ug和备用电源相量Ub以不同的速度绕O点旋转，相角差φ不断变化，两电源的相量差ΔU=2Ugsin(φ/2)[2]也随之变化，不满足并列条件，两电源系统无法并列切换，只能采用“先断后合”的切换方式，而火电机组厂用6 kV(或10 kV)母线失压，机组是无法承受的。

即使厂用高压母线配置快切装置，但由于两电源系统严禁并列，无论由工作电源切至备用电源，还是由备用电源切至工作电源，快切装置手动切换方式都不能投并联方式，只能投串联方式。以工作电源切至备用电源为例：装置先断开工作电源开关，检测母线残压和备用电源的频差、相差，若满足条件完成快速切换，在断开开关100 ms左右，母线电压下降至90%～95%额定电压时合上备用电源开关，对母线上的负荷供电基本无影响；若不满足快速切换条件，装置转入同期捕捉切换逻辑，在断开开关500 ms左右，母线电压降至65%～70%额定电压时合上备用电源开关，对母线上的负荷供电有一定影响；若装置同期捕捉不成功，转入残压切换，在断开开关1 500 ms左右，母线电压降至20%～40%额定电压时合上备用电源开关，对母线上的负荷供电有较大影响；若残压切换不成功，装置转入长延时切换，在断开开关4 000 ms左右，母线电压降至0 V时合上备用电源开关，对母线上的负荷供电影响非常大。快切装置究竟以何种方式完成快速切换、同期捕捉切换、残压切换或长延时切换不可控，与母线电源开关断开前两电源间的相角差和频率差有关，差值越小完成快速切换的可能性越大。两个差频电源装置多数完成同期捕捉切换，很少完成快速切换，也有进行残压切换的。

图2　差频电源相量图

可见，百万千瓦火电机组在跨区域电网送电时，由于启备变电源的引接电网和机组的送出电网属于两个区域电网，给机组启、停时厂用电的切换带来困难。使用快切装置时，串联切换过程不可控，风险较大。

2厂用电源切换方案

单机容量百万千瓦的火电机组，升压站电压等级一般为交流500，750，1 000 kV，下面分3种情况探讨厂用电的切换方案。

2.1外送线路电压等级为500 kV的电厂

对于外送线路为500 kV、单机容量百万千瓦的新建电厂，由于500 kV等级的配电设备或SF6封闭式组合电器(GIS)配电装置价位相对较低，启备变电源可以从500 kV升压站母线引接，这样厂用备用电源和工作电源均来自同一个区域电网，两电源频率一致，相角差一般不超过15°，厂用电源由备用切至工作，或由工作切至备用，均可进行并列切换，不影响厂用负荷的供电。如陕西国华锦界能源有限责任公司4台600 MW机组地处西北，向华北电网送电，启备变电源从升压站500 kV母线引接，避免了厂用电源在两个区域电网切换的问题。

2.2外送线路电压等级为750 kV或1 000 kV的电厂

对于外送线路为750 kV或1 000 kV、单机容量百万千瓦的新建电厂，由于750 kV或1 000 kV等级的GIS配电装置价位很高，1 000 kV的变压器和高压套管造价都很高，启备变电源不可能从升压站母线上引接，只能从当地区域电网就近引接，而厂用工作电源属于外送的区域电网，给厂用电源的切换带来了困难。按照DL/T 5153—2014《火力发电厂厂用电设计技术规程》[3]的规定，在厂用电源切换困难时可在发电机出口设置断路器，且近几年发电机出口断路器价格下降较快，在百万千瓦级机组应用越来越广泛。发电机出口设置断路器后，机组在运行和停机状态下，厂用电源由外送线路经主变压器和高压厂用变压器(以下简称高厂变)降压后给厂用母线供电，仅需从本地电网引一路电源，保证外送线路、主变压器或高厂变故障时机组的安全停机用电即可。本方案每台机组需增加一台发电机出口断路器，高厂变需增加有载调压装置，费用有所增加，但启备变所需容量降低，费用有所减少，一台百万千瓦级机组需增加投资约1 000万元，但机组启、停时厂用电源不需要切换，系统简洁、操作简单，减少了厂用系统的非同期并列点，提高了系统运行的安全性。如湖南华润电力鲤鱼江有限公司二期工程2台600 MW机组向南方电网送电，从华中电网引接停机电源，设置了发电机出口断路器。

2.3厂用两电源处于两个区域电网

对于已建成电厂，厂用备用电源和工作电源来自两个区域电网，发电机出口也未设置断路器时，可采用机组启、停时发电机带厂用电运行作为中间环节进行厂用电源的切换。如图3所示，以#1机组启动为例：厂用电由本地电网经启备变通过01A，01B开关供电，#1机组冲转定速发电机加励磁升压至额定电压，1ZK开关在断开状态，投入同期装置；#1发电机调速、调压相角差为0时，#1发电机和本地电网并列，合上1A开关，断开01A开关，再次投入同期装置；#1发电机调速、调压相角差为0时，#1发电机和本地电网并列，合上1B开关，断开01B开关，#1发电机经#1厂用变带厂用电负荷孤网运行，投入同期装置；#1发电机调速、调压相角差为0时，#1发电机和接入电网并列，合上1ZK开关。#1机组停机时，机组减负荷至和厂用负荷相当时，退出1ZK分闸关主汽门保护，拉开1ZK开关，#1发电机和接入电网断开，#1发电机经#1厂用变压器带厂用电负荷孤网运行，投入同期装置；#1发电机调速、调压相角差为0时，#1发电机和本地电网并列，合上01A开关，断开1A开关，再次投入同期装置；#1发电机调速、调压相角差为0时，#1发电机和本地电网并列，合上01B开关，断开1B开关，#1机组厂用负荷切至本地电网经启备变供电，#1发电机空载运行，断开#1发电机灭磁开关，#1汽轮机打闸停机。此方案需将厂用电工作电源和备用电源开关作为同期并列点接入同期回路，发电机需带厂用电负荷孤网运行，对汽轮机调速系统要求较高，低负荷孤网运行下对汽轮机、锅炉热力系统的要求很高。如山西省阳城电厂[4]，启备变电源从华北电网引接，外送线路至华东电网，采用了上述方法进行厂用电源在两个区域电网间的切换。湖南华润电力鲤鱼江有限公司一期工程2台300 MW机组，启备变电源从华中电网引接，外送线路至南方电网，也采用了上述方法进行厂用电源在两个区域电网间的切换。