大型火电厂厂用电系统若干问题的探讨

夏金林

(安徽安庆皖江发电有限公司，安徽 安庆 246008)

大型火电厂厂用电系统若干问题的探讨

夏金林

(安徽安庆皖江发电有限公司，安徽 安庆 246008)

结合某些大型火力发电厂的厂用电系统中出现的问题，对厂用电系统中一些问题进行了分析。探讨厂用电系统中辅机工作电源分布对机组运行的影响，提出了厂用电系统保护配置、设备选型、辅机控制电源等方面应注意的问题。

电源分布；零序保护；F-C回路；整定计算；设备选型

现代大型火力发电厂的单机容量大，辅机数量多，辅机的安全运行直接影响到机组的安全运行。作为辅机供电电源的厂用电系统承担着重要的责任，厂用电系统设计、厂用电系统继电保护的整定、设备选型、辅机控制等对机组的安全稳定运行至关重要。

1 辅机电源及控制

1.1 辅机电源分布

2005年某厂300 MW机组曾发生过某6 kV公用段三相短路，造成机组跳闸的事件。三相短路的6 kV公用段由运行机组的某6 kV工作段供电。短路发生后，两母线段联络开关的过流保护正确动作切除故障母线后机组仍然跳闸。

2010年某厂600 MW机组发生高压工作母线上的一台循环水泵电机三相短路，循环水泵电机继电保护正确动作切除故障，但机组仍然跳闸。

两起停机事件最终检查发现与辅机电源的分布不合理密切相关，第一起母线短路时，由该工作母线通过低压工作变压器供电的低压母线失电，造成由该母线供电的给煤机失电，由于有工艺联锁要求的磨煤机和给煤机的工作电源没有对应，最终造成锅炉全燃料中断机组非停。

第二起循环水泵三相短路造成母线及由该高压母线供电的低压母线电压瞬间下降，由于空预器主电机电源分布不合理，造成两台空气预热器主电机电源的接触器失电释放，由于空预器辅助电机自投时间与空气预热器全停锅炉熄火设置时间不匹配造成空预器辅助电机没来得及自投锅炉已熄火。

现代大型火力发电厂每台机组的厂用电系统一般根据机组容量不同均设有两个或两个以上的电压等级，如6、0.4 kV或10、3、0.4 kV。一般每台机组的高压工作厂用母线应不少于两段，相同功能的辅机有两台及以上时应分接在两段母线上；每台机组的低压厂用母线应不少于两段，也将双套的辅机分接在两段母线上，高压公用辅机分接在高压公用母线段上。

DL/T 5153—2002《火力发电厂厂用电设计技术规定》规定：工艺上有联锁要求的I类高低压电机应接于同一电源通道上。如直吹式锅炉的给煤机与磨煤机应一一对应，工作时需要辅助电源的辅机，其辅助电源也应与主电源从同一电源通道上取得，如引风机、送风机电机电源和其油泵电机电源；空压机主电源与其工作时需要的辅助电源。发生以上停机事件的两厂，厂用电设计时均没有严格执行此规定。

第一起事件发生的发电厂随后对辅机电源重新梳理并进行了改造， 2007年发生6 kV联络开关综合保护误动，造成一条6 kV公用母线失电长达30 min。由于辅机电源配置合理，仅影响到一些参数的显示，未对机组的连续运行造成影响。

1.2 低压辅机二次回路控制电源

火电厂中许多低压辅机使用交流电源控制，操作电器为交流接触器的供电回路，当母线上某负载回路发生短路或为该母线供电的变压器高压侧系统中发生短路时，该母线电压下降。一般负载的速断保护动作加上开关跳闸时间约100ms，交流低压辅机的交流控制电源电压下降将会造成接触器释放，影响到机组的安全运行，如前文中某厂的循环水泵电机三相短路故障。

有些电厂为防止某些重要低压辅机在母线电压下降时跳闸，使用交流不停电电源(UPS)作为一些低压辅机控制电源，如锅炉空气预热器主、辅电机，真空泵，EH油泵、润滑油泵，定子冷却水泵等。以锅炉空气预热器主电机为例，使用UPS电源作为控制电源后，母线失压时接触器不会释放，分散控制系统(DCS)将会判断锅炉空气预热器主电机在运行状态，辅助电机将无法投入，此种情况下必须装设母线低电压保护。一些以流量或压力为控制对象的备用辅机将会自投，如EH油泵，此类重要辅机为了安全，一般既设有以控制对象为条件的联锁，也设有以运行状态为条件的联锁，此种情况下通过判断运行状态的联锁将无法发挥作用。因此可以认为：使用UPS作为控制电源解决因其他设备故障造成接触器释放的问题，但当本母线故障或为母线供电的回路出现故障切除后，将降低辅机自投的可靠性。低压辅机使用本母线的电源作为交流电源控制还是选择UPS作为控制电源应综合考虑各自单位设备运行可靠性后确定。

2 厂用电系统继电保护

2.1 接地保护电流互感器与电缆的配合

高压厂用电系统的接地保护一般使用独立的电流互感器，动力电缆穿过该电流互感器，动力电缆的终端头位于电流互感器的上部，如图1所示。此种情况下电缆接地线必须从电流互感器回穿，消除电缆金属屏蔽层的电流。在现场安装使用中，由于电缆终端头、开关柜安装空间等问题，一些电流互感器安装在电缆头的上部，动力电缆终端头位于电流互感器的下部，如图2所示。现场安装时往往因为安装人员的疏忽、安装习惯、对接地线穿越的理解等原因，也将接地线穿越电流互感器，此种情况下动力电缆的接地线不得穿过电流互感器，安装时必须加以注意，否则将会造成接地保护拒动。

图1 电缆终端头位于电流互感器上部时接地线穿越示意图

图2 电缆终端头位于电流互感器下部时接地线不穿越示意图

2.2 真空接触器—熔断器应用实例

真空接触器—熔断器组合电器(F-C)在电厂中获得了广泛的应用。F-C回路中接触器的额定开断电流一般远小于熔断器。以某型号真空接触器为例，其额定开断电流为3.2 kA，当短路电流超过此电流时，应由熔断器熔断断开回路，而非由接触器跳闸断开回路。

电动机电流速断保护按躲过电动机的启动电流整定，综合保护装置电流达到速断值后便会立即动作。但对于F-C回路的短路故障，故障电流可能已超过接触器的额定开断电流，为此在整定时，如综合保护装置需配置电流闭锁功能，故障电流超过接触器的额定开断电流时必须闭锁速断保护；否则，此类速断保护应改为限时速断保护，其动作时间必须与熔断器的熔断时间配合，即限时速断保护的延时必须比整定电流下熔丝熔断时间大一个级差，这样才能保证短路电流大于接触器的额定开断时由熔断器切除故障电流。同样，电动机过负荷保护必须与熔断器的安秒特性曲线配合，反时限过负荷曲线在电流大于接触器的额定开断电流时必须在熔断器安秒特性曲线右侧，即电流大于接触器的额定开断电流时必须由熔断器先熔断切除回路。

电动机综合保护的动作时间与熔断器安秒特性(见图3)配合时，必须考虑熔断器熔断时间的离散性，时间级差应比一般的时间级差稍大。以某厂的300 MW机组的开式水泵电动机为例，其高压熔断器额定电流为100 A，接触器的额定开断电流为3.2 kA。由于该电动机使用的综合保护装置没有配置电流闭锁功能，其采用限时速断保护，整定值为232.5 A，时间整定为0.5 s；电动机反时限过流保护采用正常IEC标准反时限曲线，保护启动电流30 A，时间常数整定为2.8 s。从图3可知，当短路电流为3.2 kA时，100 A高压熔断器的熔断时间基本为0.01 s，理论计算的反时限过流保护动作时间约为4 s；短路电流等于750 A时，熔断器的熔断时间为0.5 s，理论计算的反时限过流保护动作时间约为5.9 s；当短路电流等于限时速断保护的整定值232.5 A时，理论计算的反时限过流保护的动作时间约为9.4 s，此时熔断器的熔断时间远大于9.4 s。从以上计算可以看出，短路电流小于232.5 A时，将由反时限过流保护动作于接触器切除故障，故障电流介于232.5～750 A之间时将由限时速断保护动作于接触器切除故障；短路电流大于750 A时，将由高压熔断器断开故障电流，确保了接触器的安全。

图3 电动机用某型号熔断器安秒特性

2.3 不平衡保护整定问题

F-C供电的电动机，在一相熔断器熔断的情况下，电动机将出现缺相运行情况。目前，F-C开关柜所采用的熔断器均要求配撞击器，撞击器动作后切除电动机，但考虑到撞击机构的可靠性、断相运行的几率及对设备的危害，通常另外装设负序过流保护作为电动机的后备保护。

根据GBT 14285—2006《继电保护和安全自动装置技术规程》的规定：2 MW及以上电动机可装设负序过流保护，F-C供电的电动机也装设负序过流保护。负序过流保护的电流整定值一般与电动机额定电流接近。在高压厂用电系统中，当电动机区外发生不对称故障时，故障点的负序电压将在电动机中产生负序电流，以图4典型的厂用电系统中K点发生两相短路为例，其负序等效电路如图5所示。图5中X2S为系统侧的等效负序电抗，X2D为电动机的等效负序电抗。K点短路时应由高厂变的分支过流保护切除故障，故障切除前，电动机中将会有负序电流流过，一般电动机综合保护装置中负序过流保护不带方向，以某公司RCS-9626CN型电动机综合保护装置为例，其负序过流保护不带方向，负序过流保护整定时必须防止外部故障造成电动机负序过流保护误动。为此负序过流保护的动作时间必须大于分支过流保护动作时间。

图4 典型的厂用电系统K点短路

图5 K电两相短路时的负序等效网路图

2.4 电动机速断保护整定

高压电动机采用微机综合保护装置后，往往为了提高速断保护灵敏度，电动机启动时采用数值较大的整定值，称为速断高定值；正常运行时使用较低的整定值，称为速断低定值。某厂电动机速断保护便采用此种定值，其速断低定值为速断高定值的一半。电动机运行时其暂态电势E0"一般约为0.9(标幺值)，当电动机所在母线或相邻电动机电源电缆发生三相短路时，忽略电缆的阻抗，电动机的次暂态电抗为X"。电动机反馈电流的初始值为I"：

(1)

电动机的反馈电流达到0.9倍启动电流。故障切除后，电动机端电压恢复，如果故障切除时间较长，则电动机可能已停止转动，电动机自启动的电流将会达到正常的启动电流，因此造成电动机的速断保护误动的情况时有发生。该厂曾发生高压厂用母线三相短路，电动机次暂态电流造成运行中辅机速断保护误动，电动机速断保护使用速断低定值必须慎重。

3 设备选型

3.1 电压互感器二次侧小型空气断路器

电压互感器二次侧广泛使用小型空气断路器，正确配置小型空气断路器的额定电流和脱扣形式对电压互感器对二次回路的安全运行至关重要。根据DL/T5136—2001《火力发电厂、变电所二次接线设计技术规程》要求：当电压互感器二次侧运行电压为90%额定电压时，电压互感器二次回路末端经过渡电阻短路，加在继电器线圈上的电压低于70%额定电压时，小型空气断路器应能瞬时动作。在此种短路情况下，只有20%的额定电压加在二次回路的导线上，短路电流较小，应使用“B”型脱扣器的小型空气断路器，“B”型脱扣器的瞬时动作电流倍数较小，一般为3倍左右额定电流。以某厂的220 kV电压互感器二次侧回路的支路为例，其空开的额定电流为1 A，其二次侧电缆长度约为180 m，铜芯导线截面积4 mm2，忽略其电感。导线电阻为：

(2)

当其支路的空开下端发生经过渡电阻单相短路时，短路电流为：

(3)

在现场往往错误使用“C”型脱扣器的小型空气断路器(使用最普遍)，“C”型脱扣器的瞬时脱扣电流为5～10倍额定电流，短路电流可能达不到脱扣器的瞬时脱扣电流，造成脱扣器不能瞬时动作。

3.2 低压系统使用的电流互感器

400 V厂用电中使用的电流互感器额定负荷一般较低，如5、10 VA，往往电流互感器二次侧的实际负载超过电流互感器的额定负载，造成电流互感器测量误差很大；电流互感器也没有严格区分使用对象，造成测量用电流互感器大量用于继电保护回路，对继电保护的安全运行造成隐患。以某厂除尘变为例，设计院设计中性点电流互感器变比为3 000/5，实际选用的电流互感器的准确级为0.5级。变压器中性点零序保护使用变压器综合保护装置内的保护功能，实测电流互感器二次总负载电阻约为1.587 5 Ω。理论计算变压器低压侧接地故障时最大一次零序为31 469 A，保护校验系数M等于10.49倍(电流互感器一次额定电流的倍数)。使用电流互感器分析仪实测电流互感器的10%误差曲线如图6所示。从图6可以发现，电流互感器二次负载已远远超出允许的负载阻抗，在最大零序短路电流情况下，电流互感器误差将远远大于10%。

图6 某厂除尘变低压侧中性点电流互感器10%误差曲线

为保证400 V系统电流互感器误差满足继电保护要求，应综合考虑电流互感器选择、保护安装方式等，如尽量选用保护用电流互感器(此类电流互感器很少)，选用二次额定电流为1 A的电流互感器，其负载阻抗可为二次额定电流为5 A的电流互感器的25倍；保护装置就地安装，减小负载阻抗，上例中某厂对类似的中性点零序过流保护改为就地安装方式，电流互感器的二次负载基本将为0.1 Ω左右，满足了电流互感器误差的要求。

3.3 低压中性点不接地系统使用的电压互感器

4 结语

随着火电单机容量的增大，机组的非计划停运造成损失大，影响范围广。为保证机组的运行，厂用电系统、安装、继电保护等的整定越发重要。厂用电设计时必须按照规程要求，充分理解辅机的功能和作用，合理分布电源。结合厂用电系统接线方式和设备类型合理整定继电保护定值及设备选型。

(本文编辑：严 加)

电力简讯

青海连续7天全清洁能源供电

自6月17日0时至23日24时，连续7天合计168小时内，青海省日均用电量1.75亿千瓦时，日均用电负荷720万千瓦，最高用电负荷750万千瓦。在此期间，国家电网将全部以光伏发电、风电及水力发电供应全省用电。以全部清洁能源对一个省份连续7天供电，实现用电零排放，这在我国尚属首次。截至2017年5月底，青海电网总装机容量2 345万千瓦，可再生能源装机1 943万千瓦，占全省装机总量的82.9%。其中，水电1 192万千瓦，光伏682万千瓦，风电69万千瓦。水电和光伏发电已经成为青海电网第一、第二大电源，这种电源结构为国家电网公司尝试对青海省全部以清洁能源供电提供了可能。供电期间，青海省内用电负荷全部由省内水电和新能源提供，不足部分外购西北电网内新能源电量进行补充，保证新能源电量比例不低于20%。而火电电量全部通过市场交易方式送出省外，大电网优化配置电力能源资源的优势得到充分发挥。

(本刊讯)

Investigation on the Problems of Auxiliary Power System in Large Thermal Power Plant

XIA Jinlin

(Anhui Anqing Wojoint Power Plant Co., Ltd.，Anqing 246008, China)

Some problems of the auxiliary power system in large thermal power plant are analyzed in this paper. It investigated the impacts of the system auxiliary machine power distribution on unit operation, and points out the problems about the auxiliary power system protection configuration, equipment selection and auxiliary machine controlling power source.

power distribution; zero sequence protection; F-C circuit; setting calculation; equipment selection

10.11973/dlyny201703025

夏金林(1974—)，男，工程师，从事火电厂生产运行及技术管理工作。

TM76

B

2095-1256(2017)03-0331-05

2017-02-25