分裂电抗器在石化企业动力站厂用电系统中的应用

中石化（香港）海南石油有限公司 张东升

1 原始数据及短路计算

根据全厂蒸汽平衡结果，动力站建设规模为2台310t/h 循环流化床锅炉及2台CC50-8.83/4.12/1.27双抽汽、凝汽式汽轮发电机组，发电机额定功率55MW、额定容量68.75MVA。经统计，1#炉10kV 厂用电设备和负荷计算为中压电机（≥2000kW）5台、中压电机（＜2000kW）17台、低压变压器6台，计算负荷约15300kVA。2#炉10kV 厂用电设备和负荷计算为中压电机（≥2000kW）5台、中压电机（＜2000kW）17台、低压变压器6台，计算负荷约15000kVA。根据发电机功率和自用电负荷，确定升压变压器容量为63MVA，高备变容量20MVA。

1.1 厂用电主接线的要求

动力站厂用电系统主接线是确保动力站安全、平稳、可靠和经济运行的关键，是电气设备选型、布置、自动化水平和二次回路设计的重要基础，对动力站厂用电主接线设计和设备选型的要求如下。

保证动力站站用电的可靠性，每台锅炉及对应机组的供电系统应该相对独立，防止一台锅炉和机组的供电母线故障，影响其他锅炉和机组的正常运行；根据用电负荷的要求，对重要用电设备的供电电源容量须有充分的裕度和可靠性。要考虑事故情况下防止故障扩大、限制事故波及范围和快速进行事故处理的措施，要首先保证主要用电设备不受损，并能迅速开机使机组快速恢复运行；运行方式调整要灵活可靠，检修调试安全方便。系统接线要清晰、简单，便于机组的启、停操作及事故处理；设备选型合理、技术成熟、先进、可靠并节约投资。

1.2 动力站接入系统

根据外部电网接入系统方案，全厂接入系统电压等级为220kV，由电力系统引两路220kV 电源接至厂内总变电所220kV 母线，主供电系统电压采用35kV，配电系统电压等级采用10kV 和0.4kV。综合考虑，发电机至升压变压器和厂用电主接线采用常规接线方式，即：动力站内不设35kV 配电装置，采用发变组单元接线，发电机（55MW）经主变压器（63MVA）升压至35kV 分别接至总变电所的35kV 母线。发电机出口设置断路器。用发电机出口断路器作为发电机的同期并网点。厂用电分支接在升压变压器低压侧，从升压变至发电机出口断路器之间母线引出，连接方式根据短路电流计算情况待定。

图1 全厂电力系统一次主接线图

1.3 短路计算

本文主要目的是通过计算最大运行方式下三相短路电流，对10kV 断路器开断短路电流进行选择，进而对不同的主接线方案进行对比，最终确定最合理的动力站电气系统主接线方案。本文只对系统最大运行方式下三相对称短路电流进行计算，因电动机反馈电流不对结果产生影响，为简化计算过程，未计算和考虑电动机反馈电流的数值。各设备参数如下：

220/35 kV 主变：容量150MVA，阻抗电压18%，X＊=0.12；动力站发电机升压变：容量63MVA，阻抗电压14%，X＊=0.2222；动力站发电机：容量为68.75MVA，电抗15%，X＊=0.2182。根据系统接入设计院的计算，220kV 母线上外部电力系统提供的三相最大短路电流I ＝26.7kA，短路容量S=10680MVA，电抗标幺值0.0094。电力系统正序阻抗图见图2。企业内部电力系统最大运行方式为：总变电所220kV 配电装置双母线合环运行，两台220/35kV 主变压器并列运行，35kV 总站双母线合环运行，两台发电机通过35kV 总站挂靠系统运行。

图2 电力系统正序阻抗图

2 厂用电主接线方案的设计和选择

2.1 厂用电接线方案一

厂用电从发电机出口母线分支通过进线开关直接接入，每台发电机对应一段母线，高备段通过断路器分别和两段母线相联。选择厂用电母线d1点计算三相最大短路电流。

计算220kV 外电网供给d1点的短路电流。基准容量100MVA、 基准电流5.50kA， 则I"=5.5/0.3266=16.84kA；计算1#发电机供给d1点的短路电流。发电机支路的等值电抗换算到以发电机容量为基准值时的标幺值为：Xc=0.2182×68.75/100=0.15。经查汽轮机运算曲线，等到短路电流标幺值：I"=7.24kA，换算到发电机额定电压下的额定电流IG1"=3.78×7.24=27.36kA。

图3 方案一系统图

图4 方案一标幺值电抗等值电路系统图

图5 简化后的等值电路

计算2#发电机供给d1点的短路电流。发电机支路的等值电抗换算到以发电机容量为基准值时的标幺值为：Xc=2.075×68.75/100=1.43，经查汽轮机运算曲线，等到短路电流标幺值：I"=0.72kA，换算到发电机额定电压下的发电机额定电流IrG=68.75/IG2"=3.78×0.72=2.72kA；d1点的总短路电流：I"=IS"+IG1"+IG2"=16.84+27.36+2.72=46.92kA。

根据计算结果，在未考虑电机反馈电流的情况下，厂用电母线最大运行方式下短路电流为46.92kA，则选择厂用电开关柜断路器开断电流应≥46.92kA，一般常用铠装中压开关柜开断电流规格为25kA、31.5kA 和40kA，40kA 以上开断电流的开关柜一次投资很高，所以方案一电气设备选择难度大，经济性差，该方案不可取。

2.2 厂用电接线方案二

由于方案一设备选择难度大，一次性投资高，为解决方案一存在的问题，常规设计采用在厂用电进线断路器前加装限流电抗器的典型做法，限流电抗器主要作用是当电力系统发生短路故障时，利用其电感特性，限制系统提供的短路电流，降低故障点引起的短路电流对系统的冲击，提高系统的残压，同时降低断路器选择的额定开断电流值，节省一次投资费用。

图6 方案二系统图

图7 方案二标幺值电抗等值电路

2.2.1 限流电抗的参数选择

加装限流电抗器后，为同时兼顾短路电流控制水平和电压降水平，且考虑到厂用Ⅰ段和厂用Ⅱ段互带的运行方式，限流电抗器额定电流选择为2000A、额定电压10.5kV、额定电抗按下式进行选择：XL%=(Ij/Iky-X＊s×Irk/Urk×Uj/Ij×100%，式中Iky 为短路电流的最大允许值，此处取20kA。XL%=（(5.5/20-0.1231)×2000/5500×10.5/10.5×100%）=5.52%。因采用轻型电气设备和较小的电缆热稳定截面的需要，综合考虑额定电抗选8%，电抗标幺值为0.22。

2.2.2 短路计算

图8 简化后的等值电路

计算220kV 外电网供给d1点的短路电流。基准容量100MVA、基准电流5.50kA，则IS"=5.5/0.91=6.04kA；计算1#发电机供给d1点的短路电流。发电机支路的等值电抗换算到以发电机容量为基准值时的标幺值为：X×c=0.61×68.75/100=0.42。经查汽轮机运算曲线，等到短路电流标幺值：IG1"=2.531，换算到电压10.5的发电机额定电流IrG=68.75/IG1"=3.78×2.531=9.57kA。

计算2#发电机供给d1点的短路电流。发电机支路的等值电抗换算到以发电机容量为基准值时的标幺值为：X×c=5.78×68.75/100=3.97，因等效电抗标幺值X×c ＞3，则通过该支路的短路电流交流分量有效值I"在整个短路过渡过程中可认为不衰减，因而可按无限大电源容量系统考虑，直接用公式算出，即：；d1点的总短路电流：I"=IS"+IG1"+IG2"=6.04+9.57+0.95=16.56kA。

2.2.3 电压损失校验

正常运行时电抗器电压损失ΔU%不得大于系统额定电压的5%，ΔU%主要由电流的无功分量Imaxsinφ 产生，则ΔU%≈X%/100Imax/Insinφ×100%=6%/100×1500/2000×0.6×100%=2.7%，ΔU%≤5%。经过计算，系最大运行方式下，系统和发电机提供的10kV 短路电流为16.56kA，断路器开断电流可选择为25kA，电抗器压损≤5%。

通过加装限流电抗器，解决了方案一存在的缺陷，满足标准、规范对厂用电的要求，这种接线方式也是石化企业动力站最常用的主接线方式，基本上可满足各方面的需要，石化企业动力站厂用电基本上都采用这种主接线方式，优点是接线简单、投资较低、经济性较好，缺点是由于一条母线对应一机一炉，导致母线上故障或馈线短路都会对相应机、炉的正常运行造成波动和影响，甚至会造成停炉停机，从而不能保证炉机的长周期稳定运行。且日常厂用母线上启动大功率异步电动机时会产生大的电压降低，可能会影响其它设备正常运行。

2.3 厂用电接线方案三

由于厂用电设备较多，设计目标要求动力站长周期运行，厂用母线没有可能安排专门的检修和故障处理周期，能不能有一种更合理的主接线方式，既能在故障情况下降低厂用母线故障点的短路电流，减少断路器短路开断电流，又能满足母线及用电设备检维修的灵活性，又能在正常运行时减少电能损耗。根据以上要求，可采用分裂电抗器代替限流电抗器，同时将厂用ⅠⅡ段分为Ⅰ1、Ⅰ2和Ⅱ1、Ⅱ2段，分别接在分裂电抗器两个分支上。

2.3.1 结构、主接线、参数选择、短路电流计算

分裂电抗器的结构。和普通电抗器基本相同，不同处是在电抗线圈的中间有一个抽头，用来连接电源侧，于是一个电抗器形成两个引出分支，此二分支可各接一段母线，其电抗及额定电流相等。图9中3接电源侧、1（或2）侧短路时有XL1%=XL%，图中f 为分裂电抗器的互感系数，取0.5。

图9 分裂电抗器接线图和阻抗图

采用分裂电抗器后的主接线。采用分裂电抗器后将原有单母线分段的2段母线每一段又分为两个半段，用电负荷分配尽量平衡。该接线方式即提高了供电的可靠性，同时又可限制电动机反馈电流，而且可根据情况在保证炉、机正常运行的情况下半段母线退出运行，给检修带来方便，可保证动力站的长周期运行。

图10 方案三主接线图

图11 方案三标幺值电抗等值电路

分裂电抗器参数选择。分裂电抗器额定电流选择为2×1000A，额定电压10.5，额定电抗计算为：XL%=(Ij/Iky-X＊s×Irk/Urk×Uj/Ij×100%，式中Iky 为短路电流的最大允许值，此处取20kA。XL%=(5.5/20-0.1231)×1000/5500×10.5/10.5×100%=2.8%。为满足动稳定要求，额定电抗选4%、电抗标幺值为0.22。

短路电流计算。电路简化和短路计算过程同方案二，d1点系统最大方式下三相短路电流为：I"=IS"+IG1"+IG2"=6.04+9.57+0.95=16.56kA，电压损失校验ΔU%≈2.7%≤5%。经过计算，最大运行方式下d1点短路，系统和发电机提供的10kV 短路电流为16.56kA，和方案二相同，断路器开断电流可选择为25kA。电抗器压损≤5%，满足规范要求。

2.3.2 电压波动校验

在正常运行情况下，由于两段负荷基本平衡，分裂电抗器的本身电压损失很小，且两分支臂母线上的电压差值也很小，但当两分支臂负荷变化较大时，可能会引起较大的电压波动。正常运行，要求两分支臂所带母线的电压波动不大于母线额定电压的5%，下面计算极端情况下，电压波动值是否满足要求。极端情况假定为Ⅰ2段运行但无负荷，即I2=0，Ⅰ1段运行，电流为额定电流，即I1=1000A，则：

U1%=U%-XL%(I1/Insinφ1-fI2/Insinφ2)，U2%=U%-XL%(I2/Insinφ2-fI1/Insinφ1)，式中：XL%=4%cosφ=0.8sinφ=0.6In=1000Af=0.5，U1%-U%=-4%×1000/1000×0.6，ΔU1%=-2.4%，U2%-U%=-4%×(-0.5)×1000/1000×0.6，ΔU2%=1.2%。计算结果表明两条分支臂的电压波动在母线额定电压±5%以内，满足要求。

2.3.3 电压偏移校验

一条臂母线短路时电压侧残压及另一条臂母线电压偏移校验，假设Ⅰ1段母线短路，短路电流为Ik，则分裂电抗器电源侧的残压百分值U%及正常臂母线Ⅰ2段上的电压百分值U2%可计算为：U%=(XL1%)/100(Ik/In-fI2/Insinφ2)×100(%)，U2%=XL1%/100(1+f)(Ik/In-I2/Insinφ2)×100(%)，式中设极端情况：XL1%=4%Ik/In=16.56I2=1000f=0.5cosφ2=0.8sinφ2=0.6，U%=0.04×(16.56-0.5×0.6)=65%，满足不低于60%～70%的电压额定值的要求。

另一条臂母线电压偏移校验：U2%=XL1%/100(1+f)(Ik/In-I2/Insinφ2)×100%，U2%=0.04×(1+0.5)×(16.56-0.6)=95.76%，由计算结果可见，在一条臂母线短路另一条臂母线会略有降低，但不会导致继电保护误动作，对正常的电气设备运行没有影响。

2.3.4 正常运行时单臂的电压降

ΔU=I/2×(1+f)XL-I×f×XL=I/2(1-f)XL，取f=0.5得ΔU=0.25IXL。从以上计算结果可以看出，相同电抗值XL 普通电抗器和分裂电抗器相比，正常运行时，分裂电抗器每个分支的电抗只有普通电抗器电抗XL的1/4，每条分支臂的电压损失比相同电抗值的普通电抗器减少3/4。

2.3.5 母线短路时的电压降

当一条分支短路时，由于短路电流远远大于另一条分支的电流，该分支的负荷电流可以忽略，故障分支的电压降为：ΔU=I×(1+f)XL-I×f×XL=I×XL，当分裂电抗器的一条分支臂所带母线短路时，分裂电抗器对应分支臂电抗是正常运行电抗值的4倍，相当于电抗值为XL的普通电抗器，此时限制短路的能力相当于普通限流电抗器，明显起到了限制短路电流的作用。

分裂电抗器有以上特性的原因主要是由分裂电抗器的结构决定的，正常运行时，由于两分支臂中电流方向相反，使两分支的电抗减小，因而电压损失减小。当其中一个分支所带母线发生短路时，该分支流过系统侧提供的短路电流，而另一分支的依然是正常负荷电流，数值相对于另一分支的短路电流来说很小，可以忽略其作用，则流过短路电流的分支电抗增大，使短路电流降低，同时维持电源侧较高的残余电压。

分裂电抗器参数选择不当，运行过程中也会存在一定的问题，如当两个分支负荷电流不相等或负荷电流短时间内变化过大时，将引起两分支母线电压偏差增大，使分分支所带母线电压波动较大，造成母线所带电气设备工作不稳定，甚至母线出现过电压的情况。本文中按极端情况对电压偏差进行了核算，由于电抗器参数选择合理，校验结果都在正常范围之内。

3 动力站厂用电主接线方案的确定

3.1 主接线方案确定

经过三个方案的对比，由于方案三的诸多优越性，最终确定采用分裂电抗器方案，该方案需将原厂用10kV Ⅰ段分为厂用Ⅰ1段和Ⅰ2段，原厂用Ⅱ段分为厂用Ⅱ1段和Ⅱ2段，为保证正常运行时，减小电压波动，Ⅰ1段和Ⅰ2段、Ⅱ1段和Ⅱ2段负荷分配时应进行均衡，使得运行电流尽量相同。相比限流电抗器方案，分裂电抗器母线分为四段，断路器数量有所增加，但运行方式调整更为灵活，在不停运锅炉和发电机的情况下，可对对应两段母线分别停电检修，为动力站长周期运行创造良好基础。

图12 最终系统主接线图

3.2 继电保护设置

厂用电负荷为电动机和变压器，采用常规继电保护配置配置即可，对于≥2000kW 的异步电动机，设磁平衡差动保护；厂用Ⅰ1段、Ⅰ2段、Ⅱ1段、Ⅱ2段和高备段之间采用快切装置，在Ⅰ1段、Ⅰ2段、Ⅱ1段、Ⅱ2段进线开关上侧动作时，高备段快速投入，保证Ⅰ1段、Ⅰ2段、Ⅱ1段、Ⅱ2段各设备正常供电；分裂电抗器主保护采用差动保护，包括差动速断、带二次、五次谐波制动的比例制动差动保护，电抗器分列端二路CT 并联接入差动保护的一端或按三绕组变压器差动保护CT 接法分别接入，此外还设置三段式电流保护、零序电流保护，保护动作跳对应厂用电1和2段进线断路器、对应发电机出口断路器和对应35kV 母线出线断路器。

4 结语

综上所述，采用分裂电抗器代替限流电抗器，除了保留限流电抗器原有特点外，还具备了独特的优点，即正常运行时阻抗较小、电压损失较小，而在发生母线短路时阻抗增大，又能起到限流作用。分裂电抗器的特点突出，应用理论也较为成熟，但是实际使用却很少，在本项目中，经过反复论证，最终在动力站厂用电接线中采用分裂电抗器按四段母线进行设计，从投用几年来的使用情况看，完全达到了设计指标，运行效果良好，对石化企业动力站厂用电的主接线方案选择具有一定的参考价值。