發(fā)電廠高壓廠用電系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定性研究

黃亞軍，楊開(kāi)黎，姜 平

（1. 國(guó)電哈爾濱熱電有限公司，哈爾濱 150060；2. 哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040）

前言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)對(duì)電力的需求越來(lái)越旺盛，目前國(guó)內(nèi)逐漸建成了許多新的大型火力發(fā)電廠、核電發(fā)電廠和水力發(fā)電廠。發(fā)電廠的高壓廠用電系統(tǒng)正常運(yùn)行才能保證機(jī)組生產(chǎn)電力，廠用電系統(tǒng)一旦出現(xiàn)問(wèn)題，就影響到機(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)供電，使機(jī)組停機(jī)，嚴(yán)重時(shí)發(fā)電機(jī)組可能遭到破壞。發(fā)電廠的廠用電系統(tǒng)接線形式與機(jī)組容量密切相關(guān)，單機(jī)容量越大，發(fā)電廠在電力系統(tǒng)中占有的地位就越重要，接線形式要求的可靠性就越高。此外，機(jī)組的控制系統(tǒng)的自動(dòng)化水平越高、相應(yīng)地對(duì)廠供電系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定性的要求也就越苛刻。不僅要求機(jī)組在正常運(yùn)行和起停時(shí)有安全可靠的供電能力，而且要求電廠各系統(tǒng)輔機(jī)故障或電力系統(tǒng)發(fā)生短路造成系統(tǒng)電壓波動(dòng)、頻率搖擺等事故狀態(tài)下，都應(yīng)該提供可靠的供電。

雖然廠用電系統(tǒng)的投資一般只占電廠總投資的5%-10%，但是由于機(jī)組長(zhǎng)期停役而引起的非直接性投資，主要設(shè)備的維修費(fèi)用，以及使用備用電源所增加的成本，這些額外的附加投資，可能超過(guò)廠用電系統(tǒng)的總投資。所以規(guī)劃和設(shè)計(jì)廠用電系統(tǒng)時(shí)，必須充分意識(shí)到它在電廠生產(chǎn)中的重要地位，并盡可能設(shè)計(jì)出安全、穩(wěn)定、運(yùn)行靈活的廠用電系統(tǒng)。因此本文初步系統(tǒng)地討論在保證發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性方面需要注意的問(wèn)題。

1 廠用電電壓等級(jí)選擇

目前，國(guó)內(nèi)發(fā)電廠高壓廠用電電壓等級(jí)為3kV、6 kV、10kV電壓等級(jí)。一般按這樣的原則來(lái)選擇火電廠用電電壓等級(jí)：發(fā)電機(jī)容量60MW以下，發(fā)電機(jī)電壓等級(jí)為10.5kV時(shí)，可采用3kV作為高壓廠用電電壓；發(fā)電機(jī)容量在100-300MW時(shí)，宜選用6kV作為廠用高壓電壓；容量 300MW 及以上時(shí)，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面考慮，可采用兩種高壓廠用電壓，即3kV和10kV。

水電廠廠用電壓等級(jí)，通常只設(shè)380V/220V電壓等級(jí)，但是壩區(qū)和水力樞紐有些大型機(jī)械，如閘門(mén)啟閉裝置、航運(yùn)使用的船閘或升降機(jī)等設(shè)施用電，常需另設(shè)壩區(qū)變壓器，以6-10kV電壓供電。但是發(fā)電廠在設(shè)計(jì)廠用電系統(tǒng)時(shí)，常常要結(jié)合以下情況：機(jī)組數(shù)量及單機(jī)容量、廠用電接線方式、短路電流水平、設(shè)備制造水平、母線電壓水平、電動(dòng)機(jī)情況、電氣設(shè)備布置情況等進(jìn)行幾種方案設(shè)計(jì)，再進(jìn)行可行性評(píng)估選用合適的電壓等級(jí)。華北電力設(shè)計(jì)院的張熠在對(duì)600MW空冷機(jī)組高壓廠用電電壓等級(jí)選擇時(shí)[1]，提出以下 3種方案。方案1：10.5kV-3.15kV兩級(jí)高壓廠用電電壓。方案 2：10.5kV一級(jí)高壓廠用電電壓。方案 3：10.5-6.3kV兩級(jí)高壓廠用電電壓。

通過(guò)對(duì)比分析，結(jié)合多年電廠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，筆者認(rèn)為10.5-6.3kV兩級(jí)電壓的方案不但可靠性高、靈活性好、且與脫硫島的接口清晰、節(jié)省主廠房?jī)?nèi)電氣面積，而且經(jīng)濟(jì)性最好。此方案在技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性兩方面具有的明顯優(yōu)勢(shì)。

目前，國(guó)內(nèi)運(yùn)行和在建的1000MW機(jī)組中，高壓廠用電電壓基本采用 3個(gè)方案，即 1個(gè)電壓等級(jí)10kV(方案1)；2個(gè)電壓等級(jí)10kV和6kV(方案2)；2個(gè)電壓等級(jí)10kV和3kV(方案3)。3個(gè)方案的論證是在發(fā)電機(jī)出口不裝設(shè)斷路器，考慮每臺(tái)機(jī)設(shè)置2臺(tái)同容量的高壓廠用變壓器，2臺(tái)機(jī)共設(shè)置2臺(tái)高壓?jiǎn)?dòng)／備用變壓器的前提條件下進(jìn)行的。狄瑩[2]通過(guò)對(duì)變壓器容量、電壓波動(dòng)、電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、短路電流等方面比較分析，認(rèn)為方案1相對(duì)于方案2和方案3除10kV小容量電機(jī)的損耗及體積略大外，在總投資方面相差不大。由于方案2和方案3的設(shè)備型號(hào)較方案1增多，造成維護(hù)檢修、運(yùn)行管理工作量加大。因此，狄瑩論證的結(jié)論認(rèn)為 1000MW 機(jī)組高壓廠用電采用 10kV1個(gè)電壓等級(jí)更為合理。

2 廠用電系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式選擇

目前，國(guó)內(nèi)大型機(jī)組的高壓廠用電系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地方式主要有3種，即中性點(diǎn)不接地方式、中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地方式和中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式[3]。高壓廠用電中性點(diǎn)接地方式的選擇與接地電容電流大小有關(guān)，由于設(shè)計(jì)中常用的計(jì)算方法在運(yùn)行中往往與實(shí)測(cè)值發(fā)生較大偏差，因此需要采用實(shí)測(cè)的方法獲得電容電流的數(shù)值。對(duì)于125MW及以下機(jī)組或廠用母線段對(duì)地電容電流小于5A時(shí)，宜采用中性點(diǎn)不接地方式；對(duì)于 200MW 及以上機(jī)組或廠用母線段對(duì)地電容電流在5-10A之間，宜采用高電阻接地方式，如果中性點(diǎn)沒(méi)有接入高電阻，最好采用專用接地變壓器，即采用間接接入電阻的方法；如廠用母線段對(duì)地電容電流大于10A時(shí)，宜采用消弧線圈接地方式；隨著電力電子技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用，有條件的發(fā)電廠可采用智能化的快速消弧系統(tǒng)[4]。

隨著 600MW 及1000MW大容量機(jī)組越來(lái)越多地采用超臨界參數(shù)、電動(dòng)給水泵容量和廠用電負(fù)荷大幅度增加，對(duì)高壓廠用電接線的設(shè)計(jì)提出了更高要求，因此以下幾方面因素對(duì)超臨界機(jī)組廠用電接線的影響需要考慮[5]：機(jī)組的輔機(jī)容量、電動(dòng)給水泵容量、脫硫裝置的容量；廠用電系統(tǒng)設(shè)備的短路承受水平；采用發(fā)電機(jī)出口設(shè)置的斷路器；發(fā)電廠公共用電的供電方式。

3 繼電保護(hù)裝置的應(yīng)用

用戶內(nèi)部高壓線路的電壓等級(jí)一般為6-35kV，線路較短，通常為單端供電，常見(jiàn)故障有相間短路、單相接地和過(guò)負(fù)荷等。供電線路裝設(shè)帶時(shí)限的過(guò)電流保護(hù)和瞬時(shí)電流速斷保護(hù)，斷路器跳閘作為相間短路的保護(hù)；供電線路裝設(shè)絕緣監(jiān)視裝置（零序電壓保護(hù)）或單相接地保護(hù)（零序電流保護(hù)），作為單相接地故障保護(hù)。在可能出現(xiàn)過(guò)負(fù)荷的線路上裝設(shè)過(guò)負(fù)荷保護(hù)。供電線路越靠近電源，過(guò)電流保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限越長(zhǎng)，而短路電流越大，危害也越大，這是過(guò)電流保護(hù)的不足。因此，GB50062-92規(guī)定當(dāng)過(guò)電流保護(hù)動(dòng)作時(shí)限超過(guò)0.5-0.7s時(shí)，應(yīng)裝設(shè)瞬動(dòng)的電流速斷保護(hù)。

一般用于過(guò)電流保護(hù)的裝置有：熔斷器保護(hù)、低壓斷路器保護(hù)和繼電保護(hù)。熔斷器保護(hù)適用于高低壓供電系統(tǒng)，由于其裝置簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，所以在用戶供電系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛；但其斷流能力較小，選擇性較差，且其熔體熔斷后要更換熔體才能恢復(fù)供電，因此在要求供電可靠性高的場(chǎng)所不宜采用熔斷器保護(hù)（過(guò)負(fù)荷、短路保護(hù)）。低壓斷路器保護(hù)又稱低壓自動(dòng)開(kāi)關(guān)保護(hù)，適用于要求供電可靠性較高和操作靈活方便的低壓供配電系統(tǒng)中（過(guò)負(fù)荷、短路保護(hù)、低電壓或失壓保護(hù)）。繼電保護(hù)適用于要求供電可靠性較高、操作靈活方便特別是自動(dòng)化程度較高的高壓供配電系統(tǒng)中[6]。

三峽左岸安裝的14臺(tái)機(jī)組初期發(fā)電時(shí)，由于機(jī)端短路電流太大以及造價(jià)、安裝空間等限制因數(shù)，機(jī)端未安裝繼電保護(hù)裝置——出口斷路器，致使機(jī)組停機(jī)時(shí)，與該機(jī)組相連接的廠用母線失電，造成機(jī)組供電的廠用電系統(tǒng)的可靠性較差[7]。

電廠及變電所供電系統(tǒng)對(duì)繼電保護(hù)裝置基本要求是：(1)當(dāng)供電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，只離故障點(diǎn)最近的電源側(cè)保護(hù)裝置動(dòng)作，切除故障，而供電系統(tǒng)的其他部分仍然正常運(yùn)行。(2)為了防止故障擴(kuò)大，減輕其危害程度，并提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，因此在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)裝置應(yīng)盡快地動(dòng)作，切除故障。(3)保護(hù)裝置在該動(dòng)作時(shí)，不應(yīng)拒動(dòng)；而不該動(dòng)作時(shí)，不應(yīng)誤動(dòng)。保護(hù)裝置的可靠程度，與保護(hù)裝置的元件質(zhì)量、接線方案以及安裝、整定和運(yùn)行維護(hù)等多種因素有關(guān)。

4 集成化的多功能綜合繼電保護(hù)裝置

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了集成化的多功能綜合繼電保護(hù)裝置及操作過(guò)電壓吸收裝置所組成的具有各種保護(hù)功能的新型配電裝置。這種新型配電裝置是由高壓限流式熔斷器(Fuse)和真空接觸器(Contactor)構(gòu)成的開(kāi)關(guān)回路（F-C開(kāi)關(guān)回路），主要用于高壓電動(dòng)機(jī)和變壓器的操作和保護(hù)。

高壓真空接觸器典型的特點(diǎn)是：回路簡(jiǎn)單、原理清晰，但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)以下兩個(gè)問(wèn)題需要優(yōu)化處理：（1）沒(méi)有防跳回路。防跳功能能夠防止在合閘信號(hào)和分閘信號(hào)持續(xù)時(shí)，造成開(kāi)關(guān)頻繁自動(dòng)合分的跳躍現(xiàn)象，跳躍時(shí)斷路器的斷流能力下降容易發(fā)生爆炸事故。高壓真空接觸器控制和保護(hù)的負(fù)載多為高壓電動(dòng)機(jī)，高壓電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流較大(一般為額定電流的4-6倍)，控制回路沒(méi)有防跳功能的接觸器在設(shè)備出現(xiàn)障時(shí)會(huì)對(duì)電網(wǎng)形成很大沖擊，造成系統(tǒng)配電設(shè)備和負(fù)載的嚴(yán)重受損。因此，有必要對(duì)高壓真空接觸器設(shè)計(jì)防跳回路。（2）不能實(shí)現(xiàn)分、合閘回路斷線報(bào)警功能。高壓真空接觸器的合閘控制是通過(guò)合閘輔助繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該繼電器的阻值比較大，因此在分閘后，一方面合閘輔助繼電器的分壓仍能達(dá)到動(dòng)作電壓而合閘，另一方面合閘監(jiān)視繼電器的分壓達(dá)不到動(dòng)作電壓而顯示控制回路斷線。

對(duì)于電氣保持型高壓真空接觸器，上述問(wèn)題的解決方案：重新設(shè)計(jì)了合閘、分閘控制回路及檢測(cè)電路，利用跳閘輔助繼電器和它的輔助常開(kāi)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)防跳功能；真空接觸器與綜合保護(hù)裝置配合，來(lái)實(shí)現(xiàn)分、合閘回路斷線監(jiān)測(cè)功能。

目前，F(xiàn)-C開(kāi)關(guān)使用的高壓熔斷器采用WFK系列的較多，該類型熔斷器在短路電流下熔斷時(shí)間較快，一般弧前時(shí)間不超過(guò)10ms。6kV用電系統(tǒng)最大運(yùn)行方式下三相短路電流20.528kA，最小運(yùn)行方式下兩相短路電流16.6kA，F(xiàn)-C開(kāi)關(guān)的遮斷容量4000A，當(dāng)負(fù)荷開(kāi)關(guān)下口出現(xiàn)短路故障時(shí)，短路電流一般都超過(guò) F-C開(kāi)關(guān)的遮斷容量，這時(shí)開(kāi)關(guān)所配置的速斷保護(hù)不應(yīng)動(dòng)作，要靠高壓熔斷器熔斷切斷故障電流。

短路時(shí)電流互感器會(huì)嚴(yán)重飽和，二次電流波形產(chǎn)生了嚴(yán)重畸變，變成很窄的尖脈沖，其頂值不及實(shí)際頂值的一半，造成保護(hù)裝置采樣值失真。目前我國(guó)6kV微機(jī)綜合保護(hù)的采樣頻率普遍不高，而且都是利用一定長(zhǎng)度數(shù)據(jù)窗內(nèi)的若干個(gè)采樣數(shù)據(jù)計(jì)算電流的大小，如果二次電流的波形變成很窄的尖脈沖，在一個(gè)數(shù)據(jù)窗內(nèi)可能僅采樣到很少幾個(gè)點(diǎn)（甚至采樣不到）的真實(shí)故障數(shù)據(jù)，其他各點(diǎn)采樣值接近于零，這樣計(jì)算出來(lái)的故障電流肯定偏小。

在F-C回路中，重要的問(wèn)題是短路和過(guò)載保護(hù)配合交接點(diǎn)的斷流能力。通過(guò)微機(jī)綜合保護(hù)裝置動(dòng)作電流及時(shí)間的整定，小于交接點(diǎn)的電流按保護(hù)的整定值使真空接觸器跳閘， 大于交接點(diǎn)的電流則使限流熔斷器斷開(kāi)，實(shí)現(xiàn)短路電流保護(hù)。

目前，我國(guó)6kV系統(tǒng)屬不接地系統(tǒng)，既以不接地和中阻接地較多。不接地系統(tǒng)接地電流很小，電流多是容性的，接地電流不超過(guò)5A，中阻接地系統(tǒng)接地電流較大，一般在200-600A之間，單相接地電流不會(huì)影響到F-C開(kāi)關(guān)的遮斷容量，但是必須考慮兩點(diǎn)接地的可能，出現(xiàn)兩點(diǎn)接地時(shí)，接地電流是很大的，在某些情況下一點(diǎn)接地過(guò)渡到兩點(diǎn)接地的情況是很快的，所以，這時(shí)應(yīng)考慮兩點(diǎn)接地的問(wèn)題，零序保護(hù)時(shí)間需要加延時(shí)。

5 廠用電源快切裝置

火力發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)一般都具有兩個(gè)電源：即廠用工作電源和備用（啟動(dòng)）電源。目前絕大多數(shù)大型機(jī)組火力發(fā)電廠都采用單元接線，正常運(yùn)行時(shí)機(jī)組廠用電由單元機(jī)組供電，停機(jī)狀態(tài)由備用電源供電，機(jī)組在啟動(dòng)和停機(jī)過(guò)程都必須帶負(fù)荷進(jìn)行廠用電切換。另外，當(dāng)機(jī)組或廠用工作電源發(fā)生故障時(shí)，為了保證廠用電不中斷及機(jī)組安全有序地停機(jī)，不擴(kuò)大事故，必須盡快把廠用電電源從工作電源切換到備用電源。廠用電系統(tǒng)切換分為兩類：即機(jī)組啟動(dòng)、停機(jī)過(guò)程的正常切換和故障情況下的事故切換。

發(fā)電廠中廠用電的安全可靠直接關(guān)系到發(fā)電機(jī)組乃至整個(gè)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。因此人們倍加重視廠用電的可靠性，這主要表現(xiàn)在對(duì)備用電源自動(dòng)投入裝置的設(shè)計(jì)上。以往廠用電切換大都采用工作電源的輔助接點(diǎn)直接（或經(jīng)低壓繼電器、延時(shí)繼電器）起動(dòng)備用電源投入。這種方式未經(jīng)同步檢定，造成廠用電動(dòng)機(jī)易受沖擊。

為解決廠用電的安全穩(wěn)定運(yùn)行，生產(chǎn)廠家專門(mén)研制了微機(jī)型備用電源快速切換裝置。采用該裝置后可避免備用電源電壓與母線殘壓在相角、頻率相差過(guò)大時(shí)合閘而對(duì)電機(jī)造成沖擊，如失去快速切換的機(jī)會(huì)，則裝置自動(dòng)轉(zhuǎn)為同期判別或判殘壓、長(zhǎng)延時(shí)的慢速切換狀態(tài)，同時(shí)在電壓跌落過(guò)程中，可按延時(shí)甩去部分非重要負(fù)荷，以利于重要輔機(jī)的自起動(dòng)，提高廠用電切換的成功率。

目前市場(chǎng)上出現(xiàn)的多微機(jī)同期快切復(fù)用裝置，在用電事故切換過(guò)程中不損失任何廠用負(fù)荷，并根除變壓器勵(lì)磁涌流的影響。多微機(jī)同期快切復(fù)用裝置的特點(diǎn)是斷路器兩側(cè)都有電源，當(dāng)兩側(cè)電源是相互獨(dú)立的電源時(shí)，此時(shí)的同期操作屬差頻同期性質(zhì)，在兩側(cè)頻差及壓差滿足整定值時(shí)，捕捉相位差為零的時(shí)機(jī)完成同期操作。

6 結(jié)論

隨著超臨界機(jī)組的廣泛應(yīng)用，對(duì)大容量機(jī)組的廠用電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性提出了更高的要求。在廠用電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方面，應(yīng)注重廠用電電壓等級(jí)方案優(yōu)化、供電系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式選擇、供電系統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置的選擇、廠用電電源快切換裝置的選擇等方面，本文討論的幾個(gè)方面內(nèi)容希望能對(duì)高壓廠用電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)有些參考作用。

[1]張熠. 600MW空冷機(jī)組高壓廠用電電壓等級(jí)選擇的探討[J]. 電力設(shè)備，2004(11):46-50.

[2]狄 瑩. 1000 MW 機(jī)組高壓廠用電電壓等級(jí)優(yōu)化[J]. 吉林電力，2006(5):1-3, 20.

[3]王 鑫, 龔家瓏. 蒲圻電廠高壓廠用電系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式的選擇[J]. 電力建設(shè)，2006(12):70-71.

[4]王波，高超平. 發(fā)電廠高壓廠用電系統(tǒng)接地問(wèn)題探討[J]. 長(zhǎng)沙電力學(xué)院學(xué)報(bào)，2003(4):54-56.

[5]楊東阿. F-C回路的設(shè)計(jì)應(yīng)用[J]. 電源技術(shù)，2009（8）: 19-21.

[6]聶勝利，王家新. 關(guān)于高壓真空接觸器二次接線回路的探討[J]. 電氣開(kāi)關(guān), 2008(3) :3-4,7.

[7]劉耀丹, 鄧漢明, 陳世元. SID-8BT型多微機(jī)同期快切復(fù)用裝置在大型發(fā)電廠中的應(yīng)用[J].寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008(5):5-8.