火力發(fā)電廠電氣一次設(shè)計(jì)技術(shù)分析

齊 凱

（國(guó)源設(shè)計(jì)院有限公司，濟(jì)南 250000）

0 引言

火力發(fā)電是現(xiàn)階段眾多發(fā)電模式中最為常用的一種，同時(shí)也是當(dāng)前電力供應(yīng)中的重要組成部分［1］。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，對(duì)于高質(zhì)量電力能源的需求缺口越來越大，相對(duì)應(yīng)的火力發(fā)電廠工作壓力和工作強(qiáng)度逐漸提升。為滿足全社會(huì)對(duì)于清潔電能的高品質(zhì)需求，越來越多的發(fā)電模式應(yīng)用到了火力發(fā)電廠中。在火力發(fā)電廠中電氣一次設(shè)計(jì)對(duì)于發(fā)電效率和發(fā)電工作模式有著直接影響［2］。作為電氣系統(tǒng)的重要組成部分，一次接線直接影響著火力發(fā)電廠的后期運(yùn)營(yíng)?，F(xiàn)階段火力發(fā)電廠電氣一次設(shè)計(jì)技術(shù)還存在諸多問題，有必要進(jìn)行專項(xiàng)研究。

1 火力發(fā)電廠電氣一次設(shè)計(jì)重要意義

科學(xué)的電氣一次設(shè)計(jì)能夠極大程度地提升火力發(fā)電廠的工作效率，減少運(yùn)行過程中的故障及停機(jī)檢修情況。按照科學(xué)的方法并依據(jù)不同火力發(fā)電廠的現(xiàn)實(shí)情況，深入探討發(fā)電機(jī)主變壓器和電纜的選型及使用，優(yōu)化電氣設(shè)備的布置，是提升火力發(fā)電廠電機(jī)的設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。

2 提升火力發(fā)電廠電氣一次設(shè)計(jì)方法探討

2.1 發(fā)電機(jī)選擇分析

在火力發(fā)電廠電氣一次設(shè)計(jì)中進(jìn)行發(fā)電機(jī)的選擇，重點(diǎn)是確定發(fā)電機(jī)的裝機(jī)容量，在發(fā)電機(jī)容量的選擇過程中，需保證所選的容量與發(fā)電廠汽輪機(jī)容量相協(xié)調(diào)［3］?，F(xiàn)實(shí)中常用的選型原則如下：發(fā)電機(jī)的選擇首先應(yīng)確定額定工作電壓和額定功率因數(shù)，其中發(fā)電機(jī)額定容量應(yīng)與汽輪機(jī)輸出功率相協(xié)調(diào)，同時(shí)汽輪機(jī)的連續(xù)容量應(yīng)與發(fā)電機(jī)相一致［4］，最后，用于冷卻發(fā)電機(jī)冷卻器的水體溫度應(yīng)與汽輪機(jī)運(yùn)行過程中的冷卻水溫要求相一致。

2.2 主變壓器選用分析

發(fā)電廠主變壓器主要有單相變壓器和三相變壓器兩種類型，選擇的依據(jù)如下：連接主變壓器的機(jī)組容量在300 MW以下時(shí)，建議選擇三相變壓器；連接主變壓器的機(jī)組容量在300 ～600 MW 之間時(shí)，三相變壓器與單相變壓器都可使用，具體應(yīng)依據(jù)項(xiàng)目工況確定［5］；連接主變壓器的機(jī)組容量在1 000 MW以上時(shí)，建議選擇單相變壓器。在使用單相變壓器作為主變壓器情況下，設(shè)備配置應(yīng)依照如下原則：安裝機(jī)組在2臺(tái)以下（含2臺(tái)）情況下，無需考慮使用備用相；安裝機(jī)組在3臺(tái)以上情況下，建議使用1 臺(tái)備用相；在發(fā)電廠附近電能用戶已經(jīng)配置了相同參數(shù)的備用相時(shí)，則無需在電氣一次設(shè)計(jì)中配置備用相［6］。

主變壓器和發(fā)電機(jī)之間如使用單元連接方式，則主變壓器的容量計(jì)算方法為：發(fā)電機(jī)的最大連續(xù)容量與工作變壓器計(jì)算負(fù)荷的差值，確定為主變壓器的容量。

2.3 電氣主接線分析

（1）主母線接線方式分析

配電裝置工作電壓在330 ～500 kV 范圍內(nèi)時(shí)，在接線方式的選擇中應(yīng)首先確保發(fā)電機(jī)系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行，在發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行可靠的前提下再考慮建設(shè)成本和運(yùn)行靈活性等因素。結(jié)合大量工程實(shí)踐，認(rèn)為330 ～500 kV 配電裝置接線應(yīng)按照以下原則進(jìn)行：接線進(jìn)出線回路數(shù)量在6 回以內(nèi)時(shí)，建議采用雙母線方式完成接線，同時(shí)兼顧系統(tǒng)穩(wěn)定性；接線進(jìn)出線回路數(shù)量在6回以上時(shí)，建議使用1 臺(tái)半斷路器完成接線工作；在發(fā)電廠工作機(jī)組數(shù)量較多，但是進(jìn)出回路較少的情況下（但是進(jìn)出線回路數(shù)量高于6 回），建議使用4/3 接線方式［7］。

雙母線雙分段與雙母線單分段接線方式在220 kV配電裝置中應(yīng)用較廣，在實(shí)際作業(yè)中，應(yīng)按照以下原則進(jìn)行：在發(fā)電廠總裝機(jī)數(shù)量多于3臺(tái)（含3 臺(tái)）情況下，首先要保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和電能的穩(wěn)定供應(yīng)，在此基礎(chǔ)上分析故障發(fā)生后可切除的機(jī)組數(shù)量與回路，最終確定接線方式［8］。總裝機(jī)容量在10 000 MW以上時(shí)，大型電力系統(tǒng)中的機(jī)組數(shù)量高于4臺(tái)，建議使用雙母線雙分段接線?？傃b機(jī)容量在5 000～10 000 MW范圍內(nèi)時(shí)，電力系統(tǒng)內(nèi)的機(jī)組數(shù)量小于或等于3臺(tái)，則建議使用雙母線單分段接線方式，如電力系統(tǒng)中的機(jī)組數(shù)量高于4臺(tái)，仍需使用雙母線雙分段接線方式。

（2）備用電源接線方式

在220 kV以下發(fā)電廠備用電源接線中，可以直接從配電裝置的母線上接線。在330 kV 或者500 kV 發(fā)電廠備用電源接線中，如果電場(chǎng)中沒有低于330 kV的電壓等級(jí)，建議備用電源接線可從330 kV 或者500 kV 電壓上進(jìn)行降壓接線，該方式能夠明顯降低工程成本［9］。

2.4 電纜選擇與敷設(shè)分析

（1）電纜線選擇分析

發(fā)電廠中使用的電纜主要分為C 類阻燃電纜、動(dòng)力電纜和耐火電纜3大類，每種電纜的使用范圍分析如下：發(fā)電廠中存在很多易燃位置，包括主廠房、燃料供應(yīng)室和輸煤作業(yè)空間等，上述易燃易爆位置的電纜必須使用C 類阻燃電纜。動(dòng)力電纜主要應(yīng)用于發(fā)電廠的直流系統(tǒng)、應(yīng)急照明系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、事故保障系統(tǒng)和火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)等控制系統(tǒng)中，為上述控制系統(tǒng)提供電能的電纜應(yīng)使用耐火電纜。此外，耐火電纜在關(guān)鍵控制元件的雙回路中間沒有采取相應(yīng)的隔離措施情況下，應(yīng)在其中的一個(gè)通道中使用。

發(fā)電廠電纜線選擇的另一個(gè)重要方面是考察電纜內(nèi)芯，銅芯電纜主要在控制回路、防火要求較高的回路和3 kV以上電纜線內(nèi)使用。接入計(jì)算機(jī)等核心控制元件的電纜線除了使用銅芯外，還應(yīng)選用屏蔽能力較強(qiáng)的電纜線。

根據(jù)發(fā)電廠內(nèi)電纜線敷設(shè)方式和環(huán)境的不同，電纜線選用也有所區(qū)別，在托盤、梯架和橋架等位置使用時(shí)，應(yīng)使用非鎧甲電纜。電纜使用環(huán)境溫度也對(duì)電纜選用有影響，具體來看，電纜敷設(shè)環(huán)境或者使用環(huán)境溫度高于60 ℃時(shí)，建議采用耐高溫電纜；電纜敷設(shè)環(huán)境或者使用環(huán)境溫度高于100 ℃時(shí)，建議采用礦物質(zhì)絕緣電纜；電纜敷設(shè)環(huán)境或者使用環(huán)境溫度低于零下20 ℃時(shí)，建議結(jié)合絕緣類型和實(shí)際溫度確定，可選擇的類型包括聚乙烯和交聯(lián)聚乙烯材料絕緣電纜，但不能使用聚氯乙烯絕緣電纜。

（2）電纜敷設(shè)分析

在發(fā)電廠主廠房中進(jìn)行電纜敷設(shè)，一般采用架空敷設(shè)方式，架空敷設(shè)的主要優(yōu)勢(shì)在于不需考慮步行道，同時(shí)可以在配電室上部使用，基于此，在輔助車輛的電纜敷設(shè)時(shí)，也建議使用架空敷設(shè)方式。除此之外，發(fā)電廠的電纜敷設(shè)應(yīng)盡量使用綜合管架敷設(shè)方式。繼電保護(hù)室和集中控制室內(nèi)的電纜線較多，為避免電纜線相互干擾，在多根電纜匯聚的位置應(yīng)設(shè)置電纜夾層。如電纜敷設(shè)位置環(huán)境具有一定的腐蝕性，建議使用橋架方式敷設(shè)，在環(huán)境無腐蝕性的條件下，建議使用鍍鋅鋼架橋。最后，在具體電纜敷設(shè)時(shí)，控制電纜應(yīng)與動(dòng)力電纜分開敷設(shè)。

2.5 電氣設(shè)備布置分析

對(duì)于110 ～220 kV 發(fā)電廠中屋外敞開式高壓配電裝置和330 ～500 kV敞開式高壓配電裝置，在電氣設(shè)備布置時(shí)，建議使用中型布置方式。采用屋內(nèi)布置方式進(jìn)行GIS 布置時(shí)，考慮到室內(nèi)不允許出現(xiàn)空氣再循環(huán)，應(yīng)在相應(yīng)位置設(shè)置排風(fēng)口，并使用排風(fēng)設(shè)備進(jìn)行機(jī)械排風(fēng)，排風(fēng)口的位置應(yīng)在室內(nèi)高處或者低處，以加強(qiáng)排風(fēng)效果。

在火力發(fā)電廠網(wǎng)絡(luò)繼電器室的布置設(shè)計(jì)中，電纜路徑的設(shè)計(jì)主要目的是確定布置位置和數(shù)量，建議將低壓電動(dòng)機(jī)控制中心布置在廠房的負(fù)荷中心處，同時(shí)采用分散布置的方式，在火力發(fā)電廠空間允許的條件下，建議將動(dòng)力中心布置在主廠房?jī)?nèi)，這樣做的主要目的是避免單獨(dú)為動(dòng)力中心配置配電間而導(dǎo)致的成本增加。除此之外，火力發(fā)電廠中直流系統(tǒng)組成中的相應(yīng)電氣設(shè)備應(yīng)布置在蓄電池附近，與之對(duì)應(yīng)的蓄電池的布置需注意環(huán)境溫度和蓄電池建筑物建筑材料，盡可能選用非燃燒性的建設(shè)材料。建議在空冷平臺(tái)下布置大容量的高壓變壓器，為空冷裝置提供電能的低壓配電器和配電瓶的設(shè)備，安放在空冷配電室中。

2.6 配電室電荷計(jì)算分析

配電室的電力負(fù)荷越大，則表明電力設(shè)備做功的能力越高，效率越強(qiáng)。在電氣一次設(shè)計(jì)中，配件時(shí)間和計(jì)算主要影響供電設(shè)計(jì)，同時(shí)也是優(yōu)選電氣設(shè)備和導(dǎo)線組合方式的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和關(guān)鍵影響因素。通常情況下可采用二項(xiàng)式系數(shù)法和系數(shù)法完成配電時(shí)間和的計(jì)算。在火力發(fā)電廠發(fā)電做功過程中感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、電弧爐等感性負(fù)載是支撐其正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部件，這其中多余的感性負(fù)載會(huì)降低機(jī)器設(shè)備的發(fā)電功率，從而影響電力資源的綜合利用程度，為此在一次設(shè)計(jì)中，需采用人工補(bǔ)償?shù)姆绞絹韽浹a(bǔ)火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)的不足，發(fā)揮內(nèi)部設(shè)備的最大潛能，這就需要準(zhǔn)確確定變壓器低壓側(cè)無功功率，以此確定無功補(bǔ)償功率。

另一方面為提高火力發(fā)電廠的安全生產(chǎn)系數(shù)，設(shè)計(jì)人員多采用標(biāo)值法測(cè)定短路電流，并以此作為盡量保護(hù)裝置和電氣設(shè)備調(diào)試的參數(shù)。在短路電流的測(cè)試過程中，需要準(zhǔn)確選取短路點(diǎn)，并在該點(diǎn)實(shí)測(cè)流經(jīng)設(shè)備的電流值大小。為提升測(cè)量過程中的儀器精度，應(yīng)將繼電器和測(cè)量?jī)x器分離開來，同時(shí)提升該設(shè)備的絕緣水平，有條件的可使用電流互感器保護(hù)測(cè)量?jī)x器和繼電器。

2.7 安裝高壓線路繼電保護(hù)裝置

高壓線路的機(jī)電保護(hù)是為了避免高壓線路設(shè)備出現(xiàn)問題，導(dǎo)致供電系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)無法工作。在高壓線路繼電保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)中，應(yīng)準(zhǔn)確選定過載負(fù)荷，速斷和電流等基本參數(shù)。具體到變壓器的塑造保護(hù)中，卻在使用過程中能夠快速完成變壓器兩端的斷開和閉合操作。

3 結(jié)束語(yǔ)

電能供應(yīng)是我國(guó)能源供應(yīng)體系中的重要一環(huán)，同時(shí)作為一種清潔能源，在未來一段時(shí)期內(nèi)我國(guó)電力能源的使用量還將進(jìn)一步提升。為此需深入研究火力發(fā)電廠電氣一次設(shè)計(jì)，加強(qiáng)火力發(fā)電廠工作效率，提升穩(wěn)定工作的能力，降低事故發(fā)生率。本文的研究重點(diǎn)從發(fā)電機(jī)、主變壓器選擇、電纜敷設(shè)、配電室電荷計(jì)算等多個(gè)方面論述了現(xiàn)實(shí)中影響火力發(fā)電廠電氣設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，說明了上述幾方面在電氣一次設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題，解決了現(xiàn)階段火力發(fā)電廠的一次設(shè)計(jì)中的突出矛盾，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。