發(fā)電廠電氣部分規(guī)范設(shè)計(jì)

摘要：提高能源轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行“綠色”發(fā)電是火力發(fā)電廠發(fā)展的必然趨勢(shì)，因此，大中型及超超臨界火力發(fā)電機(jī)組憑借更高的能量轉(zhuǎn)換效率正逐漸替代資源損耗大的小型電廠?，F(xiàn)針對(duì)2×200 MW+2×300 MW火力發(fā)電廠電氣部分開(kāi)展可靠性設(shè)計(jì)及規(guī)范設(shè)計(jì)，通過(guò)計(jì)算短路電流合理選擇及校驗(yàn)一次設(shè)備及母線導(dǎo)體，達(dá)到低碳、可靠的目的，這不僅滿足了我國(guó)綠色發(fā)展的需要，同時(shí)也符合我國(guó)能源發(fā)展戰(zhàn)略實(shí)施的需求。

關(guān)鍵詞：電氣部分；可靠性；短路電流；火電

中圖分類號(hào)：TM645" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2023）08-0020-06

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.08.006

0" " 引言

改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)電力工業(yè)迅猛發(fā)展，火電的發(fā)電量隨著裝機(jī)容量的攀升而迅速提高。2020年，我國(guó)全年發(fā)電總量為74 170.4億kW·h，較2019年全年發(fā)電量增長(zhǎng)了2.7%；2020年我國(guó)全年火力發(fā)電總量為52 798.7億kW·h，占2020年全年發(fā)電總量的71.19%，較2019年全年火力發(fā)電總量增長(zhǎng)了1.2%[1-2]。近年來(lái)，我國(guó)600 MW、1 000 MW大容量機(jī)組相繼投產(chǎn)，500 kV、750 kV超高壓輸電網(wǎng)絡(luò)逐漸擴(kuò)大，標(biāo)志著我國(guó)電力工業(yè)已經(jīng)進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展階段[3-4]，這就對(duì)發(fā)電廠的電氣設(shè)計(jì)提出了更高的要求?；鹆Πl(fā)電廠的規(guī)劃和設(shè)計(jì)要響應(yīng)國(guó)家相關(guān)政策的號(hào)召，積極穩(wěn)妥地應(yīng)用通過(guò)可靠性論證的先進(jìn)技術(shù)及新設(shè)備，努力提高自動(dòng)化運(yùn)維水平，做到經(jīng)濟(jì)技術(shù)合理，運(yùn)行安全可靠。

某廠裝機(jī)容量為2×200 MW+2×300 MW=1 000 MW，以220 kV電壓等級(jí)向較遠(yuǎn)4大高用電等級(jí)用戶供電，輸出4回線路以500 kV高電壓等級(jí)向系統(tǒng)供電，220 kV電壓等級(jí)最大綜合負(fù)荷為360 MW，系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)如圖1所示。

1" " 電氣主接線設(shè)計(jì)

根據(jù)發(fā)電廠電壓等級(jí)及該電廠在電網(wǎng)的重要性選型相應(yīng)的電氣主接線架構(gòu)，電氣主接線要兼顧可靠性和靈活性需求，同時(shí)也要實(shí)現(xiàn)降低運(yùn)行和維修成本。該廠承擔(dān)著重要負(fù)荷，斷電會(huì)造成國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重大損失[5-6]。220 kV側(cè)有4回出線，主接線架構(gòu)可以選用雙母線接線，并增設(shè)旁路母線及旁路母線維修斷路器，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)不斷電檢修母線。本廠以4回500 kV線路和系統(tǒng)相連，對(duì)于500 kV配電裝置，其必須保證系統(tǒng)的安全可靠穩(wěn)定運(yùn)行。雖然本廠在電力系統(tǒng)中居重要地位，但其500 kV側(cè)出線只有4回，因此500 kV側(cè)電氣主接線架構(gòu)為具有高可靠性的一臺(tái)半斷路器接線，便于擴(kuò)建，沒(méi)有像雙母線帶旁路母線接線那樣，在檢修時(shí)有著煩瑣的倒閘操作。本廠電氣主接線如圖2所示。

2" " 廠用電接線設(shè)計(jì)

本廠有2臺(tái)200 MW及2臺(tái)300 MW共4臺(tái)發(fā)電機(jī)組。高壓廠用工作電壓設(shè)定為6 kV，根據(jù)爐、機(jī)、電的對(duì)應(yīng)性要求，高壓廠用工作電源從發(fā)電機(jī)電壓回路引接，即從主變的低壓側(cè)引接，同時(shí)每一臺(tái)機(jī)組單獨(dú)設(shè)置一個(gè)二分段的單母線，滿足“按爐分段”的原則。每?jī)膳_(tái)機(jī)組設(shè)置一臺(tái)啟動(dòng)/備用電源，其中2臺(tái)200 MW機(jī)組共用一臺(tái)啟動(dòng)/備用電源，從與系統(tǒng)聯(lián)系密切且供電可靠的200 kV母線引接。2臺(tái)300 MW機(jī)組容量較大，共用一臺(tái)啟動(dòng)/備用電源，其啟動(dòng)/備用電源需要具有更高的供電可靠性，設(shè)計(jì)從聯(lián)絡(luò)變壓器低壓繞組引接，220 kV母線和500 kV母線任何一段母線都可為300 MW機(jī)組的啟動(dòng)/備用電源供電。

3" " 變壓器的選擇

3.1" " 主變壓器的選擇

發(fā)電機(jī)與相應(yīng)變壓器采用單元接線方式連接，發(fā)電機(jī)與變壓器為一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。本廠共有4臺(tái)發(fā)變機(jī)組，因此需要4臺(tái)雙繞組主變。周邊有鐵路經(jīng)過(guò)，因此可以不受運(yùn)輸條件的限制而選用三相變壓器。本廠中主變出力較大，且主副邊電壓須維持在一定水平上，因此選用有載調(diào)壓方式的主變，冷卻方式為強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷，其容量按發(fā)電機(jī)額定容量減去廠內(nèi)負(fù)荷后留有10%的裕度。

200×（1-8%）×110%/85%≈238.12 MVAlt;240 MVA

300×（1-8%）×110%/85%≈357.18 MVAlt;360 MVA

200 MW機(jī)組選用240 MVA的主變，300 MW機(jī)組選用360 MVA的主變，容量滿足要求。故200 MW機(jī)組主變選擇SFP7-240000/220，300 MW機(jī)組主變選擇SFP-360000/500。

3.2" " 高廠變及啟備變的選擇

本廠廠用電電壓等級(jí)為6 kV，每一臺(tái)機(jī)組單獨(dú)設(shè)置一個(gè)二分段母線，高壓廠用變壓器可選用全容量的分列式繞組變壓器，兩個(gè)分列繞組分別為兩段母線供電。高廠變?nèi)萘靠砂磸S用電機(jī)械從電源獲得足夠的功率進(jìn)行選擇，啟備變的容量不小于最大一臺(tái)高廠變的容量。因此，200 MW機(jī)組高廠變選擇SFF-31500/15.75，300 MW機(jī)組高廠變選擇SFPF7-40000/18；啟備變選擇SFPF3-31500/220、SFPFZ7-40000/35。

3.3" " 聯(lián)絡(luò)變的選擇

本廠選用自耦變壓器作為連接200 kV與500 kV兩種電壓等級(jí)的聯(lián)絡(luò)變壓器，并在其低壓繞組接啟動(dòng)/備用變壓器。聯(lián)絡(luò)變壓器的容量應(yīng)大于連接在兩種電壓母線上容量最大的機(jī)組。本廠中最大一臺(tái)機(jī)組容量為300 MW，故選擇容量為360 MVA的聯(lián)絡(luò)變壓器。聯(lián)絡(luò)變選擇OSFPSZ-360000/500。

4" " 短路電流的計(jì)算

本設(shè)計(jì)采用運(yùn)算曲線法進(jìn)行工程實(shí)用計(jì)算[7-8]。本系統(tǒng)的等值電路圖如圖3所示，選取了d1（220 kV母線）、d2（500 kV母線）、d3（200 MW發(fā)電機(jī)出口）、d4（300 MW發(fā)電機(jī)出口）、d5～d8（6 kV高壓廠用母線）共八個(gè)短路點(diǎn)進(jìn)行短路電流計(jì)算。

短路電流計(jì)算結(jié)果如表1所示。

5" " 導(dǎo)體及電氣設(shè)備的選擇

5.1" " 斷路器的選擇

以220 kV側(cè)斷路器為例進(jìn)行選擇。220 kV側(cè)雙繞組變壓器回路最大持續(xù)工作電流為：

斷路器的選擇條件：斷路器額定電壓UN≥220 kV；斷路器額定電流IN≥Igmax=648.36 A；額定開(kāi)斷電流INbr≥I″=9.003 1 kA；額定短路關(guān)合電流iNc1≥ich=23.588 1 kA。

初步選擇LW6-220型SF6斷路器，對(duì)斷路器進(jìn)行熱穩(wěn)定及動(dòng)穩(wěn)定校驗(yàn)。短路電流的熱效應(yīng)為：

Qk=（I″2+10Itk/22+Itk2）/12

=（9.003 12+10×7.099 82+7.311 42）/12

≈53.22 （kA）2·s

It2t=212×4=1 764（kA）2·s≥53.22 （kA）2·s，滿足熱穩(wěn)定要求。

ies=53 kA≥ich=23.588 1 kA，滿足動(dòng)穩(wěn)定要求。

斷路器的選擇結(jié)果如表2所示。

5.2" " 隔離開(kāi)關(guān)的選擇

隔離開(kāi)關(guān)與斷路器的選擇方式相同，選擇結(jié)果如表3所示。

5.3" " 載流導(dǎo)體的選擇

導(dǎo)體以220 kV進(jìn)線為例進(jìn)行選擇。每條進(jìn)線的最大輸送功率按200 MW機(jī)組進(jìn)行計(jì)算，最大持續(xù)工作電流為：

按經(jīng)濟(jì)電流密度選擇導(dǎo)體截面積。查圖可知鋼芯鋁絞線的經(jīng)濟(jì)電流密度J=0.94 A/mm2，則導(dǎo)體的經(jīng)濟(jì)截面為：

故選擇型號(hào)為L(zhǎng)GJ-800/55的鋼芯鋁絞線，其長(zhǎng)期允許載流量Ia1=885 A，計(jì)算截面為870.60 mm2gt;300 mm2，故無(wú)須進(jìn)行電暈電壓校驗(yàn)。選擇的是軟導(dǎo)線，故也無(wú)須進(jìn)行動(dòng)穩(wěn)定校驗(yàn)。

KIa1=0.88×885=778.8gt;648.36 A，滿足要求，式中的K為綜合校正系數(shù)，取0.88。

短路電流熱效應(yīng)：

Qk=（I″2+10Itk/22+Itk2）/12

=（9.003 12+10×7.099 82+7.311 42）/12

≈53.22 （kA）2·s

則正常運(yùn)行時(shí)導(dǎo)體的溫度為（取環(huán)境溫度θ=25 ℃）：

θ′=θ+（θa1-θ）Igmax2/Ia12

=25+（70-25）×648.362/8852

≈49.15 ℃

查表可得，熱穩(wěn)定系數(shù)C=95，則滿足短路時(shí)發(fā)熱的最小導(dǎo)體截面積為：

因此所選導(dǎo)體LGJ-800/55型鋼芯鋁絞線滿足熱穩(wěn)定要求。

導(dǎo)體的選擇結(jié)果如表4所示。

6" " 220 kV配電裝置及防雷保護(hù)設(shè)計(jì)

6.1" " 220 kV配電裝置設(shè)計(jì)

結(jié)合本廠情況，220 kV側(cè)采用雙母線帶旁路母線接線方式，由高壓配電裝置的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍可得，220 kV配電裝置采用屋外分相中型配電裝置。母線采用管母線，隔離開(kāi)關(guān)選用GW6型單柱式隔離開(kāi)關(guān)，這樣可以進(jìn)一步壓縮間隔寬度。配電裝置斷面圖如圖4、圖5所示，標(biāo)注單位為毫米。

本廠220 kV側(cè)有4回出線，占據(jù)4個(gè)間隔。#1主變進(jìn)線、#2主變進(jìn)線、啟備變進(jìn)線及聯(lián)絡(luò)變進(jìn)線共4回進(jìn)線，占據(jù)4個(gè)間隔。母聯(lián)、主母線與旁路母線連接線、母線電壓互感器和避雷器占據(jù)3個(gè)間隔。因此，220 kV高壓配電裝置共有11個(gè)間隔?？紤]到電氣安全凈距，每個(gè)電氣間隔取13 m。

6.2" " 220 kV配電裝置防雷保護(hù)設(shè)計(jì)

220 kV電壓等級(jí)侵入波保護(hù)選用Y10W1-200/496氧化鋅無(wú)間隙避雷器。220 kV側(cè)共有兩只構(gòu)架，構(gòu)架高度為14.5 m，構(gòu)架長(zhǎng)143 m，構(gòu)架間距為44.5 m。選用8只高度為30 m的避雷針裝設(shè)在構(gòu)架上，布置位置如圖6所示。通過(guò)計(jì)算，保護(hù)最低點(diǎn)高度均高于所保護(hù)設(shè)備的高度，220 kV配電裝置都在保護(hù)范圍之內(nèi)。

7" " 300 MW發(fā)電機(jī)變壓器組繼電保護(hù)設(shè)計(jì)

繼電保護(hù)應(yīng)滿足四性要求，即選擇性、速動(dòng)性、靈敏性和可靠性。繼電保護(hù)裝置要能可靠反映各種故障和異常運(yùn)行狀態(tài)。300 MW發(fā)電機(jī)變壓器組的保護(hù)裝置配置如表5～7所示。

8" " 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)過(guò)程中遵守國(guó)家政策和相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)程，始終把可靠性放在首位，滿足功能與性能要求，同時(shí)降低運(yùn)行和維修成本，運(yùn)行安全可靠，具有一定參考價(jià)值。

本設(shè)計(jì)中所選用的電氣主接線供電可靠、調(diào)度靈活、檢修方便，并為以后擴(kuò)建及安裝大容量機(jī)組奠定了基礎(chǔ)。所選主變、高廠變、啟備變及聯(lián)絡(luò)變經(jīng)濟(jì)技術(shù)合理。通過(guò)對(duì)短路電流進(jìn)行計(jì)算，選擇了符合要求的導(dǎo)體及電氣設(shè)備，從而使電氣主接線及配電裝置達(dá)到安全經(jīng)濟(jì)的目的。防雷保護(hù)采用8只避雷針對(duì)220 kV配電裝置進(jìn)行防雷。300 MW發(fā)電機(jī)變壓器組保護(hù)分為短路保護(hù)、發(fā)電機(jī)接地保護(hù)、異常運(yùn)行保護(hù)等三部分進(jìn)行配置，滿足大容量機(jī)組對(duì)保護(hù)選擇性、靈敏性及可靠性的要求。

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收稿日期：2022-12-14

作者簡(jiǎn)介：史艷博（1995—），男，內(nèi)蒙古赤峰人，研究方向：電力系統(tǒng)調(diào)度優(yōu)化、多脈波變壓整流技術(shù)。