1 000 MW機(jī)組電氣主接線方案研究

秦志英

(河南省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，鄭州市，450007)

0 引言

隨著發(fā)電單機(jī)容量的不斷增大，1 000 MW容量機(jī)組開始在我國(guó)部分地區(qū)陸續(xù)建設(shè)，對(duì)大型發(fā)電廠電氣主接線進(jìn)行研究顯得尤為必要。電氣主接線是發(fā)電廠電氣設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，主接線的確定對(duì)發(fā)電廠運(yùn)行的可靠性、靈活性和經(jīng)濟(jì)性有較大影響，與電氣設(shè)備的選擇、配電裝置的布置、繼電保護(hù)和控制方式的擬定密切相關(guān)。因此，必須全面分析研究各種影響因素，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，確定電氣主接線最佳方案。

1 工程概況

平頂山第二發(fā)電廠規(guī)劃容量4×1 000 MW，一期工程建設(shè)規(guī)模為2×1 000 MW超超臨界國(guó)產(chǎn)化燃煤發(fā)電機(jī)組，并留有擴(kuò)建余地。

平頂山第二發(fā)電廠一期工程符合河南省電源規(guī)劃布局，作為豫南火電基地重要的骨干電廠，對(duì)河南省500 kV網(wǎng)架起到強(qiáng)有力的支撐作用;符合華中電網(wǎng)及河南省電源布局和一次能源的流向，有利于南北水火電調(diào)劑運(yùn)行。本工程全部建成后，將成為河南電力系統(tǒng)的主力電廠，對(duì)電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟(jì)、可靠運(yùn)行具有重要作用。

2 設(shè)計(jì)原則

根據(jù)電廠的具體情況，電氣主接線設(shè)計(jì)中除應(yīng)滿足可靠性、靈活性和經(jīng)濟(jì)性3項(xiàng)基本要求外，還應(yīng)滿足大機(jī)組、超高壓對(duì)主接線的特殊要求:

(1)任何一臺(tái)斷路器檢修，不影響另一臺(tái)機(jī)組對(duì)系統(tǒng)的連續(xù)供電;

(2)任一臺(tái)斷路器故障或拒動(dòng)，不應(yīng)切除2臺(tái)及以上機(jī)組和相應(yīng)的線路;

(3)斷路器在事故和檢修故障相重合情況下，停電線路不多于2回。

3 電氣主接線方案

3．1 本期工程與系統(tǒng)的連接方式

本工程接入系統(tǒng)條件為:“電廠本期2×1 000 MW機(jī)組以500 kV一級(jí)電壓接入系統(tǒng)，出線2回接入平頂山變。遠(yuǎn)期4×1 000 MW 機(jī)組，共3回500 kV出線。”

3．2 電氣主接線方案

電廠本期2×1 000 MW機(jī)組以500 kV一級(jí)電壓接入系統(tǒng)，出線2回接入平頂山變。遠(yuǎn)期4×1 000 MW機(jī)組，共3回500 kV出線。根據(jù)電廠系統(tǒng)條件，擬定了4個(gè)電氣主接線方案。

方案1。如圖1所示，2臺(tái)機(jī)組均由發(fā)電機(jī)－變壓器組接入500 kV升壓站，本期500 kV電壓即采用一個(gè)半斷路器接線，啟/備電源由500 kV一組母線引接。該方案接線運(yùn)行靈活、操作方便、機(jī)組運(yùn)行及啟/備電源的引接可靠性高、擴(kuò)建方便。

圖1 一個(gè)半斷路器接線Fig.1 Program 1 one and a half circuit-breakers connection

方案2。如圖2所示，為簡(jiǎn)化接線，節(jié)省本期投資，將方案1的接線簡(jiǎn)化為五角形接線;遠(yuǎn)期過渡為一個(gè)半斷路器主接線。布置均按一個(gè)半斷路器接線方式。該方案投資較省，在接線閉環(huán)運(yùn)行時(shí)可靠性、靈活性較高，操作方便，啟/備電源的引接可靠性較高。

圖2 五角形接線Fig.2 Program 2 pentogon connection

方案3。如圖3所示，2臺(tái)機(jī)組均采用發(fā)電機(jī)－變壓器－線路組接線方式，啟/備電源由2臺(tái)機(jī)主變高壓500 kV側(cè)T接;遠(yuǎn)期過渡為一個(gè)半斷路器主接線。該方案接線簡(jiǎn)單、操作方便、機(jī)組運(yùn)行及啟/備電源的引接可靠性高、擴(kuò)建較方便。

方案4。如圖4所示，2臺(tái)機(jī)組均采用發(fā)電機(jī)－變壓器－線路組接線方式，啟/備電源由距電廠約15 km的220 kV魯山變220 kV母線引接;500 kV遠(yuǎn)期過渡為一個(gè)半斷路器主接線。該方案接線簡(jiǎn)單、機(jī)組運(yùn)行及啟/備電源的引接可靠。

3．3 500 kV電氣主接線方案技術(shù)分析

3．3．1 500 kV電氣主接線設(shè)計(jì)考慮因素

(1)電廠接入系統(tǒng)條件:電廠本期2×1 000 MW機(jī)組以500 kV一級(jí)電壓接入系統(tǒng)，出線2回接入平頂山變。遠(yuǎn)期4×1 000 MW機(jī)組，共3回500 kV出線。

(2)本工程500 kV出線19 km。

根據(jù)2007年電力可靠性指標(biāo)發(fā)布會(huì)公布的2006年度電力可靠性指標(biāo)，計(jì)算出本工程500 kV架空線路停運(yùn)率及停運(yùn)時(shí)間，見表1。

根據(jù)表1分析，本工程500 kV線路只有19 km，故障率很低，年強(qiáng)迫停運(yùn)次數(shù)0.026 2次，即38.2年強(qiáng)迫停運(yùn)1次。采用發(fā)電機(jī)－變壓器－線路組接線，可靠性滿足要求，也是適宜的。

表1 500 kV架空線路強(qiáng)迫停運(yùn)率及停運(yùn)時(shí)間Tab.1 500 kV overhead lines forced outage rate and outage time

(3)由于本廠為新建電廠，發(fā)電機(jī)升高電壓為500 kV一級(jí)，本廠無其他較低一級(jí)發(fā)電機(jī)升高電壓。因此，電氣主接線應(yīng)充分考慮啟/備電源的引接方式。

3．3．2 方案技術(shù)分析

(1)方案1技術(shù)分析。

在電廠內(nèi)設(shè)500 kV母線，2臺(tái)機(jī)組均以發(fā)電機(jī)－變壓器組單元接線，接入電廠500 kV母線，500 kV出線2回接入平頂山500 kV變電站;500 kV接線擬采用一個(gè)半斷路器接線，本期設(shè)2個(gè)完整串，主變進(jìn)線與出線配對(duì)成串，同名回路配置在不同串內(nèi)且接入不同側(cè)母線。遠(yuǎn)期4×1 000 MW 機(jī)組，500 kV仍然為一個(gè)半斷路器接線，為4個(gè)完整串。此方案可靠性高。高壓?jiǎn)?備變電源從500 kV母線經(jīng)斷路器直接引接，可靠性滿足要求。

(2)方案2技術(shù)分析。

該方案技術(shù)上可以滿足要求，缺點(diǎn)是本期為五角形接線，角數(shù)太多，任一臺(tái)斷路器檢修，都成開環(huán)運(yùn)行，從而降低了接線的可靠性。遠(yuǎn)期過渡為一個(gè)半斷路器接線時(shí)，改造工作量較大。

(3)方案3技術(shù)分析。

電廠本期2×1 000 MW機(jī)組2回500 kV出線接入平頂山500 kV變，500 kV線路僅有19 km，因此電廠本期擬2臺(tái)機(jī)組均采用發(fā)電機(jī)－變壓器－線路組接線，啟/備電源從2臺(tái)機(jī)主變500 kV側(cè)T接。機(jī)組及啟/備電源可靠性較高。遠(yuǎn)期過渡為一個(gè)半斷路器主接線。

需要特別指出，此方案接線看似“擴(kuò)大內(nèi)橋接線”，但設(shè)計(jì)建議采用如下的運(yùn)行方式與保護(hù)配置:

1)發(fā)電機(jī)采用發(fā)電機(jī)－變壓器－線路組方式運(yùn)行。繼電保護(hù)按如下原則配置，單元中發(fā)電機(jī)、變壓器、線路任一元件故障均聯(lián)跳整個(gè)單元及機(jī)組停運(yùn)。

2)啟/備電源T接2臺(tái)機(jī)主變500 kV側(cè)，其可靠性較高。

以上運(yùn)行方式不采用“擴(kuò)大內(nèi)橋接線”，即1線2機(jī)、1號(hào)線路帶2號(hào)機(jī)、2號(hào)線路帶1號(hào)機(jī)等運(yùn)行方式，使得運(yùn)行方式簡(jiǎn)單、可靠，避免了“擴(kuò)大內(nèi)橋接線”運(yùn)行方式復(fù)雜及保護(hù)配置復(fù)雜的問題。

(4)方案4技術(shù)分析。

本期采用發(fā)電機(jī)－變壓器－線路組接線，遠(yuǎn)期過渡為一個(gè)半斷路器接線。機(jī)組運(yùn)行可靠性可以滿足要求。啟/備電源擬由距電廠約15 km的220 kV魯山變220 kV母線引接1回220 kV電源，魯山變220 kV為雙母線接線，共2回出線與系統(tǒng)連接。因此，該電源可靠性較高，能夠滿足運(yùn)行需要。

各方案的技術(shù)比較見表2。

總之，由于本工程500 kV線路僅19 km，4個(gè)方案雖然差異很大，但機(jī)組運(yùn)行的可靠性相差不大，都很可靠，啟/備電源的引接也都能滿足要求。

3．4 500 kV電氣主接線方案經(jīng)濟(jì)比較

遠(yuǎn)期電廠500 kV接線各方案均為一個(gè)半斷路器接線，投資無差別，僅啟/備電源的引接方案1、2、3投資相同，方案4初投資及運(yùn)行費(fèi)用均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他方案。

本期電廠500 kV接線及啟/備電源的引接各方案差異較大，詳細(xì)經(jīng)濟(jì)比較見表3。

從表3可以看出，方案1初期投資最高，方案1比方案2高出約591.8萬元，比方案3高出約1 182.1萬元，比方案4高出約841.7萬元。

另外根據(jù)河南省發(fā)改委文件，由系統(tǒng)引接電源時(shí)，按大用戶用電標(biāo)準(zhǔn)收費(fèi)，根據(jù)廠用電計(jì)算負(fù)荷，本廠需選用 78/45－45 MVA的啟/備變，按20元/(kVA·月)收取基本容量費(fèi)。每年僅此一項(xiàng)需繳納1 872萬元，同時(shí)還應(yīng)按需交納電度電費(fèi)和對(duì)啟/備電源的220 kV線路進(jìn)行維護(hù)。因此，方案4的運(yùn)行費(fèi)用很高。

4 關(guān)于裝設(shè)發(fā)電機(jī)出口斷路器的方案分析

4．1 發(fā)電機(jī)出口斷路器的技術(shù)分析

4．1．1 裝設(shè)發(fā)電機(jī)出口斷路器的依據(jù)

根據(jù)DL 5000—2000《火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定:“技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理時(shí)，容量為600 MW 機(jī)組的發(fā)電機(jī)出口可裝設(shè)斷路器或負(fù)荷開關(guān)，此時(shí)，主變壓器或高壓廠用工作變壓器應(yīng)采用有載調(diào)壓方式。”1 000 MW級(jí)機(jī)組參照?qǐng)?zhí)行此規(guī)定。

4．1．2 裝設(shè)發(fā)電機(jī)出口斷路器的優(yōu)勢(shì)

(1)發(fā)電機(jī)出口裝設(shè)斷路器，機(jī)組的啟動(dòng)電源通過主變壓器倒送電經(jīng)廠用工作變壓器取得，發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)后通過發(fā)電機(jī)出口斷路器并網(wǎng)，整個(gè)過程都不需要進(jìn)行廠用電切換。

(2)同期點(diǎn)由發(fā)電機(jī)出口斷路器來實(shí)現(xiàn)，比較的電壓是斷路器兩側(cè)的同級(jí)電壓，簡(jiǎn)化了同期操作程序。

(3)當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)，斷路器可以在不失去廠用電源的條件下切除發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障影響，保證了故障情況下的安全停機(jī)。同時(shí)，限制故障影響范圍擴(kuò)大，提高發(fā)電機(jī)、變壓器運(yùn)行的安全性。

(4)裝設(shè)發(fā)電機(jī)出口斷路器，發(fā)電機(jī)負(fù)序保護(hù)會(huì)在負(fù)序電流對(duì)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生危害之前，啟動(dòng)發(fā)電機(jī)出口斷路器跳閘回路，可減小由于主變壓器高壓側(cè)斷路器非全相運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的過大負(fù)序電流對(duì)發(fā)電機(jī)的損害。

(5)當(dāng)主變或高廠變內(nèi)部故障時(shí)，可盡快切除發(fā)電機(jī)回路，減小變壓器遭受的損失。

4．1．3 裝設(shè)發(fā)電機(jī)出口斷路器的其他特點(diǎn)

(1)裝設(shè)發(fā)電機(jī)出口斷路器，增加了主回路串聯(lián)電氣元件，增加了發(fā)電機(jī)出口故障概率。因此，對(duì)發(fā)電機(jī)出口斷路器本身的可靠性要求很高。

表3 500 kV電氣主接線方案經(jīng)濟(jì)比較表Tab.3 Economy comparison of the 500 kV main electrical connection programs

(2)與1 000 MW機(jī)組配套的發(fā)電機(jī)出口斷路器的參數(shù)一般為:額定電壓30 kV，額定電流28 kA，額定開斷電流160 kA，直流分量要求在75%以上。目前，國(guó)內(nèi)尚無能力生產(chǎn)與600 MW及以上機(jī)組配套發(fā)電機(jī)出口斷路器(SF6)。國(guó)內(nèi)現(xiàn)在運(yùn)行的大型發(fā)電機(jī)出口斷路器，均是由 ABB、GEC-ALSTOM(阿爾斯通)或HITACHI(日立)等公司進(jìn)口的產(chǎn)品。對(duì)于1 000 MW機(jī)組配套的發(fā)電機(jī)出口斷路器，各項(xiàng)參數(shù)均滿足要求的、運(yùn)行可靠的制造商更少，因此其價(jià)格昂貴。

4．1．4 裝設(shè)發(fā)電機(jī)出口斷路器對(duì)高壓廠用啟/備變壓器配置的影響

根據(jù)DL/T 5153—2002《火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》的規(guī)定:“容量為600 MW 的機(jī)組，當(dāng)發(fā)電機(jī)出口不裝設(shè)斷路器或負(fù)荷開關(guān)時(shí)，每2臺(tái)機(jī)組應(yīng)設(shè)置1臺(tái)或2臺(tái)高壓廠用啟/備變壓器，且在配置2臺(tái)時(shí)應(yīng)考慮1臺(tái)高壓廠用啟/備變壓器檢修時(shí)，不影響任一臺(tái)機(jī)組的啟停;當(dāng)發(fā)電機(jī)出口裝設(shè)斷路器或負(fù)荷開關(guān)時(shí)，4臺(tái)及以下機(jī)組可設(shè)置1臺(tái)高壓廠用啟/備變壓器，其容量可為1臺(tái)高壓廠用工作變壓器的60%～100%。”

4．2 本工程裝設(shè)發(fā)電機(jī)出口斷路器的方案分析

本工程如采用裝設(shè)發(fā)電機(jī)出口斷路器，則主接線可采用3.3.2中的方案4:發(fā)電機(jī)－變壓器－線路組接線，只是在發(fā)電機(jī)出口增設(shè)斷路器。此時(shí)，高壓廠用備用變壓器的功能系作為機(jī)組的事故停機(jī)電源和高壓廠用工作變壓器的檢修備用，因此備用/停機(jī)變壓器的容量可采用高壓?jiǎn)?備變壓器78/45－45 MVA的約60%，取50/31.5－31.5 MVA。備用/停機(jī)電源由系統(tǒng)220 kV母線引接。

根據(jù)河南省發(fā)改委文件，由系統(tǒng)引接電源時(shí)，按大用戶用電標(biāo)準(zhǔn)收費(fèi)，備用/停機(jī)變壓器選用50/31.5－31.5 MVA，按20元/(kVA·月)收取基本容量費(fèi)，每年僅此一項(xiàng)需繳納1 200萬元，同時(shí)還應(yīng)按需交納電度電費(fèi)。因此，運(yùn)行費(fèi)太高，限制了發(fā)電機(jī)出口斷路器的使用。

發(fā)電機(jī)出口裝設(shè)斷路器雖然有明顯技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但制約其采用的主要因素是發(fā)電機(jī)出口斷路器的價(jià)格較貴(每臺(tái)約1 100萬元)，加之在河南省區(qū)域運(yùn)行費(fèi)用昂貴。

因此，本工程采用不裝設(shè)發(fā)電機(jī)出口斷路器方案。

5 結(jié)論

本工程遠(yuǎn)期方案是明確的，主要是擬定選擇最佳的本期方案，通過以上分析研究可以得出如下結(jié)論:

(1)方案1可靠性很高，對(duì)1 000 MW機(jī)組和超高壓的接線本方案最合適。啟/備電源從廠內(nèi)500 kV母線引接，技術(shù)上很佳，本期初投資較高，下期擴(kuò)建很方便。

(2)方案2較方案1簡(jiǎn)化，但對(duì)1 000 MW機(jī)組和超高壓的接線，角數(shù)稍多，可靠性稍低，且投資仍較高。下期擴(kuò)建本期配電裝置需完善，保護(hù)需改造，擴(kuò)建工作量大。

(3)方案3本期簡(jiǎn)化適度，初投資最低;采取限制運(yùn)行方式，使得機(jī)組運(yùn)行、啟/備電源引取及其保護(hù)配置避開了復(fù)雜的情況，同時(shí)可靠性提高;但該接線不是常規(guī)接線，不利于運(yùn)行管理。下期擴(kuò)建本期配電裝置需完善，保護(hù)需改造，擴(kuò)建工作量大。

(4)方案4可靠性很高，接線對(duì)機(jī)組的適應(yīng)性很好，但沒有很好地解決啟/備電源引接問題，使其從系統(tǒng)引接初投資高、運(yùn)行費(fèi)用也高。下期擴(kuò)建本期配電裝置需完善，保護(hù)需改造，擴(kuò)建工作量大。

考慮到工程的規(guī)劃容量(4×1 000 MW)，方案1雖然本期投資較高，但可靠性高、擴(kuò)建很方便，擴(kuò)建時(shí)不需停電，避免了擴(kuò)建停電所引起的經(jīng)濟(jì)損失，最終投資不高，并減少了過渡改造費(fèi)用。因此，本期工程電氣主接線推薦采用方案1:2臺(tái)機(jī)組均由發(fā)電機(jī)－變壓器組接入500 kV升壓站，本期500 kV電壓即采用一個(gè)半斷路器接線，啟/備電源由500 kV一組母線引接。

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