發電廠高壓廠用電系統的安全與穩定性研究

黃亞軍，楊開黎，姜 平

（1. 國電哈爾濱熱電有限公司，哈爾濱 150060；2. 哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040）

前言

隨著國民經濟對電力的需求越來越旺盛，目前國內逐漸建成了許多新的大型火力發電廠、核電發電廠和水力發電廠。發電廠的高壓廠用電系統正常運行才能保證機組生產電力，廠用電系統一旦出現問題，就影響到機組的勵磁系統供電，使機組停機，嚴重時發電機組可能遭到破壞。發電廠的廠用電系統接線形式與機組容量密切相關，單機容量越大，發電廠在電力系統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，機組的控制系統的自動化水平越高、相應地對廠供電系統的安全、穩定性的要求也就越苛刻。不僅要求機組在正常運行和起停時有安全可靠的供電能力，而且要求電廠各系統輔機故障或電力系統發生短路造成系統電壓波動、頻率搖擺等事故狀態下，都應該提供可靠的供電。

雖然廠用電系統的投資一般只占電廠總投資的5%-10%，但是由于機組長期停役而引起的非直接性投資，主要設備的維修費用，以及使用備用電源所增加的成本，這些額外的附加投資，可能超過廠用電系統的總投資。所以規劃和設計廠用電系統時，必須充分意識到它在電廠生產中的重要地位，并盡可能設計出安全、穩定、運行靈活的廠用電系統。因此本文初步系統地討論在保證發電廠廠用電系統的安全性和穩定性方面需要注意的問題。

1 廠用電電壓等級選擇

目前，國內發電廠高壓廠用電電壓等級為3kV、6 kV、10kV電壓等級。一般按這樣的原則來選擇火電廠用電電壓等級：發電機容量60MW以下，發電機電壓等級為10.5kV時，可采用3kV作為高壓廠用電電壓；發電機容量在100-300MW時，宜選用6kV作為廠用高壓電壓；容量 300MW 及以上時，從技術經濟方面考慮，可采用兩種高壓廠用電壓，即3kV和10kV。

水電廠廠用電壓等級，通常只設380V/220V電壓等級，但是壩區和水力樞紐有些大型機械，如閘門啟閉裝置、航運使用的船閘或升降機等設施用電，常需另設壩區變壓器，以6-10kV電壓供電。但是發電廠在設計廠用電系統時，常常要結合以下情況：機組數量及單機容量、廠用電接線方式、短路電流水平、設備制造水平、母線電壓水平、電動機情況、電氣設備布置情況等進行幾種方案設計，再進行可行性評估選用合適的電壓等級。華北電力設計院的張熠在對600MW空冷機組高壓廠用電電壓等級選擇時[1]，提出以下 3種方案。方案1：10.5kV-3.15kV兩級高壓廠用電電壓。方案 2：10.5kV一級高壓廠用電電壓。方案 3：10.5-6.3kV兩級高壓廠用電電壓。

通過對比分析，結合多年電廠運行經驗，筆者認為10.5-6.3kV兩級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、節省主廠房內電氣面積，而且經濟性最好。此方案在技術性、經濟性兩方面具有的明顯優勢。

目前，國內運行和在建的1000MW機組中，高壓廠用電電壓基本采用 3個方案，即 1個電壓等級10kV(方案1)；2個電壓等級10kV和6kV(方案2)；2個電壓等級10kV和3kV(方案3)。3個方案的論證是在發電機出口不裝設斷路器，考慮每臺機設置2臺同容量的高壓廠用變壓器，2臺機共設置2臺高壓啟動／備用變壓器的前提條件下進行的。狄瑩[2]通過對變壓器容量、電壓波動、電動機啟動、短路電流等方面比較分析，認為方案1相對于方案2和方案3除10kV小容量電機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的設備型號較方案1增多，造成維護檢修、運行管理工作量加大。因此，狄瑩論證的結論認為 1000MW 機組高壓廠用電采用 10kV1個電壓等級更為合理。

2 廠用電系統中性點接地方式選擇

目前，國內大型機組的高壓廠用電系統的中性點接地方式主要有3種，即中性點不接地方式、中性點經電阻接地方式和中性點經消弧線圈接地方式[3]。高壓廠用電中性點接地方式的選擇與接地電容電流大小有關，由于設計中常用的計算方法在運行中往往與實測值發生較大偏差，因此需要采用實測的方法獲得電容電流的數值。對于125MW及以下機組或廠用母線段對地電容電流小于5A時，宜采用中性點不接地方式；對于 200MW 及以上機組或廠用母線段對地電容電流在5-10A之間，宜采用高電阻接地方式，如果中性點沒有接入高電阻，最好采用專用接地變壓器，即采用間接接入電阻的方法；如廠用母線段對地電容電流大于10A時，宜采用消弧線圈接地方式；隨著電力電子技術得到廣泛的應用，有條件的發電廠可采用智能化的快速消弧系統[4]。

隨著 600MW 及1000MW大容量機組越來越多地采用超臨界參數、電動給水泵容量和廠用電負荷大幅度增加，對高壓廠用電接線的設計提出了更高要求，因此以下幾方面因素對超臨界機組廠用電接線的影響需要考慮[5]：機組的輔機容量、電動給水泵容量、脫硫裝置的容量；廠用電系統設備的短路承受水平；采用發電機出口設置的斷路器；發電廠公共用電的供電方式。

3 繼電保護裝置的應用

用戶內部高壓線路的電壓等級一般為6-35kV，線路較短，通常為單端供電，常見故障有相間短路、單相接地和過負荷等。供電線路裝設帶時限的過電流保護和瞬時電流速斷保護，斷路器跳閘作為相間短路的保護；供電線路裝設絕緣監視裝置（零序電壓保護）或單相接地保護（零序電流保護），作為單相接地故障保護。在可能出現過負荷的線路上裝設過負荷保護。供電線路越靠近電源，過電流保護的動作時限越長，而短路電流越大，危害也越大，這是過電流保護的不足。因此，GB50062-92規定當過電流保護動作時限超過0.5-0.7s時，應裝設瞬動的電流速斷保護。

一般用于過電流保護的裝置有：熔斷器保護、低壓斷路器保護和繼電保護。熔斷器保護適用于高低壓供電系統，由于其裝置簡單經濟，所以在用戶供電系統中應用非常廣泛；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供電，因此在要求供電可靠性高的場所不宜采用熔斷器保護（過負荷、短路保護）。低壓斷路器保護又稱低壓自動開關保護，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中（過負荷、短路保護、低電壓或失壓保護）。繼電保護適用于要求供電可靠性較高、操作靈活方便特別是自動化程度較高的高壓供配電系統中[6]。

三峽左岸安裝的14臺機組初期發電時，由于機端短路電流太大以及造價、安裝空間等限制因數，機端未安裝繼電保護裝置——出口斷路器，致使機組停機時，與該機組相連接的廠用母線失電，造成機組供電的廠用電系統的可靠性較差[7]。

電廠及變電所供電系統對繼電保護裝置基本要求是：(1)當供電系統發生故障時，只離故障點最近的電源側保護裝置動作，切除故障，而供電系統的其他部分仍然正常運行。(2)為了防止故障擴大，減輕其危害程度，并提高電力系統運行的穩定性，因此在系統發生故障時，保護裝置應盡快地動作，切除故障。(3)保護裝置在該動作時，不應拒動；而不該動作時，不應誤動。保護裝置的可靠程度，與保護裝置的元件質量、接線方案以及安裝、整定和運行維護等多種因素有關。

4 集成化的多功能綜合繼電保護裝置

隨著電子技術的發展，出現了集成化的多功能綜合繼電保護裝置及操作過電壓吸收裝置所組成的具有各種保護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)構成的開關回路（F-C開關回路），主要用于高壓電動機和變壓器的操作和保護。

高壓真空接觸器典型的特點是：回路簡單、原理清晰，但在實際應用時以下兩個問題需要優化處理：（1）沒有防跳回路。防跳功能能夠防止在合閘信號和分閘信號持續時，造成開關頻繁自動合分的跳躍現象，跳躍時斷路器的斷流能力下降容易發生爆炸事故。高壓真空接觸器控制和保護的負載多為高壓電動機，高壓電動機啟動電流較大(一般為額定電流的4-6倍)，控制回路沒有防跳功能的接觸器在設備出現障時會對電網形成很大沖擊，造成系統配電設備和負載的嚴重受損。因此，有必要對高壓真空接觸器設計防跳回路。（2）不能實現分、合閘回路斷線報警功能。高壓真空接觸器的合閘控制是通過合閘輔助繼電器來實現的，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到動作電壓而合閘，另一方面合閘監視繼電器的分壓達不到動作電壓而顯示控制回路斷線。

對于電氣保持型高壓真空接觸器，上述問題的解決方案：重新設計了合閘、分閘控制回路及檢測電路，利用跳閘輔助繼電器和它的輔助常開點來實現防跳功能；真空接觸器與綜合保護裝置配合，來實現分、合閘回路斷線監測功能。

目前，F-C開關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間較快，一般弧前時間不超過10ms。6kV用電系統最大運行方式下三相短路電流20.528kA，最小運行方式下兩相短路電流16.6kA，F-C開關的遮斷容量4000A，當負荷開關下口出現短路故障時，短路電流一般都超過 F-C開關的遮斷容量，這時開關所配置的速斷保護不應動作，要靠高壓熔斷器熔斷切斷故障電流。

短路時電流互感器會嚴重飽和，二次電流波形產生了嚴重畸變，變成很窄的尖脈沖，其頂值不及實際頂值的一半，造成保護裝置采樣值失真。目前我國6kV微機綜合保護的采樣頻率普遍不高，而且都是利用一定長度數據窗內的若干個采樣數據計算電流的大小，如果二次電流的波形變成很窄的尖脈沖，在一個數據窗內可能僅采樣到很少幾個點（甚至采樣不到）的真實故障數據，其他各點采樣值接近于零，這樣計算出來的故障電流肯定偏小。

在F-C回路中，重要的問題是短路和過載保護配合交接點的斷流能力。通過微機綜合保護裝置動作電流及時間的整定，小于交接點的電流按保護的整定值使真空接觸器跳閘， 大于交接點的電流則使限流熔斷器斷開，實現短路電流保護。

目前，我國6kV系統屬不接地系統，既以不接地和中阻接地較多。不接地系統接地電流很小，電流多是容性的，接地電流不超過5A，中阻接地系統接地電流較大，一般在200-600A之間，單相接地電流不會影響到F-C開關的遮斷容量，但是必須考慮兩點接地的可能，出現兩點接地時，接地電流是很大的，在某些情況下一點接地過渡到兩點接地的情況是很快的，所以，這時應考慮兩點接地的問題，零序保護時間需要加延時。

5 廠用電源快切裝置

火力發電廠廠用電系統一般都具有兩個電源：即廠用工作電源和備用（啟動）電源。目前絕大多數大型機組火力發電廠都采用單元接線，正常運行時機組廠用電由單元機組供電，停機狀態由備用電源供電，機組在啟動和停機過程都必須帶負荷進行廠用電切換。另外，當機組或廠用工作電源發生故障時，為了保證廠用電不中斷及機組安全有序地停機，不擴大事故，必須盡快把廠用電電源從工作電源切換到備用電源。廠用電系統切換分為兩類：即機組啟動、停機過程的正常切換和故障情況下的事故切換。

發電廠中廠用電的安全可靠直接關系到發電機組乃至整個電力系統的安全運行。因此人們倍加重視廠用電的可靠性，這主要表現在對備用電源自動投入裝置的設計上。以往廠用電切換大都采用工作電源的輔助接點直接（或經低壓繼電器、延時繼電器）起動備用電源投入。這種方式未經同步檢定，造成廠用電動機易受沖擊。

為解決廠用電的安全穩定運行，生產廠家專門研制了微機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、頻率相差過大時合閘而對電機造成沖擊，如失去快速切換的機會，則裝置自動轉為同期判別或判殘壓、長延時的慢速切換狀態，同時在電壓跌落過程中，可按延時甩去部分非重要負荷，以利于重要輔機的自起動，提高廠用電切換的成功率。

目前市場上出現的多微機同期快切復用裝置，在用電事故切換過程中不損失任何廠用負荷，并根除變壓器勵磁涌流的影響。多微機同期快切復用裝置的特點是斷路器兩側都有電源，當兩側電源是相互獨立的電源時，此時的同期操作屬差頻同期性質，在兩側頻差及壓差滿足整定值時，捕捉相位差為零的時機完成同期操作。

6 結論

隨著超臨界機組的廣泛應用，對大容量機組的廠用電系統的安全穩定性提出了更高的要求。在廠用電系統的設計方面，應注重廠用電電壓等級方案優化、供電系統中性點接地方式選擇、供電系統的繼電保護裝置的選擇、廠用電電源快切換裝置的選擇等方面，本文討論的幾個方面內容希望能對高壓廠用電系統的優化設計有些參考作用。

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

[2]狄 瑩. 1000 MW 機組高壓廠用電電壓等級優化[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中性點接地方式的選擇[J]. 電力建設，2006(12):70-71.

[4]王波，高超平. 發電廠高壓廠用電系統接地問題探討[J]. 長沙電力學院學報，2003(4):54-56.

[5]楊東阿. F-C回路的設計應用[J]. 電源技術，2009（8）: 19-21.

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

[7]劉耀丹, 鄧漢明, 陳世元. SID-8BT型多微機同期快切復用裝置在大型發電廠中的應用[J].寧波職業技術學院學報，2008(5):5-8.