淺析電廠1000MW機組廠用電壓等級的選擇優化

李建強

（大唐三門峽電力有限責任公司，河南 三門峽 472143）

隨著我國經濟的發展，用電需求量越來越大，煤耗小、廠用電率低、每千瓦投資較省的大容量（1000MW）燃煤機組將逐步越來越多的投入電力市場。這些大容量的發電機組今后將成為電力系統的主力機組。然而，隨著機組容量的加大，廠用電系統的規模及輔機容量也有較大幅度的提高，隨之帶來廠用電用電負荷的增大和高壓廠用變壓器及起動備用變壓器容量的增大。單臺變壓器的容量增大，變壓器低壓側短路電流隨之增大。為了滿足電動機起動、自起動及電壓水平的要求并將高廠變低壓側短路電流限制到合理水平，僅靠改變高壓廠用變壓器阻抗已不能滿足要求，高壓廠用變壓器低壓側還應考慮采用10kV、6kV等不同電壓等級。

發電廠廠用電系統是電廠的重要組成部分，合理的廠用電接線對于保證機組的安全連續運行，降低廠用電率，方便操作和維護，節省投資有著重要的意義。高壓廠用電電壓的選取與，與高壓廠用電接線方式、廠用電負荷容量、最大單臺電動機功率、設備制造能力、短路電流大小、電動機起動母線電壓水平等諸多因素有關。本文根據公司1000MW機組工程的特點，對不同電壓等級和接線的廠用電方案進行技術經濟比較，從整體進行優化設計，來選擇確定最優廠用電接線方案。

1 廠用系統設計方案

根據發電廠高壓廠用電系統設計經驗，在滿足電動機起動及自起動電壓水平校驗，將廠用母線短路水平限制到一定水平的情況下，應選擇較簡單的廠用電系統接線和合理的廠用電電壓，以滿足較好的技術和經濟要求。

1.1 廠用系統設計方案1

廠用電系統設置 10kV一級電壓，每臺機設兩段10kV母線；每臺機設一臺高壓廠用分裂變壓器，兩臺機組設一臺有載調壓分裂變壓器作為起動/備用電源。圖1為10kV廠用電系統接線圖。

圖1 10kV廠用電系統接線圖

根據1000MW機組負荷要求，采用10kV一級電壓。每臺機組設置一臺68/38-38MVA的無勵磁調壓分裂高壓廠用工作變壓器，電源由發電機出口引接。每臺機組設兩段 10kV工作母線，向本單元機組廠用負荷供電（包括脫硫裝置用電負荷），不設置高壓公用段，全廠公用負荷分接于#5機和#6機10kV廠用工作母線段上。兩臺機組設一臺68/38-38MVA的有載調壓高壓起動/備用變壓器，電源由本廠500kV母線引接。

1.2 廠用系統設計方案2

廠用電系統設置6kV一級電壓，每臺機設三段6kV母線；每臺機設一臺高壓廠用工作分裂變壓器及一臺高壓廠用公用雙卷變壓器，兩臺機組設一臺分裂變壓器及一臺雙卷變壓器作為起動/備用電源。圖2為10kV廠用電系統接線圖。

根據1000MW機組負荷要求，采用6kV一級電壓。每臺機組設置一臺50/29-29MVA的無勵磁調壓分裂高壓廠用工作變壓器及一臺 20MVA的無勵磁調壓雙卷高壓廠用公用變壓器，電源由發電機出口引接。每臺機組設2段6kV工作母線及1段主廠房6kV公用母線，本單元機組廠用負荷接于對應機組6kV廠用工作母線段上，全廠公用負荷及脫硫負荷分接于每臺機組6kV廠用公用母線段上。兩臺機組設兩臺同高壓廠用變壓器同容量的起動/備用電源變壓器，電源由本廠500kV母線引接。

圖2 10kV廠用電系統接線圖

1.3 廠用系統設計方案3

廠用電系統設置6kV一級電壓，每臺機設兩段6kV母線；每臺機設一臺高壓廠用分裂變壓器，兩臺機組設一臺有載調壓分裂變壓器作為起動/備用電源。高廠變、起備變容量及廠用母線段的設置同方案一。

1.4 各方案短路電流、電壓調整、電動機起動壓降及設備選擇

滿足母線的電壓波動及電動機起動時母線的電壓水平，限制廠用母線的短路水平，這是兩個相互制約的因素。變壓器阻抗越小對電動機起動越有利，但變壓器阻抗越小，廠用母線的短路電流越大，過大的短路電流，將使廠用電投資有很大的增加，甚至選擇設備困難。選擇一個合適的變壓器阻抗，使其既滿足電壓波動和電動機起動的要求又能很好的限制短路電流，是高壓廠用電系統設計很重要的因素。經過對三種方案進行短路電流計算、電壓調整、電動機起動壓降等計算，結果表明：上述方案一、二廠用母線的短路水平能控制在可選范圍內，電壓波動水平和電動機起動壓降均能滿足《火力發電廠廠用電技術規定》的要求。兩方案都是可行的。而方案三，0s三相短路電流值超出50kA，目前要選擇開斷電流為＞50kA的設備比較困難，同時相應的熱穩定截面電纜太大。因此，方案三的技術經濟性較差，淘汰方案三。以下僅對方案一及方案二進行詳細的技術和經濟比較。

2 廠用系統設計方案技術方面對比

2.1 主要電氣設備的選擇及生產情況

1）廠用變壓器

從廠用變壓器設備供貨上看，低壓側為10.5kV-10.5kV的分裂變壓器及低壓側為6.3kV-6.3kV的分裂變壓器屬于常規產品。容量為68/38-38MVA的大容量分裂變壓器制造上不存在問題，且有很多的制造和供貨業績。

2）斷路器及F－C回路開關柜

目前我國的生產廠家10kV、6kV開關柜均可生產，但高壓真空斷路器實際上采用的都是 12kV等級的斷路器，因此相同開斷能力在價格上10kV、6kV開關柜并無區別。高壓開關柜的 10kV F-C回路比6kV F-C回路的價格略高一點。開斷電流為40kA的高壓真空斷路器及F-C回路國內廠家即可生產，而且技術成熟。50kA的高壓真空斷路器及F-C回路需采用進口或合資技術產品。

3）電動機

根據調研，6kV電動機在電廠及一般企業使用較為廣泛，目前均為批量生產產品。10kV電動機由于電壓高，絕緣加厚，鐵心加長，使定子槽利用率低，容量越小，匝數越多，定子利用率越低，對小容量的電動機制造來說不太經濟。從目前對工程使用情況及生產廠家來看，容量為200kW以上的10kV電動機用于發電廠從技術上、生產制造上及產品供貨上均無問題。

4）高壓電纜

對于高壓電動機的電纜選擇，1000kW 以上斷路器供電回路的電動機電纜選擇應不小于熱穩定截面并應滿足額定電流；1000kW及以下F+C供電回路的電動機電纜將按《高壓熔斷器加真空接觸器回路設計技術規定》選擇。上廠用電方案一 10kV方案，其廠用10kV母線短路電流為40kA，10kV電纜的最小熱穩定截面為95mm2；方案二6kV方案，其工作母線段廠用 6kV短路電流為 50kA，高壓電纜的最小熱穩定截面均為120mm2。因此，10kV方案的電纜截面小于6kV方案。

5）其他設備

10kV等級和 6kV等級的低壓干式變壓器，其絕緣等級均為 10kV級的。兩種電壓等級的低壓干式變壓器制造廠均能生產，從目前供貨情況看，價格基本相同。10kV和 6kV等級的動力電纜在制造上絕緣稍有差別，價格上屬同一級別，相同截面價格差別不大。

綜上所述：10kV電氣設備與 6kV電氣設備在技術方面不存在問題，均已是成熟產品。

2.2 廠用配電裝置布置比較

方案一：10kV二段，主廠房10kV配電裝置每機占1跨，占地少，容易布置，共箱母線少，布置清晰。

方案二：6kV三段，主廠房6kV配電裝置每機占1跨，6kV公用段占1跨，占地較多，不易布置，共箱母線較多，交叉較多，布置較繁雜。詳見表1。

表1 廠用電系統技術對比表

從表1比較可知采用方案一時，接線簡單，可靠性高，高廠變數量少，共箱母線少。主廠房配電裝置布置簡潔清晰；設備品種少及共箱母線少，備品備件品種少，維護檢修、運行管理工作量小。

采用方案二時，接線相對復雜，變壓器數量多，高壓母線段數多。共箱母線段數多，主廠房配電裝置布置占地較多，布置緊張。

上述2個方案技術上都是可行的，但有所差異，方案一接線簡單，方便運行，共箱母線及配電裝置布置清晰簡潔。在技術上有較大的優勢。

3 廠用系統設計方案經濟方面對比

廠用電電壓和接線方案的選擇是否合理，不僅要從技術方面考慮方案的接線簡單、供電可靠和運行靈活、方便，在方案的經濟性上，應綜合考慮廠用電系統方案的綜合投資和運行費用。

主要設備及材料費用對比如下。

1）廠用變壓器價格比較

據變壓器制造廠家最新介紹，變壓器的價格和容量成正比，方案一為：10kV一臺分裂，方案二為6kV一臺分裂變＋一臺雙卷變，很明顯，方案二價格遠遠高于方案一，據大概計算，2臺機總計方案一較方案二節省900多萬元。

2）10kV和6kV斷路器及柜體價格比較

對于真空斷路器開關柜，國內（包括合資廠）生產的6kV真空斷路器開關柜與10kV真空斷路器開關柜一般為同一產品，均為 10kV產品，最大額定電流4000A、額定短路開斷電流（有效值）50kA、額定峰值耐受電流 125kA。方案二較方案一開關柜數量較多，據不完全統計：2臺機總計方案一節省投資約300多萬元。

3）10kV和6kV電動機價格比較

據制造廠最新介紹，10kV大容量電機比 6kV電動機大約貴 10%；10kV中小型容量電機比 6kV電動機大約貴20%。根據1000MW機組廠用系統標配電動機大概計算：2臺機總計10kV電動機比6kV電動機多支出400多萬元。

4）10kV和6kV封閉、共箱母線價格比較

對于變壓器封閉、共箱母線，6kV母線要求的載流量大于10kV，所以6kV封閉母線的價格略高，同時 6kV母線需要的數量較多，2臺機總計 10kV較6kV封閉母線節省投資200余萬元。

5）10kV和6kV高壓電纜價格比較

由上可知：10kV電纜的最小熱穩定截面為95mm2；6kV最小熱穩定截面均為120mm2，很明顯采用6kV電壓等級，回路工作電流大，導致電纜根數增加和截面增大，造價也高，據估算，2臺機總計10kV較6kV高壓電纜節省投資80多萬元。

綜上所述：廠用電系統選用 10kV電壓等級較6kV電壓等級節省投資約1100萬元。

4 10kV與6kV電壓等級運行能耗對比

提高工業生產效率、降低單位產值能量消耗。電廠不僅是電能的生產者，同時也消耗大量電能。廠用電電壓等級是否合理，將直接影響發電廠的電能能耗。所以，對各種電壓等級的廠用電系統的能耗進行分析研究是十分必要的。以下將對6kV、10kV高壓電動機的效率及對應電纜的損耗、高壓廠用變壓器的空載及負載損耗進行分析研究。

4.1 電動機的效率比較

在電力系統中，通常低容量的電動機采用較低的電壓等級可以獲得較高的運行效率；高容量的電動機采用較高的電壓等級也可以獲得較高的運行效率。根據從電機制造廠獲得的數據來看，大多數的較小容量的高壓電動機，6kV的效率略高于 10kV的，隨著電動機容量的加大，兩者效率差別越小，當高壓電動機的容量在3000kW左右時，6kV電動機與 10kV電動機的效率基本相同，容量再大時，10kV電壓的效率反略高于 6kV電壓的。參考多個電機制造廠提供的數據，6kV電動機與 10kV電動機的效率差約為 0.5%～-0.1%。而且，小容量電動機如輸煤皮帶等運行時間較短，大容量電動機如循環水泵、一次引風機等運行時間較長，因此，采用10kV電動機的利用效率較高。

4.2 高壓電纜的損耗比較

對于高壓電動機的電纜選擇，10kV電纜的最小熱穩定截面為95mm2；6kV高壓電纜的最小熱穩定截面均為120mm2。電纜的損耗為P=I2R，即電纜的損耗與電流的平方成正比，與電阻一次方成正比。6kV熱穩定電纜截面大于 10kV熱穩定電纜截面，即6kV熱穩定電纜截面電阻小于10kV熱穩定電纜截面電阻，但10kV電動機電流小于6kV電動機電流，而損耗同電流的平方成正比，因此 10kV電動機的電纜損耗小于 6kV電動機的。經計算，10kV電壓等級電動機電纜總損耗（2臺機）小于6kV電壓等級約14kW。

4.3 高壓廠用變壓器的損耗

上述2個廠用電方案中，方案一，10kV二段，所配高壓廠用變壓器為 2臺 68/38-38MVA的分裂變，其空載損耗為 40kW，負載損耗為 254kW；方案二，6kV三段，所配高壓廠用變壓器為 1臺50/29-29MVA的分裂變+1臺20MVA的雙卷變，其空載損耗為 40kW+20kW，負載損耗為 205kW+93kW。由于當廠用變壓器檢修或退出時，高壓備用變壓器將代替，因此，高壓廠用變壓器的空載及負載損耗將是始終存在的。負載損耗按負載率為70%來計算，兩方案高壓廠用變壓器的總損耗差見表2。兩臺機方案一小于方案二約66kW。

表2 高壓廠用變壓器運行損耗對比表

綜上所述，經對1000MW機組的6kV或10kV高壓電動機的效率及對應電纜的損耗、高壓廠用變壓器的空載及負載損耗進行定量分析研究，廠用電系統運行總損耗，方案一 10kV二段方案比方案二6kV三段略低，約40kW。兩廠用電方案的運行損耗相差不大。

5 結論

從以上對廠用系統10kV與6kV兩種方案進行技術經濟比較得出：方案一（10kV）在技術與經濟上均有明顯優勢，推薦采用方案一：10kV一級電壓，每臺機組設一臺高壓廠用分裂變,二段10kV母線方案。方案1高廠變數量少，接線簡單、供電可靠性高，有利安全運行。從經濟上看，整個高壓廠用系統的開斷電流為40kA，可選用較小開斷容量的開關柜設備，設備選擇范圍大；高壓廠用變壓器數量少，布置清晰，投資較少；由于該方案廠用母線電壓高，回路電流較小，使得電纜截面總體減小，電纜總量較少。雖然電動機的投資有所增加，但總的造價較低。此外，從運行管理上看，該方案配電裝置占地少，維護檢修、運行管理工作量小。

6 對1000MW機組廠用電系統電壓選擇的若干建議

1）如今電廠由于脫硫脫硝工程的開展，引風機和增壓風機合并是工藝，電動機容量已高達上萬千瓦時，用 6kV一級電壓經計算：在滿足短路電流50kA水平的條件下，已逐步出現不滿足設計規范要求的電動機起動時母線電壓水平的要求。

2）建議電氣設備廠家在進行開關、電動機等設備時將10kV設備與6kV設備放在同一平臺，便于用戶進行選擇。

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