抑制涌流裝置在電廠中的應用與試驗

鄭德國

浙江大唐國際江山新城熱電責任有限公司 浙江江山 324100

1 現場運行方式

江山熱電公司機組正式投產以來,地處浙江電網西部,區域電網負荷較輕,電廠發電利用小時數低,機組運行方式多為開機保養,長期處于停備狀態。公司為降低生產成本,在機組停備時將部分主變停備,以減小變壓器空載損耗電量,待機組啟動前由220 kV系統向主變沖擊送電[2]。但是,在送電建立磁場的過程中,變壓器繞組中會產生一定的勵磁電流,變壓器鐵心越飽和,產生磁場所需要的勵磁電流就越大。在變壓器全電壓充電時,變壓器繞組中產生的勵磁涌流最大峰值可達額定電流的6～8倍[3]。由于主變容量很大,頻繁沖擊送電產生的勵磁涌流容易造成變壓器繞組變形,鐵心或夾件松動,嚴重時可能使變壓器發生事故,同時,較大的勵磁涌流容易造成繼電保護裝置誤動[4]。為避免主變送電沖擊造成設備損壞和保護誤動,需要采取有效措施來抑制主變送電時的勵磁涌流,從而確保設備安全、穩定運行[5]。

現場具體情況為,安裝兩套GE公司生產的6FA型燃氣-蒸汽聯合循環機組,主系統采用220 kV電壓等級雙母線接線方式,安裝兩臺140 MVA三繞組主變,四臺發電機出口均安裝出口斷路器,供發電機并網解列及故障隔離使用。由于江山熱電公司年利用小時數低,機組長期停備,為降低生產成本,減小外購電量,結合機組開機情況,需要頻繁進行主變啟停操作,全年兩臺主變需要進行啟停操作45次左右。由于主變頻繁啟停,使主變運行時本體的聲響和振動較以往有增大趨勢,同時也有可能造成保護誤動或設備損壞事故[6]。

2 勵磁涌流分析及解決方法

由于受變壓器鐵心磁通飽和及鐵心材料非線性特征的影響,變壓器在空載全壓啟動時,會產生相當大的勵磁電流,稱為勵磁涌流[7]。變壓器的中性點運行方式、鐵心材料、磁場氣隙、鐵心結構、合閘相角及鐵心剩磁等因素會影響變壓器勵磁涌流的大小[8]。變壓器制造及投運后,其鐵心材料、鐵心結構、磁場氣隙就已經確定。根據系統運行方式,變壓器的中性點接地方式由規定確定,無法進行改變。而變壓器偏磁和合閘初始角度有關,所以,可以從合閘初始相角角度來解決變壓器勵磁涌流的問題。實現方法是將變壓器合閘時電壓初始相角控制在90°或270°,再進行空載合閘操作。變壓器的偏磁與剩磁恰好方向相反[9],兩者疊加之后達到飽和磁通的程度,可以大大減小變壓器的勵磁涌流,消除勵磁涌流帶來的影響。

3 抑制涌流裝置的應用

3.1 工作原理

為了有效抑制變壓器停送電時產生的勵磁涌流,江山熱電公司兩臺主變220 kV斷路器各增加一套 SID-3YL型抑制涌流裝置。抑制涌流裝置可以對變壓器電源側的輸入電壓和電流進行實時監測,接收上位機的分合閘啟動信號,計算出合適的分合閘角度,然后據此向220 kV斷路器發出分合閘指令,控制變壓器的剩磁處于預定極性。抑制涌流裝置不能控制保護跳閘命令,但通過實時監測變壓器電壓、電流可以得到分閘角度,從而計算出變壓器剩磁。在接收合閘指令時,涌流抑制裝置按照相應的合閘角控制斷路器合閘,進而有效抑制變壓器的勵磁涌流。

3.2 操作步驟

對主變進行停電操作時,運行操作人員使用電力網絡計算機監控系統(NCS)后臺發出指令。NCS的分閘指令輸出觸點閉合,通過電纜接入抑制涌流裝置的開關量輸入板。抑制涌流裝置接收到分閘指令后,在220 kV母線 A相電壓相位達到90°之前發出分閘脈沖指令,提前時間由斷路器分閘時間確定,使主變220 kV斷路器斷開,變壓器A相正好在母線電壓A相角度為90°時斷電,同時,變壓器B相正好在210°時斷電,變壓器C相正好在-30°時斷電。

對主變進行送電操作時,運行操作人員使用NCS后臺發出指令。NCS的合閘指令輸出觸點閉合,并通過電纜接入抑制涌流裝置的開關量輸入板。抑制涌流裝置接收到合閘指令后,在220 kV母線A相電壓相位達到90°之前發出合閘脈沖指令,提前時間由斷路器合閘時間確定,使主變220 kV斷路器閉合,變壓器A相正好在母線電壓A相角度為 90°時受電。同時,變壓器B相正好在210°時受電,變壓器C相正好在-30°時受電。

根據變壓器偏磁和剩磁互克原理,此時變壓器的偏磁恰好與剩磁方向相反、大小相等,兩者互相抵消,變壓器鐵心中的磁通達不到飽和磁通程度,主變勵磁涌流不會產生[10]。

4 現場試驗

為檢驗主變抑制涌流裝置的應用效果,江山熱電公司以2號主變為例,對2號主變抑制涌流裝置進行現場試驗。

4.1 第一次合閘

第一次合閘時,根據之前現場另外一臺抑制涌流裝置投運得到的數據,整定合閘時間定值為68.0 ms,合閘角度為90°。合閘后,由圖1可見,合閘時間為68.9 ms,合閘角度為108.9°,三相最大涌流峰值為6.363 A,約為額定值1.18 A的5.4倍。事實上,由于此時變壓器內剩磁未知,即使有準確的合閘時間從而控制好合閘角度正好是90°,也還是不能保證抑制涌流的效果。第一次合閘,抑制涌流的效果是隨機的,主要目的是得到準確的合閘時間。

4.2 第一次分閘

第一次分閘時,根據之前現場另外一臺抑制涌流裝置投運得到的數據,整定分閘時間定值為27.0 ms,分閘角度為90°。分閘后,由圖2可見,分閘時間為23 ms,分閘角度為22.6°。

4.3 第二次合閘

第二次合閘時,根據第一次合閘得到的數據,對合閘時間進行修正,由68.0 ms更改為68.9 ms,合閘角度不變,依然為90°。合閘后,由圖3可見,合閘時間為68.9 ms,合閘角度為92.9°。此時,涌流已經得到比較好的抑制,三相最大涌流為2.871 A,約為額定值的2.4倍。

4.4 第二次分閘

第二次分閘時,根據第一次分閘得到的數據,對分閘時間進行修正,由27.0 ms更改為23.0 ms,分閘角度不變,依然為90°。分閘后,由圖4可見,分閘時間為25.3 ms,分閘角度為136.0°。

4.5 第三次合閘

第三次合閘時,根據前兩次合閘的數據,合閘時間和合閘角度均保持不變,分別為68.9 ms和90°。合閘后,由圖5可見,合閘時間為68.6 ms,合閘角度為88.2°,此時偏磁與剩磁相互抵消,勵磁涌流得到控制,三相最大涌流為0.826 A,僅為額定值的70%左右。

圖1 第一次合閘錄波

圖2 第一次分閘錄波

圖4 第二次分閘錄波

圖5 第三次合閘錄波

4.6 試驗結果

現場試驗數據匯總見表1。根據數據和錄波分析,現場變壓器經過幾次合分閘試驗,得到了準確的合閘與分閘時間,通過SID-3YL型抑制涌流裝置的精確相控,實現了偏磁與剩磁相互抵消,使磁通不飽和,實現了涌流的有效抑制。

表1 現場試驗數據

5 結束語

面對節能降耗和保證主變安全的問題,江山熱電公司采用加裝抑制涌流裝置控制斷路器合閘時電壓初始相角的方法控制主變勵磁涌流,降低停送電時勵磁涌流對主變的損傷,成功實現對主變沖擊時勵磁涌流的抑制。經過試驗與調試,兩臺主變在沖擊合閘時的勵磁涌流倍數均有大幅下降,1號主變下降為額定電流為1.38倍左右,2號主變下降為額定電流的70%左右,減輕了沖擊送電對主變的損傷,降低了繼電保護誤動可能性,可見應用主變微機抑制涌流裝置對保護變壓器,其效果是明顯的。同時,主變停備節能降耗效益可觀,根據2017年江山熱電公司機組年利用小時數800 h,機組停備期間一臺主變空載損耗69.7 kW和一臺高廠變空載損耗10.4 kW計算,全年共可停電200 d,可節電560 MWh,經濟效益可觀,為其它利用小時數低的燃氣發電機組降低運行成本提供了經驗和方法。