600 MW火電機(jī)組廠用電互聯(lián)改造方案研究

摘要：基于國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，給出了600 MW火電廠單元制接線機(jī)組6 kV廠用電系統(tǒng)采用電纜互聯(lián)的改造實施方案、保護(hù)整定和運(yùn)行方式。研究表明：使用快切裝置后，實現(xiàn)了一臺機(jī)組停備期間，另一臺機(jī)組高廠變可靠智慧串帶兩臺機(jī)組的廠用電，節(jié)約了啟備變外購電用電量，經(jīng)濟(jì)效益明顯，具有可推廣性。

關(guān)鍵詞：火電機(jī)組；單元制；廠用電；互聯(lián)；改造方案

中圖分類號：TM621" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）21-0061-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.21.015

0" " 引言

“雙碳”目標(biāo)背景下，隨著光伏和風(fēng)電機(jī)組容量占比日益增大，火電機(jī)組慢慢由主力電源成為調(diào)節(jié)性的保障電源，600 MW及以上大型火電廠單元制接線的機(jī)組單機(jī)運(yùn)行也逐漸成為常態(tài)[1]。機(jī)組停備期間，廠用電由電網(wǎng)通過啟備變反向輸電，由于正反向電價差的存在，電廠將產(chǎn)生大量外購電支出。通過廠用電源段互聯(lián)改造，單元制接線的運(yùn)行機(jī)組給停備機(jī)組提供廠用電，可以減少外購電，具有較好的經(jīng)濟(jì)性[2-3]。因此，以某電廠為例，給出了600 MW火電廠單元制接線機(jī)組6 kV廠用電系統(tǒng)采用電纜互聯(lián)的改造實施方案、保護(hù)整定和運(yùn)行方式，研究結(jié)果對大型火電廠單元制接線機(jī)組廠用電互聯(lián)改造有一定的推廣和借鑒意義。

1" " 廠用電互聯(lián)改造方案

1.1" " 原接線方式

某電廠1、2號機(jī)組容量為600 MW，發(fā)電機(jī)與雙卷主變壓器均按發(fā)電機(jī)—變壓器組單元接線型式接入220 kV系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)出口不設(shè)出口斷路器，每臺機(jī)組設(shè)兩臺40/25-25 MVA高廠用變，引接于發(fā)電機(jī)與主變低壓側(cè)之間。

1、2號機(jī)組共設(shè)兩臺40/25-25 MVA的啟動/備用變，電源引接于本廠220 kV母線。在機(jī)組啟動、停機(jī)期間，6 kV母線由啟動/備用變供電，啟動完畢通過主變高壓側(cè)斷路器同期并網(wǎng)后，通過DCS手動啟動廠用電快速切換裝置，以并聯(lián)切換方式將6 kV廠用母線切換至單元高壓廠用變供電。1、2號機(jī)組每臺機(jī)組廠用電系統(tǒng)有4段6 kV母線。

1.2" " 改造方案

以兩臺機(jī)組高壓廠用段互聯(lián)，從安全性出發(fā)，此設(shè)計需考慮運(yùn)行機(jī)組串帶停運(yùn)機(jī)組廠用電時的高廠變分支母線容量，以免發(fā)生過流[4]；同時，廠用電互聯(lián)方式下，高廠變?nèi)萘啃铦M足供運(yùn)行機(jī)組啟動的負(fù)荷，以免造成供電電源分支過流或拉低6 kV母線電壓，影響機(jī)組運(yùn)行安全。方案即在1號機(jī)組6 kV 1A、1B、1C、1D段每段增加一臺聯(lián)絡(luò)開關(guān)及相應(yīng)保護(hù)；在2號機(jī)組6 kV 2A、2B、2C、2D段每段增加一臺聯(lián)絡(luò)開關(guān)及相應(yīng)保護(hù)；用電纜將6 kV 1A段和2D段、1D段和2A段、1B段和2C段、1C段和2B段相連，以達(dá)到將1、2號機(jī)組6 kV廠用電互聯(lián)的目的，如圖1所示。同時各段增加廠用電切換裝置，以實現(xiàn)正常運(yùn)行方式改變、不斷電安全切換廠用電電源的要求[5]。

每段廠用段新增聯(lián)絡(luò)開關(guān)選用額定電流1 250 A VD4型真空斷路器，額定容量13 MVA，兩段6 kV母線間分別使用兩根185 mm2的動力電纜互聯(lián)，最大載流量為2 500 A，當(dāng)單臺機(jī)組停運(yùn)，開關(guān)容量能滿足要求。

2" " 保護(hù)整定

新增聯(lián)絡(luò)開關(guān)保護(hù)型號為PCS-9624C，CT變比N為1 000/1。根據(jù)停機(jī)負(fù)荷（停風(fēng)組后）來看，各臺機(jī)組的計算負(fù)荷均滿足雙機(jī)同時運(yùn)行，高廠變?nèi)萘繚M足一臺運(yùn)行機(jī)組帶另一臺機(jī)組停機(jī)的要求。停運(yùn)時的機(jī)組廠用電負(fù)荷分配情況如表1所示，啟動切換前的機(jī)組廠用電負(fù)荷分配情況如表2所示。

根據(jù)一臺機(jī)組正常運(yùn)行帶另一臺機(jī)組啟動時（點火前）負(fù)荷表，經(jīng)過調(diào)整負(fù)荷，1、2號機(jī)組在單機(jī)運(yùn)行期間，高廠變?nèi)萘磕軡M足一臺運(yùn)行機(jī)組帶另一臺機(jī)組啟動要求（點火前）。

為考慮盡快切除故障，增加過流一段，按低壓短路時保護(hù)有大于2倍靈敏度原則整定；考慮速動性，考慮低壓側(cè)兩相短路時有大于2倍靈敏系數(shù)整定[6]。高廠變低壓側(cè)三相短路電流為21 187 A，動作值為：

Idz==≈7.3 A（1）

式中：I （2） min為本6 kV母線發(fā)生兩相短路時產(chǎn)生的最小兩相短路電流，兩相短路電流是三相短路電流的/2倍，取0.866；Klm取大于2倍靈敏系數(shù)，如取2.5；N為CT變比，即1 000。

過流二段保護(hù)動作電流按下列條件整定：根據(jù)上列停運(yùn)、啟動負(fù)荷比較，啟動時所帶負(fù)荷量更大，考慮按啟動時負(fù)荷計算。1（2）A段啟動時機(jī)組帶負(fù)荷7 419 kVA，負(fù)荷電流約714 A；1（2）D段啟動時機(jī)組帶負(fù)荷3 819 kVA，負(fù)荷電流約325 A；1（2）B段啟動時機(jī)組帶負(fù)荷6 765 kVA，負(fù)荷電流約651 A；1（2）C段啟動時機(jī)組帶負(fù)荷8 729 kVA，負(fù)荷電流約840 A。

按躲過啟動（點火前）機(jī)組母線所接電動機(jī)最大啟動電流之和整定[7]：

Idz=Kk×Kzq×Ie（2）

式中：Ie為分支線上的額定電流；Kk為可靠系數(shù)，取1.1；Kzq為需要自啟動的全部電動機(jī)在自啟動時所引起的過電流倍數(shù)，一般可近似由以下公式求出：

Kzq=1/

+

（3）

式中：Ud%為歸算到分支額定容量的變壓器的半穿越阻抗百分值；We為變壓器低壓繞組的額定容量；Kqd為電動機(jī)啟動時的電流倍數(shù)，取Kqd的平均值為5；Wd∑為需要自啟動的全部電動機(jī)的總?cè)萘俊?/p>

躲過2號機(jī)組啟動（點火前），1號機(jī)組母線所接電動機(jī)最大啟動電流之和整定計算結(jié)果如表3所示；躲過1號機(jī)組啟動（點火前），2號機(jī)組母線所接電動機(jī)最大啟動電流之和整定計算結(jié)果如表4所示。

考慮按互聯(lián)后最大負(fù)荷電流整定計算，過流定值為：

Idz=Kk·Ifh=1.1Ifh（4）

式中：Ifh為最大負(fù)荷電流。

互聯(lián)后最大負(fù)荷電流整定計算結(jié)果如表5所示。綜合上述分析，考慮1A段與2D段、1D段與2A段、1B段與2C段、1C段與2B段互為互聯(lián)開關(guān)，電流定值統(tǒng)一取兩者最大值整定，即1A段與2D段取值4.0 A，2A段與1D段取值4.0 A，1B段與2C段取值4.5 A，1C段與2B段取值4.5 A。

過流時間考慮與高廠變進(jìn)線保護(hù)過流時間配合，級差0.2 s，過流二段時間為0.6 s。

綜合以上結(jié)果，互聯(lián)開關(guān)保護(hù)過流二段定值設(shè)為：1A互聯(lián)開關(guān)過流4.0 A，0.6 s；2A互聯(lián)開關(guān)過流4.0 A，0.6 s；1B互聯(lián)開關(guān)過流4.5 A，0.6 s；2B互聯(lián)開關(guān)過流4.5 A，0.6 s；1C互聯(lián)開關(guān)過流4.5 A，0.6 s；2C互聯(lián)開關(guān)過流4.5 A，0.6 s；1D互聯(lián)開關(guān)過流4.0 A，0.6 s；2D互聯(lián)開關(guān)過流4.0 A，0.6 s。

靈敏度校驗：

Klm=I （2） min/Idzgt;2（5）

過負(fù)荷告警：考慮防止互聯(lián)切換時分支過載，考慮與高廠變的過負(fù)荷配合，可靠系數(shù)調(diào)整為1.0，按方案的負(fù)荷分配表計算，過載后延時1.5 s告警。互聯(lián)后過負(fù)荷保護(hù)電流整定計算結(jié)果如表6所示。

綜合表6結(jié)果，考慮1A與2D、1D與2A、1B與2C、1C與2B互為互聯(lián)開關(guān)，電流定值統(tǒng)一取兩者中較大值整定，互聯(lián)開關(guān)過負(fù)荷保護(hù)定值設(shè)為：1A互聯(lián)開關(guān)過負(fù)荷2.2 A，1.5 s；2A互聯(lián)開關(guān)過負(fù)荷2.2 A，1.5 s；1B互聯(lián)開關(guān)過負(fù)荷2.4 A，1.5 s；2B互聯(lián)開關(guān)過負(fù)荷2.4 A，1.5 s；1C互聯(lián)開關(guān)過負(fù)荷2.4 A，1.5 s；2C互聯(lián)開關(guān)過負(fù)荷2.4 A，1.5 s；1D互聯(lián)開關(guān)過負(fù)荷2.2 A，1.5 s；2D互聯(lián)開關(guān)過負(fù)荷2.2 A，1.5 s。

零序過流時間：與高廠變配合，時間取0.5 s。零序中性點CT變比50/1。#1啟備變和#1、#2高廠變6 kV側(cè)中性點接地電阻均為23 Ω，此電阻遠(yuǎn)大于啟備變和高廠變的零序阻抗。6 kV系統(tǒng)的單相接地電流約為158 A。

考慮靈敏度為3～4，且與下級間隔零序保護(hù)和高廠變低壓側(cè)零序保護(hù)有級差配合，動作電流一次值取40 A，時間：與下級變壓器及電動機(jī)配合，T=ΔT+T，跳開關(guān)。二次動作值為I0=0.8 A，動作時間0.5 s。

3" " 改造后廠用電運(yùn)行及互聯(lián)方式

1、2號機(jī)組雙機(jī)運(yùn)行時工作電源由高廠變帶各自機(jī)組的4段6 kV廠用電正常運(yùn)行，備用電源段進(jìn)線帶電運(yùn)行，各段備用進(jìn)線開關(guān)在熱備用狀態(tài)。

為防止廠用電互聯(lián)的兩臺機(jī)組同時運(yùn)行，誤將互聯(lián)的兩段6 kV廠用電段合環(huán)，在停運(yùn)機(jī)組由運(yùn)行機(jī)組互聯(lián)串帶恢復(fù)至本機(jī)組電源帶時，只斷開停運(yùn)機(jī)組側(cè)的互聯(lián)電源開關(guān)，并將其搖至試驗位置。為防止兩段間的互聯(lián)電纜長期不帶電導(dǎo)致電纜絕緣下降，及避免搖絕緣帶來的煩瑣程序，爭取實現(xiàn)停機(jī)時的快速互聯(lián)，保持另一側(cè)的互聯(lián)電源開關(guān)長期處于合閘狀態(tài)帶電纜空載運(yùn)行。互聯(lián)快切屏的保護(hù)壓板在不進(jìn)行串帶操作時保持在退出狀態(tài)，只有實際需要串帶停運(yùn)機(jī)組操作時將停運(yùn)機(jī)組側(cè)的互聯(lián)開關(guān)送至工作位置，然后投上互聯(lián)快切屏的壓板進(jìn)行互聯(lián)電源切換。

在轉(zhuǎn)高廠變供電或轉(zhuǎn)互聯(lián)電源供電的過程中，需要啟備變進(jìn)行過渡。單機(jī)運(yùn)行期間若運(yùn)行機(jī)組突然停運(yùn)，備用電源仍可由快切裝置自動切換到備用電源，保證運(yùn)行機(jī)組安全停運(yùn)。

為增強(qiáng)單元機(jī)組廠用電源的安全性，避免保護(hù)配置的困難，不考慮一臺機(jī)組的6 kV廠用電作為另一臺機(jī)組的啟動運(yùn)行方式；禁止將6 kV段的兩電源長期并列運(yùn)行。廠用電互聯(lián)快切示意圖如圖2所示。

每段6 kV母線增加一臺互聯(lián)快切裝置，用于互聯(lián)電源聯(lián)絡(luò)開關(guān)和備用電源進(jìn)線開關(guān)之間的快速無擾智慧切換。以1號機(jī)組6 kV 1A段和2號機(jī)組6 kV 2D段為例，2號高廠變運(yùn)行，原快切裝置1和2在工作狀態(tài)，互聯(lián)快切裝置3和4在閉鎖狀態(tài)，1號機(jī)組停機(jī)時先通過快切裝置1將廠用電切換為啟備變供電（圖2），然后退出原快切裝置1，投入互聯(lián)快切裝置3，將廠用電切換為6 kV 2D段供電。

4" " 安全經(jīng)濟(jì)性分析

4.1" " 安全可靠性方面

廠用電實現(xiàn)智慧互聯(lián)，進(jìn)一步加強(qiáng)了可靠性。當(dāng)單臺機(jī)組停運(yùn)時，啟備變故障，同時柴油機(jī)故障，此時廠用電備用電源全失，會嚴(yán)重危害停運(yùn)機(jī)組設(shè)備安全。增加聯(lián)絡(luò)開關(guān)后，危機(jī)情況下，可以使用運(yùn)行機(jī)組提供停運(yùn)機(jī)組廠用電，這樣可以有效避免因廠用電消失而造成設(shè)備損壞的重大事故。

4.2" " 經(jīng)濟(jì)性方面

本工程改造可以大幅度降低1、2號機(jī)組在機(jī)組啟動、停機(jī)、檢修及備用狀態(tài)下反向（電網(wǎng)輸出）電量的用量，根據(jù)目前電力市場的發(fā)展趨勢，市場競爭激勵下，機(jī)組年利用小時下降（大約為4 000 h），機(jī)組停備時間增多，加上機(jī)組A、C級定期檢修，并結(jié)合機(jī)組近三年統(tǒng)計數(shù)據(jù)預(yù)測，1、2號機(jī)組每年外購電約1 800萬kW·h，扣除啟、停機(jī)用電量，每年約減少外購電1 000萬kW·h，節(jié)約費(fèi)用100萬元左右。

5" " 結(jié)論

1）改造后使用快切裝置實現(xiàn)廠用電正常電源至互聯(lián)電源的無擾快速切換，保證廠用電在正常及事故工況下可靠智慧運(yùn)行。

2）改造工程不僅可以作為停運(yùn)機(jī)組廠用電第三路電源，保障停運(yùn)機(jī)組廠用電的可靠性，且投入少、收益大，達(dá)到了節(jié)能降耗、創(chuàng)效增收的目的。

3）該設(shè)計方案使廠用電運(yùn)行方式更加靈活，不論是從安全穩(wěn)定性還是節(jié)能降耗上來講，效果都十分明顯，為后續(xù)600 MW火電機(jī)組廠用電的設(shè)計提供了十分有益的借鑒。

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收稿日期：2024-05-31

作者簡介：賈瑞（1986—），男，山西太原人，碩士研究生，工程師，研究方向：變配電設(shè)備檢修與管理。