綜合利用電廠發(fā)供電系統(tǒng)的優(yōu)化

張 永 曹亞楠 徐中偉 胡志堅 王秀娟

（山東華聚能源股份有限公司，山東 鄒城 273500）

1 現(xiàn)狀分析

華聚能源南屯礦電廠作為兗礦集團首家綜合利用電廠始建于上世紀80年代末。電廠自投產(chǎn)運行以來，為保證礦井生產(chǎn)及礦區(qū)人民生活用電，促進非煤產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，緩解就業(yè)矛盾，減輕環(huán)境污染曾經(jīng)做出了一定貢獻，取得了可觀的經(jīng)濟效益和較好的社會效益。隨著時間的推移，設(shè)備老化、常規(guī)控制及繼電保護系統(tǒng)可靠性差、維護量大、監(jiān)控覆蓋面窄、運行人員負擔重等問題日益突出，極大的制約了南屯礦電廠前進的步伐。

這些問題歸納起來主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1）所有保護包括發(fā)電機保護、主變保護、線路保護、廠變保護等均采用機械式繼電器保護模式，所有監(jiān)控儀表均采用機械式儀表，同期方式采用手動集中準同期方式，廠用電源備自投方式也采用的是機械式繼電器方式，具有明顯可靠性差、易損壞、自動化程度低、抗干擾能力差等缺點。

2）廠用電系統(tǒng)中采用的已被淘汰的高耗能的S7-1000型油浸式變壓器，它主要有結(jié)構(gòu)復雜，維護、保養(yǎng)困難，能耗高，污染環(huán)境，故障率較高等缺點，尤其是我廠1#廠變問題突出，不利于我廠推進清潔生產(chǎn)工作的開展。

3）400V低壓系統(tǒng)負荷不斷增加，負擔越來越重，開關(guān)設(shè)備老化，無備用屏位，布置不合理現(xiàn)象日益突出，影響到電廠安全運行。

4）400V低壓系統(tǒng)沒有無功功率集中補償裝置，功率因數(shù)在0.82～0.85之間，低于國家能源監(jiān)測要求達到的0.90標準，導致變壓器的電能損耗大，負載能力和利用率低。

鑒于上述內(nèi)容所體現(xiàn)出的代表性問題，為保證發(fā)供電系統(tǒng)以及供暖系統(tǒng)的可靠性，南屯礦電廠決定對目前的發(fā)供電系統(tǒng)中的繼電保護部分和廠用電部分進行重新設(shè)計改造，以全面提升電廠發(fā)供電系統(tǒng)的可靠性。

2 解決方案

1）電氣綜合自動化改造

引進電廠電氣綜合自動化技術(shù)，對電廠發(fā)供電系統(tǒng)實現(xiàn)微機監(jiān)測、微機監(jiān)控、微機保護、故障錄波、四遙遠傳等多種功能，來提高發(fā)電質(zhì)量和供電可靠性，實現(xiàn)電廠電氣系統(tǒng)綜合自動化，提高電廠綜合自動化水平。其網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1

南屯礦電廠電氣綜合自動化系統(tǒng)選用的是積成電子股份公司生產(chǎn)的CAN2000型綜合自動化系統(tǒng)。具體選型及功能實現(xiàn)如下：

（1）發(fā)電機保護：（CAG211+CAG221+CAE241）發(fā)電機保護及測控裝置是一種靈活，可靠，含有保護、控制、監(jiān)視和測量功能的保護裝置。該保護具有全面的保護、控制功能，適用于135MKW以下的中小型發(fā)電機。該裝置實現(xiàn)：發(fā)電機縱聯(lián)差動保護；橫差保護（匝間保護）；發(fā)電機定子回路 100%接地保護；發(fā)電機轉(zhuǎn)子一點接地保護；發(fā)電機轉(zhuǎn)子二點接地保護；復合電壓閉鎖的過電流保護；發(fā)電機低勵失磁保護；過負荷保護；過電壓/低電壓保護；低頻/高頻保護；逆功率保護；負序過電流保護；零序過電流/零序過電壓保護；CT斷線告警及閉鎖；PT斷線告警及閉鎖；非電量保護；故障錄波、故障記錄等保護功能。

（2）主變壓器保護：（變壓器主保護 CAT221＋變壓器后備保護CAT212）CAT221變壓器差動保護功能：變壓器差動速斷保護；二次諧波制動的比率差動保護；CT斷線判別及閉鎖；本體重瓦斯跳閘或發(fā)信，有載開關(guān)重瓦斯跳閘或發(fā)信；本體及有載開關(guān)輕瓦斯發(fā)信，壓力釋放跳閘或發(fā)信故障錄波。CAT212變壓器后備保護 （35KV與6KV每側(cè)配置1臺）功能：三段復合電壓閉鎖的方向過流保護（每段兩時限）；三段過負荷保護（發(fā)信、起動風冷、閉鎖調(diào)壓）；兩段零序電壓閉鎖的零序過流保護；PT斷線檢測；故障錄波、事件記錄；遙控及操作回路功能；測控等功能。

（3）發(fā)變組保護：發(fā)電機主保護CAG221＋發(fā)電機后備保護 CAG211+發(fā)變組大差保護 CAT231+變壓器后備保護CAT212。

CAG221+CAG211發(fā)電機保護及測控裝置是一種靈活，可靠，含有保護、控制、監(jiān)視和測量功能的保護裝置。該保護具有全面的保護、控制功能，適用于135MKW以下的中小型發(fā)電機測控保護。該裝置實現(xiàn)的保護功能：發(fā)電機縱聯(lián)差動保護；橫差保護（匝間保護）；發(fā)電機定子回路100%接地保護；發(fā)電機轉(zhuǎn)子一點接地保護；發(fā)電機轉(zhuǎn)子二點接地保護；復合電壓閉鎖的過電流保護；發(fā)電機低勵失磁保護；過負荷保護；過電壓/低電壓保護；低頻保護；逆功率保護；負序過電流保護；零序過電流/零序過電壓保護；CT斷線告警及閉鎖；PT斷線告警及閉鎖；非電量保護（勵磁機、汽機故障）；發(fā)電機端斷路器操作回路（含遙控功能）；故障錄波、故障記錄。

CAT231發(fā)變組大差保護功能：發(fā)變組差動速斷保護（三側(cè)差動）；二次諧波制動的比率差動保護；CT斷線判別及閉鎖；本體重瓦斯跳閘或發(fā)信，有載開關(guān)重瓦斯跳閘或發(fā)信；本體及有載開關(guān)輕瓦斯發(fā)信，壓力釋放跳閘或發(fā)信；故障錄波。

CAT212變壓器后備保護功能如前所述。

（4）35kV聯(lián)絡(luò)線、饋出線測控保護：CAL212保護測控裝置保護功能：三段式電壓閉鎖方向過流保護；合閘后加速保護；過負荷保護；檢無壓三相二次重合閘；低周減載；小電流接地選線；測控等功能。

（5）35kV 、6kV母聯(lián)測控保護：配置CAL211測控保護裝置，控制室內(nèi)組屏安裝。裝置功能：三段式過電流保護；過負荷保護；合閘后加速；PT斷線檢測及閉鎖；故障錄波功能；遙測；16路遙信（斷路器位置已內(nèi)部采集）；遙控及操作回路功能。

（6）6kV 廠用工作/備用變壓器測控保護配置CAT213測控保護裝置，控制室內(nèi)組屏安裝。裝置功能：三段過流保護；過負荷；低壓側(cè)零序過流保護；小電流接地選線（零序功率方向）；零序過壓；母線PT斷線判別；控制回路斷線判別；非電量保護；故障錄波等。

（7）0.4kV備用電源自投裝置CAB212備用電源自投裝置完成工作變壓器與備用變壓器的備自投功能，備自投裝置完成如下功能：廠用變備自投；母線充電保護；PT斷線告警；兩段式過電流；電量遙測；1路遙控（分、合）及操作回路功能。

（8）6kV饋出線測控保護配置CAL211測控保護裝置，分散安裝在高壓柜上。裝置功能如前所述。

（9）6kV高壓電動機測控保護：配置CAD211測控保護裝置，分散安裝在高壓柜上。裝置功能：三段過流保護（III段可以定時限或反時限）；兩段負序過流保護（II段可以定時限或反時限）；過熱保護；過負荷保護；低電壓保護；過電壓保護；零序過流保護；小電流接地選線（零序功率方向）；連續(xù)起動閉鎖；兩路非電量保護（可以獨立整定）；PT斷線檢測及閉鎖；故障錄波；遙測；16路遙信（斷路器位置已內(nèi)部采集）；遙控及操作回路功能。

（10）電壓并列配置 CAE231電壓并列裝置 1臺，實現(xiàn)兩側(cè)母線并列功能。

2）廠用電系統(tǒng)優(yōu)化改造

（1）重新優(yōu)化廠用電系統(tǒng)布置

將 3＃鍋爐改造增加的 314kW 大負荷轉(zhuǎn)移至6kV電壓等級系統(tǒng)，減輕了400V低壓系統(tǒng)的負擔，消除了大電機起動對廠用系統(tǒng)的影響。

（2）淘汰了5臺高耗能的已淘汰的S7－1000/6.3型油浸變壓器，引進先進的SC10-1000型干式變壓器，降低廠用變壓器的損耗，減少檢修工作量。

（3）引進先進的復合開關(guān)投切的GGJ2A-10型智能低壓無功補償裝置，補償?shù)蛪贺摵伤璧臒o功功率，提高低壓配電網(wǎng)的功率因數(shù)，降低線路和變壓器的電能損耗，提高配電變壓器的負載能力和利用率，維持電壓穩(wěn)定，提高負載端的供電質(zhì)量。

（4）淘汰了 8臺傳統(tǒng)的低壓進線萬能式斷路器，引進先進的CDW1型智能萬能式斷路器，并接入電廠綜合自動化系統(tǒng)，提高了低壓配電系統(tǒng)的自動化和可靠性。

（5）完善廠用弱電系統(tǒng)防雷設(shè)施，提高電子設(shè)備對雷電電磁脈沖的防護水平，提高系統(tǒng)運行可靠性。

3 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點

1）微機保護系統(tǒng)硬件平臺采用 Intel低功耗奔騰CPU，免風扇設(shè)計。

2）保護、測控雙CPU并行工作模式，系統(tǒng)CPU板具有硬件DOG功能。

3）系統(tǒng)采用CANBUS網(wǎng)絡(luò)，實時運行存儲介質(zhì)采用電子盤。

4）軟件平臺選用基于Client/Server方式設(shè)計的嵌入式Windows操作系統(tǒng)。

5）系統(tǒng)應(yīng)用軟件模塊采用規(guī)范的模塊化結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)“即裝即用”；數(shù)據(jù)庫采用 ODBC或SQL編程，使用ACCESS數(shù)據(jù)庫文件格式存儲數(shù)據(jù)。

6）系統(tǒng)具有針對變電站的基本SCADA功能。

7）集電氣系統(tǒng)的保護、測量、遙控、搖信、遙測及信號為一體，實現(xiàn)了電氣系統(tǒng)的綜合自動化；通過撥號MODEM可進行遠程維護。

8）獨立的保護、測控的交流電流輸入回路。

9）積成電子創(chuàng)造性的“快捷菜單”查詢模式。

10）重新優(yōu)化了廠用電系統(tǒng)布置，使各段負荷相對平衡和獨立。

11）引進先進的SC10-1000型干式變壓器。

12）引進先進的復合開關(guān)投切的 GGJ2A-10型智能低壓無功補償裝置。

13）引進為先進的CDW1型智能萬能式斷路器，并接入電廠綜合自動化系統(tǒng)。

14）引進電磁浪涌保護器，加強重點電子設(shè)備防雷保護。

4 效益評價

1）經(jīng)濟效益

（1）微機保護運行以來，發(fā)供電系統(tǒng)穩(wěn)定，未出現(xiàn)一次誤跳閘、越級跳閘事故。按照近年來高壓開關(guān)平均發(fā)生2次跳閘事故計算（根據(jù)高壓開關(guān)跳閘記錄統(tǒng)計），產(chǎn)生的直接經(jīng)濟損失近 36000元[3×6000kW×約 2h（從跳閘到恢復原運行方式需要的時間）×0.5 元/kW·h×2 次≈36000 元]。

（2）取消了大量的二次儀表，減少儀表備件費和每年的校驗費合計10400元。

（3）取消了大量的機械式繼電器，減少了繼電器校驗時間，使春試秋檢的時間縮短近2天的時間，產(chǎn)生直接的經(jīng)濟效益近 432000元[3×6000kW×約48h×0.5 元/kW·h≈432000 元]。

（4）每年春試秋檢中，要更換大量不合格的機械式繼電器。采用微機保護，其軟硬件的高可靠性，大大減少這部分費用近18000元。

（5）新廠用變投運以來，通過變壓器運行日志計算，與往年同期相比，每天可平均節(jié)約廠用電約770kW·h，每kW·h廠用電按0.5元計算，每年（按照分公司發(fā)電設(shè)備平均利用時間6278h，約262天）可節(jié)約 770kW·h/天×0.5 元/kW·h×262 天=100870 元，加上每年減少的變壓器油試驗和廢油處理的費用2500元，可產(chǎn)生的直接經(jīng)濟效益100870元+2500元=103370萬元。

（6）無功功率補償裝置安裝后，根據(jù)現(xiàn)場實測，I段有功功率降低 32.63kW，II段有功功率降低0.12kW，III段有功功率降低-4.56kW，V段有功功率降低18.66kW，總的有功功率降低為46.85kW，按年運行時間5000h算，每年節(jié)約電能為46.85kW×5000h=23.43kW·h，按每度電 0.5元來算，年可獲得收益117000元，一年內(nèi)即可收回成本，其節(jié)能增效的效果是不錯的。

綜合以上每年經(jīng)濟效益共計約706370元。

2）社會效益

（1）通過實施電氣系統(tǒng)微機化改造，重要系統(tǒng)實現(xiàn)自動控制運行，減少了設(shè)備之間的硬接線，大大減少了人為因素造成的系統(tǒng)運行不穩(wěn)定，提高了綜合利用電廠整體技術(shù)裝備和安全可靠性。

（2）保護動作行為及過程的透明化和智能化分析，有助于技術(shù)人員和運行人員正確的分析故障原因，縮短事故處理時間，徹底消除保護裝置原因不明的不正確動作行為，提高保護裝置的正確動作率。

（3）可以減少硬件品種數(shù)量和用戶的備品備件，減輕軟件及現(xiàn)場測試的工作量，顯著提高軟硬件的可靠性，提高裝置運行的可靠性。

3）環(huán)境效益

（1）微機保護和智能斷路器以其先進的網(wǎng)絡(luò)通訊功能納入到電廠綜合自動化系統(tǒng)之中，提高了設(shè)備的監(jiān)控水平，改善了運行工人的勞動環(huán)境，降低了工人勞動強度，提高了現(xiàn)場文明形象和質(zhì)量標準化水平。

（2）干式廠用變壓器改造后，無滲漏油現(xiàn)象，維護工作量少，安全文明形象大有轉(zhuǎn)變。

（3）各種微電子設(shè)備對人為的或自然的電壓、電流的沖擊越來越頻繁，它給我們生活和工作帶來了無法估算的損失，采用電磁浪涌保護器等防雷措施可減少電磁脈沖的沖擊，具有很重要的社會意義。

5 結(jié)論

通過方案的實施，為南屯礦電廠建設(shè)“安全高效型、本質(zhì)安全型”電廠提供了可靠的保障，為同類型綜合利用電廠電廠可靠性建設(shè)、提高自動化水平提供了積極的示范和帶動作用。其中關(guān)鍵技術(shù)“低壓負荷轉(zhuǎn)移為高壓負荷、新型變壓器的應(yīng)用、智能型無功補償裝置和智能開關(guān)的應(yīng)用，先進的微機保護自動化系統(tǒng)的應(yīng)用”可以應(yīng)用到同類型的配電系統(tǒng)中。