1000MW機(jī)組起/備電源引接方案研究

秦志英，姚紹紅

(河南省電力勘測設(shè)計院，河南 鄭州 450007)

為了保證機(jī)組在起停、正常運(yùn)行和事故等工況下能對廠用機(jī)械等可靠地供電，廠用電源及其引接必須可靠，要求除設(shè)置工作電源外，還應(yīng)設(shè)有備用電源。電廠起/備電源的可靠性對電廠的安全運(yùn)行起著重要作用，同時起/備電源的經(jīng)濟(jì)性對全廠的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著較大影響。要求起/備電源可靠性高，經(jīng)濟(jì)性好。尤其對1000MW機(jī)組，電廠與系統(tǒng)聯(lián)接電壓較高，采用500kV電壓的較多，起/備電源采用由外部電網(wǎng)引接專用線路供電時，受線路走廊設(shè)置、各種協(xié)議簽訂、備用電源基本容量費(fèi)收取等影響較大。同時1000MW機(jī)組的安全運(yùn)行對提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，起著重要作用，從而對備用電源的要求更高。因此，應(yīng)對起/備電源的引接方案進(jìn)行全面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，確定最佳的方案。

1 工程概況

1.1 工程建設(shè)規(guī)模

平頂山第二發(fā)電廠規(guī)劃容量4×1000MW，一期工程建設(shè)規(guī)模為2×1000MW超超臨界國產(chǎn)化燃煤發(fā)電機(jī)組，并留有擴(kuò)建余地。

1.2 500kV電氣主接線

根據(jù)平頂山第二發(fā)電廠的建設(shè)規(guī)模、接入系統(tǒng)條件，電廠一期2×1000MW機(jī)組以500kV一級電壓接入系統(tǒng)，出線兩回接入平頂山500kV變電站。遠(yuǎn)期4×1000MW機(jī)組，共3回500kV出線。經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析論證，一期工程500kV電氣主接線采用一個半斷路器接線，一期2回500kV出線，2回主變進(jìn)線，設(shè)2個完整串。

1.3 高壓廠用電接線

廠用電系統(tǒng)在保證可靠性的前提下，按盡量簡化接線，降低造價，便于維護(hù)管理的原則設(shè)計。根據(jù)廠用電負(fù)荷容量、廠用電負(fù)荷計算、電動機(jī)起動電壓校驗、電壓調(diào)整計算以及短路電流計算結(jié)果，經(jīng)過對廠用電采用10kV一級電壓、6kV一級電壓和10kV～6kV二級電壓進(jìn)行詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，采用10kV一級電壓，兩臺機(jī)高廠變數(shù)量少，接線簡單、設(shè)備布置清晰，可靠性高。采用10kV電壓時，短路電流及回來工作電流較小，高壓廠用系統(tǒng)可采用開斷電流為40kA的常規(guī)開關(guān)設(shè)備。回路電流較小，使得部分大容量電機(jī)電纜截面減小，電纜總量投資相對較少，經(jīng)濟(jì)性好。從運(yùn)行管理上，備品備件品種少，維護(hù)檢修、運(yùn)行管理工作量小。因此該工程高壓廠用電接線方案為：高壓采用10kV一級電壓，每臺機(jī)設(shè)一臺容量為78/45～45MVA的高壓廠用分裂變壓器，同時設(shè)兩段10kV母線。兩臺機(jī)組設(shè)一臺容量為78/45～45MVA的起動/備用分裂變壓器。主廠房不設(shè)高壓公用段。

2 高壓起動/備用電源引接原則及引接條件

2.1 高壓起動/備用電源引接原則

《火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計技術(shù)規(guī)定》4.5.5規(guī)定：高壓廠用備用或起動/備用電源，可采用下列引接方式：

(1)當(dāng)無發(fā)電機(jī)電壓母線時，由高壓母線中電源可靠的最低一級電壓母線或由聯(lián)絡(luò)變壓器的第三(低壓)繞組引接，并應(yīng)保證在全廠停電的情況下，能從外部電力系統(tǒng)取得足夠的電源。

(2)當(dāng)有發(fā)電機(jī)電壓母線時，由該母線引接1個備用電源。

(3)當(dāng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理時，可由外部電網(wǎng)引接專用線路供給。

2.2 高壓起動/備用電源引接條件

該工程為新建電廠，發(fā)電機(jī)升高電壓為500kV一級，廠內(nèi)無其它較低一級發(fā)電機(jī)升高電壓。因此，廠用高壓起動/備用變壓器電源有如下引接方式：

(1)由廠內(nèi)500kV母線引接；

(2)由發(fā)電機(jī)出口引接；

(3)由外部電網(wǎng)220 kV系統(tǒng)引接；

以上幾種廠用高壓起/備電源的引接方式的差異較大，主要表現(xiàn)在初投資不同、年運(yùn)行費(fèi)用不同，生產(chǎn)管理及可靠性也存在差異。

3 高壓起動/備用電源從220kV系統(tǒng)引接的技術(shù)及經(jīng)濟(jì)分析

3.1 技術(shù)分析

該工程高壓起動/備用電源可從距本廠15km的220kV魯山變電站220kV母線引接。魯山220kV變電站規(guī)劃兩臺主變壓器，一期設(shè)有1臺150MVA主變壓器，220kV采用雙母線接線，有兩回220kV線路與系統(tǒng)聯(lián)系，電源可靠性高，該變電站于2007年9月投運(yùn)。高壓起動/備用電源單線路引自魯山變220kV母線。該電源可靠性較高，可滿足運(yùn)行要求。

但15km的220kV線路經(jīng)過人口稠密的村莊，線路走廊設(shè)置較為困難，且線路維護(hù)工作量較大。

3.2 經(jīng)濟(jì)分析

(1)初投資

高壓起動/備用電源從外部電網(wǎng)220kV系統(tǒng)引接投資見表1。

表1 220kV電源投資

由220kV引接電源初投資共計約為1656萬元。

(2)電價投資(運(yùn)行費(fèi))

由于廠網(wǎng)分家，由地區(qū)電網(wǎng)引接的電廠起動/備用電源將按大工業(yè)用戶需收取基本電費(fèi)和電度電費(fèi)。按河南省發(fā)改委文件及河南電網(wǎng)收費(fèi)情況(豫發(fā)改價管(2005)499號)，大工業(yè)用戶的電價包含基本電價和電度電價兩部分，其中基本電價標(biāo)準(zhǔn)為20元/kVA.月(河南地區(qū))。本工程高壓起動/備用變壓器若從外部電網(wǎng)系統(tǒng)引接，則需按大工業(yè)用戶繳納基本電價費(fèi)，同時按使用情況繳納電度電費(fèi)。因此，不裝設(shè)發(fā)電機(jī)出口斷路器，78/45～45MVA高壓起動/備用變壓器，其每年基本電價為1872萬元。裝設(shè)發(fā)電機(jī)出口斷路器，備用停機(jī)變?nèi)萘堪垂ぷ髯兊娜萘?0%～100%設(shè)置，即選用50/31.5～31.5MVA高壓備用停機(jī)變壓器，其每年基本電價為1200萬元。

通過以上分析，對于高壓起動/備用電源從外部電網(wǎng)220kV系統(tǒng)引接方式，技術(shù)可行，但初投資較高，尤其是每年要繳納的基本電價太高，還有每年的線路運(yùn)行維護(hù)費(fèi)，經(jīng)濟(jì)性明顯很差。故本工程不考慮采用此引接方式。

4 高壓起動/備用變壓器電源引接方案

擬定兩個高壓起動/備用變壓器電源引接方案：

方案一：見圖1 起/備變電源從廠內(nèi)500kV母線引接。

一期高壓起動/備用變壓器設(shè)置一臺容量為78/45～45MVA的有載調(diào)壓分裂變壓器，電源從廠內(nèi)500kV母線引接。

方案二：見圖2 備用變電源從發(fā)電機(jī)出口引接。

圖2 方案二：備用變電源從發(fā)電機(jī)出口引接

由于備用電源由主變倒送電，因此必須裝設(shè)GCB，備用變?nèi)萘堪垂ぷ髯兊娜萘?0%～100%取，即本期高壓備用變壓器每臺機(jī)組設(shè)置一臺容量為50/31.5～31.5MVA的有載調(diào)壓分裂變壓器，作為另一臺機(jī)組的高壓廠用備用電源。其電源由發(fā)電機(jī)出口斷路器外側(cè)引接。

5 高壓起動/備用電源引接方案技術(shù)分析及經(jīng)濟(jì)比較

根據(jù)上述接線方案，對廠用高壓起動/備用變壓器電源引接方案進(jìn)行技術(shù)分析及經(jīng)濟(jì)比較：

5.1 技術(shù)分析

方案一高壓起動/備用電源從廠內(nèi)500kV配電裝置引接，與系統(tǒng)聯(lián)系密切，有較高的可靠性，且有利于廠用備用電源切換，運(yùn)行維護(hù)方便，技術(shù)優(yōu)勢明顯。

本工程500kV母線采用一個半斷路器接線，方案一起動/備用電源從廠內(nèi)500kV母線引接，可分為“進(jìn)串”方式和“不進(jìn)串”方式。

根據(jù)本廠情況，500kV采用一個半斷路器接線，兩回進(jìn)線及兩回出線已組成兩個完整串，若采用“進(jìn)串”方式，則需設(shè)一個不完整串，裝設(shè)兩臺斷路器。該接線方式可靠性較高，但投資費(fèi)用也高。“不進(jìn)串”方式即高壓起動/備用變壓器通過一臺斷路器接在一組500kV母線上，該接線方式運(yùn)行操作靈活、方便。

根據(jù)2007年5月11日國家電力監(jiān)管委員會和中國電力企業(yè)聯(lián)合會聯(lián)合舉辦的2007年電力可靠性指標(biāo)發(fā)布會公布的2005年、2006年度電力可靠性指標(biāo)，500kV母線及500kV斷路器可靠性指標(biāo)見表2。

表2 可靠性指標(biāo)及分析結(jié)果

由可靠性指標(biāo)及分析結(jié)果可知，高壓起動/備用電源從一組500kV母線上引接，可靠性可以滿足要求。

根據(jù)《火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計技術(shù)規(guī)定》4.5.3 3 ：“容量為600MW的機(jī)組，當(dāng)發(fā)電機(jī)出口不裝設(shè)斷路器或負(fù)荷開關(guān)時，每兩臺機(jī)組應(yīng)設(shè)一臺或兩臺高壓起動/備用變壓器?！痹摴こ虄膳_機(jī)組設(shè)一臺高壓起動/備用變壓器。該工程采用500kV一級電壓，高壓起動/備用電源從500kV母線上引接，避免了容量電費(fèi)。起動/備用變壓器采用500kV/10kV(6kV)一級降壓方式，已在多個600MW～1000MW機(jī)組工程中有成功的案例。

方案二備用電源由發(fā)電機(jī)出口引接方案。

根據(jù)《火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計技術(shù)規(guī)定》4.5.3 3 ：“容量為600MW的機(jī)組，當(dāng)發(fā)電機(jī)出口裝有斷路器和負(fù)荷開關(guān)時，4臺及以下機(jī)組可設(shè)置1臺高壓廠用起動/備用變壓器，其容量可為1臺高壓廠用變壓器的60%～100%?！睘楸苊饫U納容量電費(fèi)，擬采用裝設(shè)發(fā)電機(jī)出口斷路器(GCB)方案，每臺機(jī)設(shè)置1臺備用變，其電源分別由500kV通過2臺機(jī)組的主變倒送取得，兩臺機(jī)組交叉提供備用電源。其缺點是主變故障或檢修時，另一臺機(jī)組將失去備用停機(jī)電源。因此，此方案的備用電源可靠性相對較低。且高壓備用停機(jī)變壓器低壓側(cè)共箱母線的連接相對方案一復(fù)雜，有4條共箱封閉母線相連，交叉布置于主廠房A列外，布置比較困難。

5.2 經(jīng)濟(jì)比較

方案一、方案二主要電氣設(shè)備投資經(jīng)濟(jì)比較見表3。

表3 經(jīng)濟(jì)比較

從經(jīng)濟(jì)比較來看，方案二備用電源由發(fā)電機(jī)出口引接方案，本期投資比方案一不進(jìn)串方案多投資設(shè)備費(fèi)1701.5萬元，方案一進(jìn)串比不進(jìn)串多投資設(shè)備費(fèi)337.1萬元。

6 大變比起動/備用變壓器的應(yīng)用

6.1 大變比變壓器的優(yōu)勢

目前，大容量機(jī)組的發(fā)電廠以500kV一級電壓接入系統(tǒng)、廠內(nèi)設(shè)500kV升壓站的工程，采用大變比起動/備用變壓器的較多，這主要基于：

(1)大變比有載調(diào)壓分裂變壓器較之以前的兩級降壓變壓器(即500kV降為110kV，110kV再降為10或6kV)相比，具有設(shè)備少、可靠性高等優(yōu)點。根據(jù)可靠性計算原理，對于串聯(lián)回路，由于串聯(lián)結(jié)構(gòu)的故障率λS大于任一串聯(lián)元件的λi，那么串聯(lián)系統(tǒng)的壽命也取決于串聯(lián)元件中最弱的元件，并且比最弱的元件壽命還短。從延長系統(tǒng)壽命講，應(yīng)盡可能選擇故障率λi小的元件組成串聯(lián)系統(tǒng)，并且元件數(shù)目越少，壽命越長，即系統(tǒng)越簡化，可靠性越高。

(2)設(shè)備廠家已經(jīng)具備了生產(chǎn)大變比有載調(diào)壓分裂變壓器的能力并逐步積累了經(jīng)驗。目前我國大型變壓器制造廠商均已生產(chǎn)供貨并順利投運(yùn)多臺大變比分裂變壓器，且運(yùn)行狀況良好。

(3)采用單臺變壓器從布置上節(jié)省占地，符合國家節(jié)約土地資源的政策。

(4)變壓器設(shè)備的選型優(yōu)化，減少了變壓器損耗，達(dá)到了節(jié)能的目的，同時還減少了運(yùn)行維護(hù)工作量。

6.2 大變比變壓器的結(jié)構(gòu)要求

變壓器采用軸向分裂式。由于分裂繞組變壓器在正常工作和低壓側(cè)短路時電抗值不相同，低壓分裂繞組正常運(yùn)行時的電抗值，只相當(dāng)兩分裂繞組短路電抗的1/4，當(dāng)變壓器低壓側(cè)發(fā)生短路時，電抗值大大增加，從而起到限制短路電流的作用。同時，軸向分裂的變壓器對稱性好，整體結(jié)構(gòu)合理，2個低壓分裂繞組電氣參數(shù)相同，則其半穿越電抗值相等。

變壓器鐵心采用高質(zhì)量、低損耗的晶粒取向冷軋硅鋼片，用先進(jìn)方法迭裝和緊固，使變壓器鐵心不致因運(yùn)輸和運(yùn)行的振動而松動。

變壓器全部繞組用銅導(dǎo)線，繞組應(yīng)有良好的沖擊電壓波分布。繞組適度加固，引線應(yīng)充分緊固，器身形成堅固的整體，使其具有足夠耐受短路的強(qiáng)度，保證在運(yùn)輸時和在運(yùn)行中不發(fā)生相對位移。繞組內(nèi)部應(yīng)有較均勻的油流分布，油路通暢，避免繞組局部過熱。

為滿足廠用電源與起動/備用電源短時并列的要求，需選擇變壓器為全Y接線變壓器時，需加一輔助繞組，以減少附加損耗和局部過熱。

7 結(jié)論

廠用備用電源主要用于事故情況失去工作電源時，起后備作用，因此要求備用電源具有供電獨(dú)立、足夠的供電容量且與電力系統(tǒng)緊密聯(lián)系，在全廠停電情況下仍能從系統(tǒng)獲得廠用電源。起動電源對供電的可靠性要求更高。這對保證1000MW大容量機(jī)組快速起動，提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，起著重要作用。采用大變比起動/備用變壓器從技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)上具有明顯優(yōu)勢，保證了起動/備用電源由廠內(nèi)500kV母線引接、并采用一級電壓降壓的方案在大容量機(jī)組發(fā)電廠中的應(yīng)用，從而保證了從高壓系統(tǒng)取得可靠的起動/備用電源。

根據(jù)上述技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較分析，方案一起動/備用電源由廠內(nèi)500kV母線引接，與系統(tǒng)聯(lián)系密切，有較高的可靠性，且有利于廠用備用電源切換，運(yùn)行維護(hù)方便，技術(shù)優(yōu)勢明顯。方案二備用電源由發(fā)電機(jī)出口引接，其可靠性低于方案一，當(dāng)一臺機(jī)的主變故障或檢修，另一臺機(jī)組將失去廠用備用停機(jī)電源。且方案二投資高出方案一不進(jìn)串方案1701.5萬元。

綜上所述，由廠內(nèi)500kV引接起/備電源可靠性高，初投資最低，運(yùn)行費(fèi)用較低，因此，采用設(shè)置一臺大變比有載調(diào)壓分裂變壓器，由廠內(nèi)500kV一組母線引接高壓起/備電源方案。

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