淺析電廠1000MW機(jī)組廠用電壓等級(jí)的選擇優(yōu)化

李建強(qiáng)

（大唐三門峽電力有限責(zé)任公司，河南 三門峽 472143）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)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(jī)組將逐步越來越多的投入電力市場(chǎng)。這些大容量的發(fā)電機(jī)組今后將成為電力系統(tǒng)的主力機(jī)組。然而，隨著機(jī)組容量的加大，廠用電系統(tǒng)的規(guī)模及輔機(jī)容量也有較大幅度的提高，隨之帶來廠用電用電負(fù)荷的增大和高壓廠用變壓器及起動(dòng)備用變壓器容量的增大。單臺(tái)變壓器的容量增大，變壓器低壓側(cè)短路電流隨之增大。為了滿足電動(dòng)機(jī)起動(dòng)、自起動(dòng)及電壓水平的要求并將高廠變低壓側(cè)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(cè)還應(yīng)考慮采用10kV、6kV等不同電壓等級(jí)。

發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)是電廠的重要組成部分，合理的廠用電接線對(duì)于保證機(jī)組的安全連續(xù)運(yùn)行，降低廠用電率，方便操作和維護(hù)，節(jié)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(fù)荷容量、最大單臺(tái)電動(dòng)機(jī)功率、設(shè)備制造能力、短路電流大小、電動(dòng)機(jī)起動(dòng)母線電壓水平等諸多因素有關(guān)。本文根據(jù)公司1000MW機(jī)組工程的特點(diǎn)，對(duì)不同電壓等級(jí)和接線的廠用電方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，從整體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，來選擇確定最優(yōu)廠用電接線方案。

1 廠用系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)發(fā)電廠高壓廠用電系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在滿足電動(dòng)機(jī)起動(dòng)及自起動(dòng)電壓水平校驗(yàn)，將廠用母線短路水平限制到一定水平的情況下，應(yīng)選擇較簡(jiǎn)單的廠用電系統(tǒng)接線和合理的廠用電電壓，以滿足較好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)要求。

1.1 廠用系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案1

廠用電系統(tǒng)設(shè)置 10kV一級(jí)電壓，每臺(tái)機(jī)設(shè)兩段10kV母線；每臺(tái)機(jī)設(shè)一臺(tái)高壓廠用分裂變壓器，兩臺(tái)機(jī)組設(shè)一臺(tái)有載調(diào)壓分裂變壓器作為起動(dòng)/備用電源。圖1為10kV廠用電系統(tǒng)接線圖。

圖1 10kV廠用電系統(tǒng)接線圖

根據(jù)1000MW機(jī)組負(fù)荷要求，采用10kV一級(jí)電壓。每臺(tái)機(jī)組設(shè)置一臺(tái)68/38-38MVA的無勵(lì)磁調(diào)壓分裂高壓廠用工作變壓器，電源由發(fā)電機(jī)出口引接。每臺(tái)機(jī)組設(shè)兩段 10kV工作母線，向本單元機(jī)組廠用負(fù)荷供電（包括脫硫裝置用電負(fù)荷），不設(shè)置高壓公用段，全廠公用負(fù)荷分接于#5機(jī)和#6機(jī)10kV廠用工作母線段上。兩臺(tái)機(jī)組設(shè)一臺(tái)68/38-38MVA的有載調(diào)壓高壓起動(dòng)/備用變壓器，電源由本廠500kV母線引接。

1.2 廠用系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案2

廠用電系統(tǒng)設(shè)置6kV一級(jí)電壓，每臺(tái)機(jī)設(shè)三段6kV母線；每臺(tái)機(jī)設(shè)一臺(tái)高壓廠用工作分裂變壓器及一臺(tái)高壓廠用公用雙卷變壓器，兩臺(tái)機(jī)組設(shè)一臺(tái)分裂變壓器及一臺(tái)雙卷變壓器作為起動(dòng)/備用電源。圖2為10kV廠用電系統(tǒng)接線圖。

根據(jù)1000MW機(jī)組負(fù)荷要求，采用6kV一級(jí)電壓。每臺(tái)機(jī)組設(shè)置一臺(tái)50/29-29MVA的無勵(lì)磁調(diào)壓分裂高壓廠用工作變壓器及一臺(tái) 20MVA的無勵(lì)磁調(diào)壓雙卷高壓廠用公用變壓器，電源由發(fā)電機(jī)出口引接。每臺(tái)機(jī)組設(shè)2段6kV工作母線及1段主廠房6kV公用母線，本單元機(jī)組廠用負(fù)荷接于對(duì)應(yīng)機(jī)組6kV廠用工作母線段上，全廠公用負(fù)荷及脫硫負(fù)荷分接于每臺(tái)機(jī)組6kV廠用公用母線段上。兩臺(tái)機(jī)組設(shè)兩臺(tái)同高壓廠用變壓器同容量的起動(dòng)/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(tǒng)接線圖

1.3 廠用系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案3

廠用電系統(tǒng)設(shè)置6kV一級(jí)電壓，每臺(tái)機(jī)設(shè)兩段6kV母線；每臺(tái)機(jī)設(shè)一臺(tái)高壓廠用分裂變壓器，兩臺(tái)機(jī)組設(shè)一臺(tái)有載調(diào)壓分裂變壓器作為起動(dòng)/備用電源。高廠變、起備變?nèi)萘考皬S用母線段的設(shè)置同方案一。

1.4 各方案短路電流、電壓調(diào)整、電動(dòng)機(jī)起動(dòng)壓降及設(shè)備選擇

滿足母線的電壓波動(dòng)及電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)母線的電壓水平，限制廠用母線的短路水平，這是兩個(gè)相互制約的因素。變壓器阻抗越小對(duì)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)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(shè)備困難。選擇一個(gè)合適的變壓器阻抗，使其既滿足電壓波動(dòng)和電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的要求又能很好的限制短路電流，是高壓廠用電系統(tǒng)設(shè)計(jì)很重要的因素。經(jīng)過對(duì)三種方案進(jìn)行短路電流計(jì)算、電壓調(diào)整、電動(dòng)機(jī)起動(dòng)壓降等計(jì)算，結(jié)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(nèi)，電壓波動(dòng)水平和電動(dòng)機(jī)起動(dòng)壓降均能滿足《火力發(fā)電廠廠用電技術(shù)規(guī)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(shè)備比較困難，同時(shí)相應(yīng)的熱穩(wěn)定截面電纜太大。因此，方案三的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性較差，淘汰方案三。以下僅對(duì)方案一及方案二進(jìn)行詳細(xì)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)比較。

2 廠用系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案技術(shù)方面對(duì)比

2.1 主要電氣設(shè)備的選擇及生產(chǎn)情況

1）廠用變壓器

從廠用變壓器設(shè)備供貨上看，低壓側(cè)為10.5kV-10.5kV的分裂變壓器及低壓側(cè)為6.3kV-6.3kV的分裂變壓器屬于常規(guī)產(chǎn)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(yè)績(jī)。

2）斷路器及F－C回路開關(guān)柜

目前我國(guó)的生產(chǎn)廠家10kV、6kV開關(guān)柜均可生產(chǎn)，但高壓真空斷路器實(shí)際上采用的都是 12kV等級(jí)的斷路器，因此相同開斷能力在價(jià)格上10kV、6kV開關(guān)柜并無區(qū)別。高壓開關(guān)柜的 10kV F-C回路比6kV F-C回路的價(jià)格略高一點(diǎn)。開斷電流為40kA的高壓真空斷路器及F-C回路國(guó)內(nèi)廠家即可生產(chǎn)，而且技術(shù)成熟。50kA的高壓真空斷路器及F-C回路需采用進(jìn)口或合資技術(shù)產(chǎn)品。

3）電動(dòng)機(jī)

根據(jù)調(diào)研，6kV電動(dòng)機(jī)在電廠及一般企業(yè)使用較為廣泛，目前均為批量生產(chǎn)產(chǎn)品。10kV電動(dòng)機(jī)由于電壓高，絕緣加厚，鐵心加長(zhǎng)，使定子槽利用率低，容量越小，匝數(shù)越多，定子利用率越低，對(duì)小容量的電動(dòng)機(jī)制造來說不太經(jīng)濟(jì)。從目前對(duì)工程使用情況及生產(chǎn)廠家來看，容量為200kW以上的10kV電動(dòng)機(jī)用于發(fā)電廠從技術(shù)上、生產(chǎn)制造上及產(chǎn)品供貨上均無問題。

4）高壓電纜

對(duì)于高壓電動(dòng)機(jī)的電纜選擇，1000kW 以上斷路器供電回路的電動(dòng)機(jī)電纜選擇應(yīng)不小于熱穩(wěn)定截面并應(yīng)滿足額定電流；1000kW及以下F+C供電回路的電動(dòng)機(jī)電纜將按《高壓熔斷器加真空接觸器回路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)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(wěn)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(wěn)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(shè)備

10kV等級(jí)和 6kV等級(jí)的低壓干式變壓器，其絕緣等級(jí)均為 10kV級(jí)的。兩種電壓等級(jí)的低壓干式變壓器制造廠均能生產(chǎn)，從目前供貨情況看，價(jià)格基本相同。10kV和 6kV等級(jí)的動(dòng)力電纜在制造上絕緣稍有差別，價(jià)格上屬同一級(jí)別，相同截面價(jià)格差別不大。

綜上所述：10kV電氣設(shè)備與 6kV電氣設(shè)備在技術(shù)方面不存在問題，均已是成熟產(chǎn)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(jī)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(jī)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(tǒng)技術(shù)對(duì)比表

從表1比較可知采用方案一時(shí)，接線簡(jiǎn)單，可靠性高，高廠變數(shù)量少，共箱母線少。主廠房配電裝置布置簡(jiǎn)潔清晰；設(shè)備品種少及共箱母線少，備品備件品種少，維護(hù)檢修、運(yùn)行管理工作量小。

采用方案二時(shí)，接線相對(duì)復(fù)雜，變壓器數(shù)量多，高壓母線段數(shù)多。共箱母線段數(shù)多，主廠房配電裝置布置占地較多，布置緊張。

上述2個(gè)方案技術(shù)上都是可行的，但有所差異，方案一接線簡(jiǎn)單，方便運(yùn)行，共箱母線及配電裝置布置清晰簡(jiǎn)潔。在技術(shù)上有較大的優(yōu)勢(shì)。

3 廠用系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案經(jīng)濟(jì)方面對(duì)比

廠用電電壓和接線方案的選擇是否合理，不僅要從技術(shù)方面考慮方案的接線簡(jiǎn)單、供電可靠和運(yùn)行靈活、方便，在方案的經(jīng)濟(jì)性上，應(yīng)綜合考慮廠用電系統(tǒng)方案的綜合投資和運(yùn)行費(fèi)用。

主要設(shè)備及材料費(fèi)用對(duì)比如下。

1）廠用變壓器價(jià)格比較

據(jù)變壓器制造廠家最新介紹，變壓器的價(jià)格和容量成正比，方案一為：10kV一臺(tái)分裂，方案二為6kV一臺(tái)分裂變＋一臺(tái)雙卷變，很明顯，方案二價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于方案一，據(jù)大概計(jì)算，2臺(tái)機(jī)總計(jì)方案一較方案二節(jié)省900多萬元。

2）10kV和6kV斷路器及柜體價(jià)格比較

對(duì)于真空斷路器開關(guān)柜，國(guó)內(nèi)（包括合資廠）生產(chǎn)的6kV真空斷路器開關(guān)柜與10kV真空斷路器開關(guān)柜一般為同一產(chǎn)品，均為 10kV產(chǎn)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(guān)柜數(shù)量較多，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)：2臺(tái)機(jī)總計(jì)方案一節(jié)省投資約300多萬元。

3）10kV和6kV電動(dòng)機(jī)價(jià)格比較

據(jù)制造廠最新介紹，10kV大容量電機(jī)比 6kV電動(dòng)機(jī)大約貴 10%；10kV中小型容量電機(jī)比 6kV電動(dòng)機(jī)大約貴20%。根據(jù)1000MW機(jī)組廠用系統(tǒng)標(biāo)配電動(dòng)機(jī)大概計(jì)算：2臺(tái)機(jī)總計(jì)10kV電動(dòng)機(jī)比6kV電動(dòng)機(jī)多支出400多萬元。

4）10kV和6kV封閉、共箱母線價(jià)格比較

對(duì)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(jià)格略高，同時(shí) 6kV母線需要的數(shù)量較多，2臺(tái)機(jī)總計(jì) 10kV較6kV封閉母線節(jié)省投資200余萬元。

5）10kV和6kV高壓電纜價(jià)格比較

由上可知：10kV電纜的最小熱穩(wěn)定截面為95mm2；6kV最小熱穩(wěn)定截面均為120mm2，很明顯采用6kV電壓等級(jí)，回路工作電流大，導(dǎo)致電纜根數(shù)增加和截面增大，造價(jià)也高，據(jù)估算，2臺(tái)機(jī)總計(jì)10kV較6kV高壓電纜節(jié)省投資80多萬元。

綜上所述：廠用電系統(tǒng)選用 10kV電壓等級(jí)較6kV電壓等級(jí)節(jié)省投資約1100萬元。

4 10kV與6kV電壓等級(jí)運(yùn)行能耗對(duì)比

提高工業(yè)生產(chǎn)效率、降低單位產(chǎn)值能量消耗。電廠不僅是電能的生產(chǎn)者，同時(shí)也消耗大量電能。廠用電電壓等級(jí)是否合理，將直接影響發(fā)電廠的電能能耗。所以，對(duì)各種電壓等級(jí)的廠用電系統(tǒng)的能耗進(jìn)行分析研究是十分必要的。以下將對(duì)6kV、10kV高壓電動(dòng)機(jī)的效率及對(duì)應(yīng)電纜的損耗、高壓廠用變壓器的空載及負(fù)載損耗進(jìn)行分析研究。

4.1 電動(dòng)機(jī)的效率比較

在電力系統(tǒng)中，通常低容量的電動(dòng)機(jī)采用較低的電壓等級(jí)可以獲得較高的運(yùn)行效率；高容量的電動(dòng)機(jī)采用較高的電壓等級(jí)也可以獲得較高的運(yùn)行效率。根據(jù)從電機(jī)制造廠獲得的數(shù)據(jù)來看，大多數(shù)的較小容量的高壓電動(dòng)機(jī)，6kV的效率略高于 10kV的，隨著電動(dòng)機(jī)容量的加大，兩者效率差別越小，當(dāng)高壓電動(dòng)機(jī)的容量在3000kW左右時(shí)，6kV電動(dòng)機(jī)與 10kV電動(dòng)機(jī)的效率基本相同，容量再大時(shí)，10kV電壓的效率反略高于 6kV電壓的。參考多個(gè)電機(jī)制造廠提供的數(shù)據(jù)，6kV電動(dòng)機(jī)與 10kV電動(dòng)機(jī)的效率差約為 0.5%～-0.1%。而且，小容量電動(dòng)機(jī)如輸煤皮帶等運(yùn)行時(shí)間較短，大容量電動(dòng)機(jī)如循環(huán)水泵、一次引風(fēng)機(jī)等運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，因此，采用10kV電動(dòng)機(jī)的利用效率較高。

4.2 高壓電纜的損耗比較

對(duì)于高壓電動(dòng)機(jī)的電纜選擇，10kV電纜的最小熱穩(wěn)定截面為95mm2；6kV高壓電纜的最小熱穩(wěn)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(wěn)定電纜截面大于 10kV熱穩(wěn)定電纜截面，即6kV熱穩(wěn)定電纜截面電阻小于10kV熱穩(wěn)定電纜截面電阻，但10kV電動(dòng)機(jī)電流小于6kV電動(dòng)機(jī)電流，而損耗同電流的平方成正比，因此 10kV電動(dòng)機(jī)的電纜損耗小于 6kV電動(dòng)機(jī)的。經(jīng)計(jì)算，10kV電壓等級(jí)電動(dòng)機(jī)電纜總損耗（2臺(tái)機(jī)）小于6kV電壓等級(jí)約14kW。

4.3 高壓廠用變壓器的損耗

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

表2 高壓廠用變壓器運(yùn)行損耗對(duì)比表

綜上所述，經(jīng)對(duì)1000MW機(jī)組的6kV或10kV高壓電動(dòng)機(jī)的效率及對(duì)應(yīng)電纜的損耗、高壓廠用變壓器的空載及負(fù)載損耗進(jìn)行定量分析研究，廠用電系統(tǒng)運(yùn)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(yùn)行損耗相差不大。

5 結(jié)論

從以上對(duì)廠用系統(tǒng)10kV與6kV兩種方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較得出：方案一（10kV）在技術(shù)與經(jīng)濟(jì)上均有明顯優(yōu)勢(shì)，推薦采用方案一：10kV一級(jí)電壓，每臺(tái)機(jī)組設(shè)一臺(tái)高壓廠用分裂變,二段10kV母線方案。方案1高廠變數(shù)量少，接線簡(jiǎn)單、供電可靠性高，有利安全運(yùn)行。從經(jīng)濟(jì)上看，整個(gè)高壓廠用系統(tǒng)的開斷電流為40kA，可選用較小開斷容量的開關(guān)柜設(shè)備，設(shè)備選擇范圍大；高壓廠用變壓器數(shù)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(dòng)機(jī)的投資有所增加，但總的造價(jià)較低。此外，從運(yùn)行管理上看，該方案配電裝置占地少，維護(hù)檢修、運(yùn)行管理工作量小。

6 對(duì)1000MW機(jī)組廠用電系統(tǒng)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(fēng)機(jī)和增壓風(fēng)機(jī)合并是工藝，電動(dòng)機(jī)容量已高達(dá)上萬千瓦時(shí)，用 6kV一級(jí)電壓經(jīng)計(jì)算：在滿足短路電流50kA水平的條件下，已逐步出現(xiàn)不滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求的電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)母線電壓水平的要求。

2）建議電氣設(shè)備廠家在進(jìn)行開關(guān)、電動(dòng)機(jī)等設(shè)備時(shí)將10kV設(shè)備與6kV設(shè)備放在同一平臺(tái)，便于用戶進(jìn)行選擇。

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