中石化(香港)海南石油有限公司 張東升
根據(jù)全廠蒸汽平衡結(jié)果,動(dòng)力站建設(shè)規(guī)模為2臺(tái)310t/h 循環(huán)流化床鍋爐及2臺(tái)CC50-8.83/4.12/1.27雙抽汽、凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組,發(fā)電機(jī)額定功率55MW、額定容量68.75MVA。經(jīng)統(tǒng)計(jì),1#爐10kV 廠用電設(shè)備和負(fù)荷計(jì)算為中壓電機(jī)(≥2000kW)5臺(tái)、中壓電機(jī)(<2000kW)17臺(tái)、低壓變壓器6臺(tái),計(jì)算負(fù)荷約15300kVA。2#爐10kV 廠用電設(shè)備和負(fù)荷計(jì)算為中壓電機(jī)(≥2000kW)5臺(tái)、中壓電機(jī)(<2000kW)17臺(tái)、低壓變壓器6臺(tái),計(jì)算負(fù)荷約15000kVA。根據(jù)發(fā)電機(jī)功率和自用電負(fù)荷,確定升壓變壓器容量為63MVA,高備變?nèi)萘?0MVA。
動(dòng)力站廠用電系統(tǒng)主接線是確保動(dòng)力站安全、平穩(wěn)、可靠和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵,是電氣設(shè)備選型、布置、自動(dòng)化水平和二次回路設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ),對(duì)動(dòng)力站廠用電主接線設(shè)計(jì)和設(shè)備選型的要求如下。
保證動(dòng)力站站用電的可靠性,每臺(tái)鍋爐及對(duì)應(yīng)機(jī)組的供電系統(tǒng)應(yīng)該相對(duì)獨(dú)立,防止一臺(tái)鍋爐和機(jī)組的供電母線故障,影響其他鍋爐和機(jī)組的正常運(yùn)行;根據(jù)用電負(fù)荷的要求,對(duì)重要用電設(shè)備的供電電源容量須有充分的裕度和可靠性。要考慮事故情況下防止故障擴(kuò)大、限制事故波及范圍和快速進(jìn)行事故處理的措施,要首先保證主要用電設(shè)備不受損,并能迅速開機(jī)使機(jī)組快速恢復(fù)運(yùn)行;運(yùn)行方式調(diào)整要靈活可靠,檢修調(diào)試安全方便。系統(tǒng)接線要清晰、簡(jiǎn)單,便于機(jī)組的啟、停操作及事故處理;設(shè)備選型合理、技術(shù)成熟、先進(jìn)、可靠并節(jié)約投資。
根據(jù)外部電網(wǎng)接入系統(tǒng)方案,全廠接入系統(tǒng)電壓等級(jí)為220kV,由電力系統(tǒng)引兩路220kV 電源接至廠內(nèi)總變電所220kV 母線,主供電系統(tǒng)電壓采用35kV,配電系統(tǒng)電壓等級(jí)采用10kV 和0.4kV。綜合考慮,發(fā)電機(jī)至升壓變壓器和廠用電主接線采用常規(guī)接線方式,即:動(dòng)力站內(nèi)不設(shè)35kV 配電裝置,采用發(fā)變組單元接線,發(fā)電機(jī)(55MW)經(jīng)主變壓器(63MVA)升壓至35kV 分別接至總變電所的35kV 母線。發(fā)電機(jī)出口設(shè)置斷路器。用發(fā)電機(jī)出口斷路器作為發(fā)電機(jī)的同期并網(wǎng)點(diǎn)。廠用電分支接在升壓變壓器低壓側(cè),從升壓變至發(fā)電機(jī)出口斷路器之間母線引出,連接方式根據(jù)短路電流計(jì)算情況待定。
圖1 全廠電力系統(tǒng)一次主接線圖
本文主要目的是通過計(jì)算最大運(yùn)行方式下三相短路電流,對(duì)10kV 斷路器開斷短路電流進(jìn)行選擇,進(jìn)而對(duì)不同的主接線方案進(jìn)行對(duì)比,最終確定最合理的動(dòng)力站電氣系統(tǒng)主接線方案。本文只對(duì)系統(tǒng)最大運(yùn)行方式下三相對(duì)稱短路電流進(jìn)行計(jì)算,因電動(dòng)機(jī)反饋電流不對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響,為簡(jiǎn)化計(jì)算過程,未計(jì)算和考慮電動(dòng)機(jī)反饋電流的數(shù)值。各設(shè)備參數(shù)如下:
220/35 kV 主變:容量150MVA,阻抗電壓18%,X*=0.12;動(dòng)力站發(fā)電機(jī)升壓變:容量63MVA,阻抗電壓14%,X*=0.2222;動(dòng)力站發(fā)電機(jī):容量為68.75MVA,電抗15%,X*=0.2182。根據(jù)系統(tǒng)接入設(shè)計(jì)院的計(jì)算,220kV 母線上外部電力系統(tǒng)提供的三相最大短路電流I =26.7kA,短路容量S=10680MVA,電抗標(biāo)幺值0.0094。電力系統(tǒng)正序阻抗圖見圖2。企業(yè)內(nèi)部電力系統(tǒng)最大運(yùn)行方式為:總變電所220kV 配電裝置雙母線合環(huán)運(yùn)行,兩臺(tái)220/35kV 主變壓器并列運(yùn)行,35kV 總站雙母線合環(huán)運(yùn)行,兩臺(tái)發(fā)電機(jī)通過35kV 總站掛靠系統(tǒng)運(yùn)行。
圖2 電力系統(tǒng)正序阻抗圖
廠用電從發(fā)電機(jī)出口母線分支通過進(jìn)線開關(guān)直接接入,每臺(tái)發(fā)電機(jī)對(duì)應(yīng)一段母線,高備段通過斷路器分別和兩段母線相聯(lián)。選擇廠用電母線d1點(diǎn)計(jì)算三相最大短路電流。
計(jì)算220kV 外電網(wǎng)供給d1點(diǎn)的短路電流?;鶞?zhǔn)容量100MVA、 基準(zhǔn)電流5.50kA, 則I"=5.5/0.3266=16.84kA;計(jì)算1#發(fā)電機(jī)供給d1點(diǎn)的短路電流。發(fā)電機(jī)支路的等值電抗換算到以發(fā)電機(jī)容量為基準(zhǔn)值時(shí)的標(biāo)幺值為:Xc=0.2182×68.75/100=0.15。經(jīng)查汽輪機(jī)運(yùn)算曲線,等到短路電流標(biāo)幺值:I"=7.24kA,換算到發(fā)電機(jī)額定電壓下的額定電流IG1"=3.78×7.24=27.36kA。
圖3 方案一系統(tǒng)圖
圖4 方案一標(biāo)幺值電抗等值電路系統(tǒng)圖
圖5 簡(jiǎn)化后的等值電路
計(jì)算2#發(fā)電機(jī)供給d1點(diǎn)的短路電流。發(fā)電機(jī)支路的等值電抗換算到以發(fā)電機(jī)容量為基準(zhǔn)值時(shí)的標(biāo)幺值為:Xc=2.075×68.75/100=1.43,經(jīng)查汽輪機(jī)運(yùn)算曲線,等到短路電流標(biāo)幺值:I"=0.72kA,換算到發(fā)電機(jī)額定電壓下的發(fā)電機(jī)額定電流IrG=68.75/IG2"=3.78×0.72=2.72kA;d1點(diǎn)的總短路電流:I"=IS"+IG1"+IG2"=16.84+27.36+2.72=46.92kA。
根據(jù)計(jì)算結(jié)果,在未考慮電機(jī)反饋電流的情況下,廠用電母線最大運(yùn)行方式下短路電流為46.92kA,則選擇廠用電開關(guān)柜斷路器開斷電流應(yīng)≥46.92kA,一般常用鎧裝中壓開關(guān)柜開斷電流規(guī)格為25kA、31.5kA 和40kA,40kA 以上開斷電流的開關(guān)柜一次投資很高,所以方案一電氣設(shè)備選擇難度大,經(jīng)濟(jì)性差,該方案不可取。
由于方案一設(shè)備選擇難度大,一次性投資高,為解決方案一存在的問題,常規(guī)設(shè)計(jì)采用在廠用電進(jìn)線斷路器前加裝限流電抗器的典型做法,限流電抗器主要作用是當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí),利用其電感特性,限制系統(tǒng)提供的短路電流,降低故障點(diǎn)引起的短路電流對(duì)系統(tǒng)的沖擊,提高系統(tǒng)的殘壓,同時(shí)降低斷路器選擇的額定開斷電流值,節(jié)省一次投資費(fèi)用。
圖6 方案二系統(tǒng)圖
圖7 方案二標(biāo)幺值電抗等值電路
2.2.1 限流電抗的參數(shù)選擇
加裝限流電抗器后,為同時(shí)兼顧短路電流控制水平和電壓降水平,且考慮到廠用Ⅰ段和廠用Ⅱ段互帶的運(yùn)行方式,限流電抗器額定電流選擇為2000A、額定電壓10.5kV、額定電抗按下式進(jìn)行選擇:XL%=(Ij/Iky-X*s×Irk/Urk×Uj/Ij×100%,式中Iky 為短路電流的最大允許值,此處取20kA。XL%=((5.5/20-0.1231)×2000/5500×10.5/10.5×100%)=5.52%。因采用輕型電氣設(shè)備和較小的電纜熱穩(wěn)定截面的需要,綜合考慮額定電抗選8%,電抗標(biāo)幺值為0.22。
2.2.2 短路計(jì)算
圖8 簡(jiǎn)化后的等值電路
計(jì)算220kV 外電網(wǎng)供給d1點(diǎn)的短路電流?;鶞?zhǔn)容量100MVA、基準(zhǔn)電流5.50kA,則IS"=5.5/0.91=6.04kA;計(jì)算1#發(fā)電機(jī)供給d1點(diǎn)的短路電流。發(fā)電機(jī)支路的等值電抗換算到以發(fā)電機(jī)容量為基準(zhǔn)值時(shí)的標(biāo)幺值為:X×c=0.61×68.75/100=0.42。經(jīng)查汽輪機(jī)運(yùn)算曲線,等到短路電流標(biāo)幺值:IG1"=2.531,換算到電壓10.5的發(fā)電機(jī)額定電流IrG=68.75/IG1"=3.78×2.531=9.57kA。
計(jì)算2#發(fā)電機(jī)供給d1點(diǎn)的短路電流。發(fā)電機(jī)支路的等值電抗換算到以發(fā)電機(jī)容量為基準(zhǔn)值時(shí)的標(biāo)幺值為:X×c=5.78×68.75/100=3.97,因等效電抗標(biāo)幺值X×c >3,則通過該支路的短路電流交流分量有效值I"在整個(gè)短路過渡過程中可認(rèn)為不衰減,因而可按無限大電源容量系統(tǒng)考慮,直接用公式算出,即:;d1點(diǎn)的總短路電流:I"=IS"+IG1"+IG2"=6.04+9.57+0.95=16.56kA。
2.2.3 電壓損失校驗(yàn)
正常運(yùn)行時(shí)電抗器電壓損失ΔU%不得大于系統(tǒng)額定電壓的5%,ΔU%主要由電流的無功分量Imaxsinφ 產(chǎn)生,則ΔU%≈X%/100Imax/Insinφ×100%=6%/100×1500/2000×0.6×100%=2.7%,ΔU%≤5%。經(jīng)過計(jì)算,系最大運(yùn)行方式下,系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)提供的10kV 短路電流為16.56kA,斷路器開斷電流可選擇為25kA,電抗器壓損≤5%。
通過加裝限流電抗器,解決了方案一存在的缺陷,滿足標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范對(duì)廠用電的要求,這種接線方式也是石化企業(yè)動(dòng)力站最常用的主接線方式,基本上可滿足各方面的需要,石化企業(yè)動(dòng)力站廠用電基本上都采用這種主接線方式,優(yōu)點(diǎn)是接線簡(jiǎn)單、投資較低、經(jīng)濟(jì)性較好,缺點(diǎn)是由于一條母線對(duì)應(yīng)一機(jī)一爐,導(dǎo)致母線上故障或饋線短路都會(huì)對(duì)相應(yīng)機(jī)、爐的正常運(yùn)行造成波動(dòng)和影響,甚至?xí)斐赏t停機(jī),從而不能保證爐機(jī)的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。且日常廠用母線上啟動(dòng)大功率異步電動(dòng)機(jī)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大的電壓降低,可能會(huì)影響其它設(shè)備正常運(yùn)行。
由于廠用電設(shè)備較多,設(shè)計(jì)目標(biāo)要求動(dòng)力站長(zhǎng)周期運(yùn)行,廠用母線沒有可能安排專門的檢修和故障處理周期,能不能有一種更合理的主接線方式,既能在故障情況下降低廠用母線故障點(diǎn)的短路電流,減少斷路器短路開斷電流,又能滿足母線及用電設(shè)備檢維修的靈活性,又能在正常運(yùn)行時(shí)減少電能損耗。根據(jù)以上要求,可采用分裂電抗器代替限流電抗器,同時(shí)將廠用ⅠⅡ段分為Ⅰ1、Ⅰ2和Ⅱ1、Ⅱ2段,分別接在分裂電抗器兩個(gè)分支上。
2.3.1 結(jié)構(gòu)、主接線、參數(shù)選擇、短路電流計(jì)算
分裂電抗器的結(jié)構(gòu)。和普通電抗器基本相同,不同處是在電抗線圈的中間有一個(gè)抽頭,用來連接電源側(cè),于是一個(gè)電抗器形成兩個(gè)引出分支,此二分支可各接一段母線,其電抗及額定電流相等。圖9中3接電源側(cè)、1(或2)側(cè)短路時(shí)有XL1%=XL%,圖中f 為分裂電抗器的互感系數(shù),取0.5。
圖9 分裂電抗器接線圖和阻抗圖
采用分裂電抗器后的主接線。采用分裂電抗器后將原有單母線分段的2段母線每一段又分為兩個(gè)半段,用電負(fù)荷分配盡量平衡。該接線方式即提高了供電的可靠性,同時(shí)又可限制電動(dòng)機(jī)反饋電流,而且可根據(jù)情況在保證爐、機(jī)正常運(yùn)行的情況下半段母線退出運(yùn)行,給檢修帶來方便,可保證動(dòng)力站的長(zhǎng)周期運(yùn)行。
圖10 方案三主接線圖
圖11 方案三標(biāo)幺值電抗等值電路
分裂電抗器參數(shù)選擇。分裂電抗器額定電流選擇為2×1000A,額定電壓10.5,額定電抗計(jì)算為:XL%=(Ij/Iky-X*s×Irk/Urk×Uj/Ij×100%,式中Iky 為短路電流的最大允許值,此處取20kA。XL%=(5.5/20-0.1231)×1000/5500×10.5/10.5×100%=2.8%。為滿足動(dòng)穩(wěn)定要求,額定電抗選4%、電抗標(biāo)幺值為0.22。
短路電流計(jì)算。電路簡(jiǎn)化和短路計(jì)算過程同方案二,d1點(diǎn)系統(tǒng)最大方式下三相短路電流為:I"=IS"+IG1"+IG2"=6.04+9.57+0.95=16.56kA,電壓損失校驗(yàn)ΔU%≈2.7%≤5%。經(jīng)過計(jì)算,最大運(yùn)行方式下d1點(diǎn)短路,系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)提供的10kV 短路電流為16.56kA,和方案二相同,斷路器開斷電流可選擇為25kA。電抗器壓損≤5%,滿足規(guī)范要求。
2.3.2 電壓波動(dòng)校驗(yàn)
在正常運(yùn)行情況下,由于兩段負(fù)荷基本平衡,分裂電抗器的本身電壓損失很小,且兩分支臂母線上的電壓差值也很小,但當(dāng)兩分支臂負(fù)荷變化較大時(shí),可能會(huì)引起較大的電壓波動(dòng)。正常運(yùn)行,要求兩分支臂所帶母線的電壓波動(dòng)不大于母線額定電壓的5%,下面計(jì)算極端情況下,電壓波動(dòng)值是否滿足要求。極端情況假定為Ⅰ2段運(yùn)行但無負(fù)荷,即I2=0,Ⅰ1段運(yùn)行,電流為額定電流,即I1=1000A,則:
U1%=U%-XL%(I1/Insinφ1-fI2/Insinφ2),U2%=U%-XL%(I2/Insinφ2-fI1/Insinφ1),式中:XL%=4%cosφ=0.8sinφ=0.6In=1000Af=0.5,U1%-U%=-4%×1000/1000×0.6,ΔU1%=-2.4%,U2%-U%=-4%×(-0.5)×1000/1000×0.6,ΔU2%=1.2%。計(jì)算結(jié)果表明兩條分支臂的電壓波動(dòng)在母線額定電壓±5%以內(nèi),滿足要求。
2.3.3 電壓偏移校驗(yàn)
一條臂母線短路時(shí)電壓側(cè)殘壓及另一條臂母線電壓偏移校驗(yàn),假設(shè)Ⅰ1段母線短路,短路電流為Ik,則分裂電抗器電源側(cè)的殘壓百分值U%及正常臂母線Ⅰ2段上的電壓百分值U2%可計(jì)算為:U%=(XL1%)/100(Ik/In-fI2/Insinφ2)×100(%),U2%=XL1%/100(1+f)(Ik/In-I2/Insinφ2)×100(%),式中設(shè)極端情況:XL1%=4%Ik/In=16.56I2=1000f=0.5cosφ2=0.8sinφ2=0.6,U%=0.04×(16.56-0.5×0.6)=65%,滿足不低于60%~70%的電壓額定值的要求。
另一條臂母線電壓偏移校驗(yàn):U2%=XL1%/100(1+f)(Ik/In-I2/Insinφ2)×100%,U2%=0.04×(1+0.5)×(16.56-0.6)=95.76%,由計(jì)算結(jié)果可見,在一條臂母線短路另一條臂母線會(huì)略有降低,但不會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)誤動(dòng)作,對(duì)正常的電氣設(shè)備運(yùn)行沒有影響。
2.3.4 正常運(yùn)行時(shí)單臂的電壓降
ΔU=I/2×(1+f)XL-I×f×XL=I/2(1-f)XL,取f=0.5得ΔU=0.25IXL。從以上計(jì)算結(jié)果可以看出,相同電抗值XL 普通電抗器和分裂電抗器相比,正常運(yùn)行時(shí),分裂電抗器每個(gè)分支的電抗只有普通電抗器電抗XL的1/4,每條分支臂的電壓損失比相同電抗值的普通電抗器減少3/4。
2.3.5 母線短路時(shí)的電壓降
當(dāng)一條分支短路時(shí),由于短路電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于另一條分支的電流,該分支的負(fù)荷電流可以忽略,故障分支的電壓降為:ΔU=I×(1+f)XL-I×f×XL=I×XL,當(dāng)分裂電抗器的一條分支臂所帶母線短路時(shí),分裂電抗器對(duì)應(yīng)分支臂電抗是正常運(yùn)行電抗值的4倍,相當(dāng)于電抗值為XL的普通電抗器,此時(shí)限制短路的能力相當(dāng)于普通限流電抗器,明顯起到了限制短路電流的作用。
分裂電抗器有以上特性的原因主要是由分裂電抗器的結(jié)構(gòu)決定的,正常運(yùn)行時(shí),由于兩分支臂中電流方向相反,使兩分支的電抗減小,因而電壓損失減小。當(dāng)其中一個(gè)分支所帶母線發(fā)生短路時(shí),該分支流過系統(tǒng)側(cè)提供的短路電流,而另一分支的依然是正常負(fù)荷電流,數(shù)值相對(duì)于另一分支的短路電流來說很小,可以忽略其作用,則流過短路電流的分支電抗增大,使短路電流降低,同時(shí)維持電源側(cè)較高的殘余電壓。
分裂電抗器參數(shù)選擇不當(dāng),運(yùn)行過程中也會(huì)存在一定的問題,如當(dāng)兩個(gè)分支負(fù)荷電流不相等或負(fù)荷電流短時(shí)間內(nèi)變化過大時(shí),將引起兩分支母線電壓偏差增大,使分分支所帶母線電壓波動(dòng)較大,造成母線所帶電氣設(shè)備工作不穩(wěn)定,甚至母線出現(xiàn)過電壓的情況。本文中按極端情況對(duì)電壓偏差進(jìn)行了核算,由于電抗器參數(shù)選擇合理,校驗(yàn)結(jié)果都在正常范圍之內(nèi)。
經(jīng)過三個(gè)方案的對(duì)比,由于方案三的諸多優(yōu)越性,最終確定采用分裂電抗器方案,該方案需將原廠用10kV Ⅰ段分為廠用Ⅰ1段和Ⅰ2段,原廠用Ⅱ段分為廠用Ⅱ1段和Ⅱ2段,為保證正常運(yùn)行時(shí),減小電壓波動(dòng),Ⅰ1段和Ⅰ2段、Ⅱ1段和Ⅱ2段負(fù)荷分配時(shí)應(yīng)進(jìn)行均衡,使得運(yùn)行電流盡量相同。相比限流電抗器方案,分裂電抗器母線分為四段,斷路器數(shù)量有所增加,但運(yùn)行方式調(diào)整更為靈活,在不停運(yùn)鍋爐和發(fā)電機(jī)的情況下,可對(duì)對(duì)應(yīng)兩段母線分別停電檢修,為動(dòng)力站長(zhǎng)周期運(yùn)行創(chuàng)造良好基礎(chǔ)。
圖12 最終系統(tǒng)主接線圖
廠用電負(fù)荷為電動(dòng)機(jī)和變壓器,采用常規(guī)繼電保護(hù)配置配置即可,對(duì)于≥2000kW 的異步電動(dòng)機(jī),設(shè)磁平衡差動(dòng)保護(hù);廠用Ⅰ1段、Ⅰ2段、Ⅱ1段、Ⅱ2段和高備段之間采用快切裝置,在Ⅰ1段、Ⅰ2段、Ⅱ1段、Ⅱ2段進(jìn)線開關(guān)上側(cè)動(dòng)作時(shí),高備段快速投入,保證Ⅰ1段、Ⅰ2段、Ⅱ1段、Ⅱ2段各設(shè)備正常供電;分裂電抗器主保護(hù)采用差動(dòng)保護(hù),包括差動(dòng)速斷、帶二次、五次諧波制動(dòng)的比例制動(dòng)差動(dòng)保護(hù),電抗器分列端二路CT 并聯(lián)接入差動(dòng)保護(hù)的一端或按三繞組變壓器差動(dòng)保護(hù)CT 接法分別接入,此外還設(shè)置三段式電流保護(hù)、零序電流保護(hù),保護(hù)動(dòng)作跳對(duì)應(yīng)廠用電1和2段進(jìn)線斷路器、對(duì)應(yīng)發(fā)電機(jī)出口斷路器和對(duì)應(yīng)35kV 母線出線斷路器。
綜上所述,采用分裂電抗器代替限流電抗器,除了保留限流電抗器原有特點(diǎn)外,還具備了獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),即正常運(yùn)行時(shí)阻抗較小、電壓損失較小,而在發(fā)生母線短路時(shí)阻抗增大,又能起到限流作用。分裂電抗器的特點(diǎn)突出,應(yīng)用理論也較為成熟,但是實(shí)際使用卻很少,在本項(xiàng)目中,經(jīng)過反復(fù)論證,最終在動(dòng)力站廠用電接線中采用分裂電抗器按四段母線進(jìn)行設(shè)計(jì),從投用幾年來的使用情況看,完全達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo),運(yùn)行效果良好,對(duì)石化企業(yè)動(dòng)力站廠用電的主接線方案選擇具有一定的參考價(jià)值。