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      水電廠空載調(diào)壓的運(yùn)行分析及應(yīng)對(duì)措施

      2022-10-25 05:28:18陳曉輝焦華偉李浩波
      水電站機(jī)電技術(shù) 2022年10期
      關(guān)鍵詞:調(diào)壓線電壓電廠

      陳曉輝,焦華偉,李浩波

      (1.五凌電力有限公司五強(qiáng)溪水電廠,湖南 懷化 419600;2.湖南省水電智慧化工程技術(shù)研究中心,湖南 長沙 410004)

      1 概述

      水電廠一般地處偏遠(yuǎn)山區(qū),遠(yuǎn)離負(fù)荷中心,送出線的架空線路較長,在夜間負(fù)荷處于低谷時(shí)間段內(nèi),由于空載架空線路對(duì)地電容的影響,在送出線路末端產(chǎn)生大量的容性無功,從而出現(xiàn)有功平衡無功過剩的情況,導(dǎo)致水電廠母線電壓過高越限,母線電壓過高,對(duì)電氣設(shè)備和系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行均造成不良影響,為使系統(tǒng)的無功達(dá)到平衡從而降低母線電壓,水電廠發(fā)電機(jī)組一般以深度進(jìn)相的方式運(yùn)行來吸收電網(wǎng)系統(tǒng)多余的無功,而有功輸出幾乎為零,即空載調(diào)壓運(yùn)行方式。然而空載調(diào)壓對(duì)水電機(jī)組產(chǎn)生了非常不良的影響:①空載調(diào)壓運(yùn)行一般都是在機(jī)組的振動(dòng)區(qū)運(yùn)行,機(jī)組各部件的振動(dòng)都非常大,有的部位振動(dòng)數(shù)據(jù)甚至超標(biāo),嚴(yán)重影響了機(jī)組的金屬部件的疲勞強(qiáng)度,導(dǎo)致機(jī)組故障多發(fā);②由于空載調(diào)壓運(yùn)行輸出有功基本為零,從而提高了機(jī)組的發(fā)電耗水率,浪費(fèi)了大量的水資源,導(dǎo)致技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)下降;③機(jī)組空載調(diào)壓運(yùn)行時(shí)都是深度進(jìn)相運(yùn)行,定子端部漏磁通變化比增大,使得定子端部發(fā)熱嚴(yán)重,從而嚴(yán)重影響定子線圈的使用壽命,因此應(yīng)盡量減少水電機(jī)組的空載調(diào)壓運(yùn)行。

      五強(qiáng)溪電廠位于沅陵縣境內(nèi)的沅水干流上,是沅水流域水電梯級(jí)開發(fā)的骨干電廠,華中電網(wǎng)骨干調(diào)峰調(diào)頻電廠。由于近年來電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化,夜間低谷時(shí)段母線電壓升高至545~549 kV左右,為了維持電壓在合理的范圍內(nèi),根據(jù)調(diào)度要求水電機(jī)組要進(jìn)相運(yùn)行,吸收多余的無功功率,將水電廠高壓側(cè)母線電壓調(diào)整至合理范圍,特別是酒湖線的投入運(yùn)行后,夜間空載調(diào)壓的時(shí)間成倍地增長,而長期的空載調(diào)壓給機(jī)組帶來了很大的安全隱患,同時(shí)浪費(fèi)了大量的水資源。

      根據(jù)SD 325《電力系統(tǒng)電壓和無功導(dǎo)則》5.10.3 規(guī)定,遠(yuǎn)離負(fù)荷中心的水輪發(fā)電機(jī)一般不考慮調(diào)相。五強(qiáng)溪水電廠經(jīng)173 km架空線路(四分裂導(dǎo)線)接入民豐變,經(jīng)75 km架空線路(四分裂導(dǎo)線)接入崗市變,遠(yuǎn)離負(fù)荷中心,因此不適合進(jìn)相運(yùn)行,發(fā)電機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行對(duì)系統(tǒng)和設(shè)備都存在一定危害,技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較差。

      2 電廠運(yùn)行方式分析

      五強(qiáng)溪電廠現(xiàn)有5臺(tái)240 MW水力發(fā)電機(jī)組,1號(hào)、2號(hào)機(jī)組和4號(hào)、5號(hào)機(jī)組采用聯(lián)合單元接線,3 號(hào)機(jī)組采用單元接線。500 kV側(cè)采用雙母線接線,中性點(diǎn)直接接地,配電裝置為GIS系統(tǒng),額定電流2 000 A,額定短路電流40 kA。五強(qiáng)溪電廠500 kV側(cè)系統(tǒng)正序阻抗為0.008 5(大方式)和0.010 9(小方式),基準(zhǔn)短路容量100 MVA,通過計(jì)算得五強(qiáng)溪電廠三相短路容量為1 1764 MVA(大方式)、9 174 MVA(小方式)。主系統(tǒng)接線圖1所示。

      圖1 事故流程修改前后對(duì)比圖

      圖1 主系統(tǒng)接線圖

      3 系統(tǒng)接入分析

      五強(qiáng)溪電廠有兩回出線:五民線經(jīng)173 km架空線路(四分裂導(dǎo)線)接入民豐變;五崗線經(jīng)75 km架空線路(四分裂導(dǎo)線)接入崗市變。線路參數(shù)如下:五民線:TV變比5 000;TA 變比2 500;正序電抗二次值24.68 Ω;正序電阻二次值2.03 Ω;零序電抗二次值77.83 Ω;零序電阻二次值14.27 Ω;線路總長度175.26 km。五崗線:TV變比5 000;TA 變比2 500;正序電抗二次值10.76 Ω;正序電阻二次值1 Ω;零序電抗二次值30.3 Ω;零序電阻二次值8.34 Ω;線路總長度77.48 km。

      湖南電網(wǎng)的地理接線結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是西電東送,幾個(gè)主要的電源:五強(qiáng)溪、石門、柘溪、鳳灘及葛洲壩均位于負(fù)荷很小的西部,發(fā)電容量占比大,但離長株潭負(fù)荷中心均在200~400 km。這種結(jié)構(gòu)的一個(gè)負(fù)面結(jié)果就是大量線路充電無功加入電網(wǎng)遠(yuǎn)距離傳輸,水電大發(fā)季節(jié)影響有功送出而無功不足,枯水季節(jié)則無功大量過剩,電壓大幅升高,危及電網(wǎng)安全。電網(wǎng)的迅速發(fā)展一方面為電網(wǎng)增加了大量的無功電源(發(fā)電無功和線路無功);另一方面,無功補(bǔ)償未同步發(fā)展,負(fù)荷增長率大大低于電網(wǎng)容量增長率,且峰谷負(fù)荷差更是逐年加大。兩者相差使得電網(wǎng)無功在低谷時(shí)大量過剩,電網(wǎng)電壓升高。

      4 電壓升高的特征分析

      五強(qiáng)溪電廠空載調(diào)壓一般在1:00~7:00,五民線與五崗線通過全廠母線形成環(huán)網(wǎng),分別與民豐變和崗市變相連,兩變電站內(nèi)均有無功調(diào)節(jié)系統(tǒng),通過AVC自動(dòng)調(diào)節(jié)站內(nèi)無功,控制母線電壓,五強(qiáng)溪電廠內(nèi)沒有無功調(diào)節(jié)系統(tǒng),只能通過機(jī)組的進(jìn)相運(yùn)行進(jìn)行無功調(diào)節(jié)。下面以電廠的實(shí)際運(yùn)行方式所統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

      4.1 1臺(tái)機(jī)進(jìn)相調(diào)壓,其他機(jī)組全停

      下面以2018年12月2日3:00為例,此時(shí)2號(hào)機(jī)組空載調(diào)壓,其他機(jī)組全停,電氣參數(shù)如表1所示。

      表1 1臺(tái)機(jī)進(jìn)相調(diào)壓

      以上參數(shù)表明:在凌晨低谷時(shí)段五民線輸送來大量容性無功,五崗線消納無功有限,2號(hào)機(jī)組進(jìn)相調(diào)壓,從五民線流入的92.5 Mvar容性無功一方面被2號(hào)機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)吸收了80 Mvar,8.3 Mvar通過五崗線送給崗市變的無功補(bǔ)償裝置,還剩4.2 Mvar的無功被變壓器空載運(yùn)行所吸收。無功達(dá)到平衡,母線電壓維持在537 kV左右滿足要求。對(duì)于250 MW的機(jī)組來說有功基本可以忽略。

      4.2 5臺(tái)機(jī)全停

      以2018年12月2日15:00為例,此時(shí)全廠機(jī)組全停,電氣參數(shù)如表2所示。

      表2 5臺(tái)機(jī)全停

      主系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)如圖2所示。

      圖2 5臺(tái)機(jī)全停運(yùn)行參數(shù)

      該工況下母線電壓542.6 kV已超出考核范圍。因此在五強(qiáng)溪電廠5臺(tái)機(jī)組全部退出運(yùn)行時(shí),母線電壓已越限,從535~537 kV升高到542~543 kV,不滿足電網(wǎng)要求。

      以上參數(shù)表明在白天時(shí)段,在機(jī)組全停情況下,五崗線送來59.5 Mvar容性無功除主變消耗少量外全部通過五崗線輸送給崗市變,崗市變消納無功能力增強(qiáng)。此時(shí)電壓為540 kV以上。電壓提高導(dǎo)致崗市變消納無功的能力增強(qiáng),從五民線輸入的無功減弱。

      4.3 5臺(tái)機(jī)組同時(shí)滿負(fù)荷運(yùn)行

      以2017 年1 月4 日14:00對(duì)應(yīng)的運(yùn)行工況,說明5臺(tái)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行時(shí)的電壓與無功特性如表3所示。

      表3 5臺(tái)機(jī)組同時(shí)滿負(fù)荷運(yùn)行電氣參數(shù)

      該工況下母線電壓535~537kV。五強(qiáng)溪電廠5臺(tái)機(jī)組同時(shí)滿發(fā)時(shí),發(fā)電機(jī)組以輸出有功為主,僅發(fā)出少量無功,機(jī)組功率因數(shù)近似為1.0,處于理想運(yùn)行狀態(tài)。五崗線和五民線向系統(tǒng)注入的無功功率以容性為主,數(shù)值為226.65 Mvar;容性無功功率由兩部分構(gòu)成,一部分為5臺(tái)發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)消耗無功功率,數(shù)值為72.18 Mvar;另一部分由主變壓器消耗,數(shù)值為154.47 Mvar。主接線上電氣參數(shù)如圖3所示。

      圖3 5臺(tái)機(jī)組同時(shí)滿負(fù)荷運(yùn)行電氣參數(shù)

      5 原因分析

      由以上分析可知,在機(jī)組全停、有功環(huán)流基本相同的情況下導(dǎo)致全廠母線電壓升高的主要原因在于民豐變和崗市變的無功調(diào)節(jié)能力上。只要民豐變送來的多余無功能被崗市變?nèi)课?,將不?huì)導(dǎo)致全廠母線電壓升高。通過比較兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)五民線的無功變化之大可知,凌晨時(shí)除五民線空載產(chǎn)生的無功外還將民豐變站內(nèi)的無功也送往全廠,而崗市變凌晨時(shí)吸收的無功也大幅減少,因此導(dǎo)致全廠母線電壓在凌晨時(shí)升高,感性無功功率在凌晨達(dá)到最大。

      6 解決方法

      根據(jù)五強(qiáng)溪電廠運(yùn)行現(xiàn)狀分析可知,水電機(jī)組啟停頻繁,功率波動(dòng)大,5臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)最大功率達(dá)到1 250 MW,而機(jī)組全停的工況也經(jīng)常出現(xiàn)。機(jī)組全停時(shí),系統(tǒng)電壓較高,一般情況下夜間母線電壓能達(dá)到542~543 kV。五強(qiáng)溪電廠500 kV母線正序阻抗為0.008 5(大方式)和0.010 9(小方式),基準(zhǔn)短路容量100 MVA。因此,五強(qiáng)溪電廠三相短路容量為11 764 MVA(大方式)、9 174 MVA(小方式)。按照大方式下將電壓從542 kV調(diào)整到535 kV,即降低7 kV的電壓調(diào)整范圍計(jì)算新增感性無功容量如下:

      因此從系統(tǒng)參數(shù)角度計(jì)算,新增感性無功補(bǔ)償裝置的容量設(shè)計(jì)為150 Mvar滿足要求。

      而根據(jù)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),五強(qiáng)溪電廠最大進(jìn)相時(shí)需兩臺(tái)機(jī)組空載調(diào)壓運(yùn)行,輸出150 Mvar左右感性無功功率就能調(diào)整母線電壓至正常范圍,與計(jì)算值相一致,故新增補(bǔ)償裝置的容量設(shè)計(jì)為150 Mvar即可滿足要求。因動(dòng)態(tài)無功功率補(bǔ)償裝置阻抗可調(diào),其補(bǔ)償容量能夠快速跟蹤負(fù)荷無功功率的變化而變化,在五強(qiáng)溪電廠加裝感性無功補(bǔ)償裝置,自動(dòng)跟隨母線進(jìn)行電壓調(diào)節(jié),替代機(jī)組空載調(diào)壓運(yùn)行,既可以提高電壓穩(wěn)定效果,又能避免水源浪費(fèi)和機(jī)組磨損,經(jīng)濟(jì)效益和安全效益顯著。

      7 總結(jié)

      通過對(duì)五強(qiáng)溪電廠機(jī)組、線路、母線運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知,在5臺(tái)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行以及部分機(jī)組運(yùn)行時(shí)母線電壓均在合適范圍內(nèi),5臺(tái)機(jī)組全部退出運(yùn)行時(shí)母線電壓過高(542~543 kV)越限,需要進(jìn)行無功補(bǔ)償。而采用機(jī)組空載調(diào)壓運(yùn)行時(shí)影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,并造成機(jī)組磨損,降低水電機(jī)組壽命,因此加裝感性無功補(bǔ)償裝置是最為經(jīng)濟(jì)的方式,在系統(tǒng)負(fù)荷低谷時(shí)段替代發(fā)電機(jī)組空載調(diào)壓運(yùn)行,既可以提高電壓穩(wěn)定效果,又能避免水源浪費(fèi)和機(jī)組磨損。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)分析、典型工況分析和實(shí)際電壓計(jì)算,新增補(bǔ)償裝置的容量應(yīng)設(shè)計(jì)為150 Mvar,即能夠?qū)⒛妇€電壓穩(wěn)定在預(yù)期的目標(biāo)值范圍內(nèi),從而極大地改善水電機(jī)組的運(yùn)行工況,提高經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效益并延長設(shè)備使用壽命。

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