發(fā)電廠電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性及廠用電系統(tǒng)運(yùn)行的分析

邢艷鵬

(黑龍江省龍煤礦業(yè)工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，黑龍江 七臺(tái)河 154600)

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發(fā)電廠電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性及廠用電系統(tǒng)運(yùn)行的分析

邢艷鵬

(黑龍江省龍煤礦業(yè)工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，黑龍江 七臺(tái)河 154600)

分析了電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的等值電路和功率特性，以及廠用負(fù)荷的運(yùn)行方式、機(jī)械設(shè)備負(fù)荷之間的聯(lián)鎖、電接線的基本形式等。提出了提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的措施及對(duì)發(fā)電廠廠用電接線的要求。

發(fā)電廠；電力系統(tǒng)；暫態(tài)穩(wěn)定性；用電系統(tǒng)運(yùn)行

1 發(fā)電廠電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性

在發(fā)電廠電力系統(tǒng)的各種干擾因素中，短路故障最為危險(xiǎn)。在分析電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性時(shí)，必須按安全和經(jīng)濟(jì)兩方面綜合考慮各種故障的影響。從安全運(yùn)行方面分析，要求系統(tǒng)能夠承受住嚴(yán)重的短路故障。由于運(yùn)行時(shí)某些故障發(fā)生的概率較少，要使系統(tǒng)能經(jīng)受這種故障的干擾而不失去穩(wěn)定運(yùn)行，必然會(huì)增加較多投資。按電力系統(tǒng)多年運(yùn)行中積累的統(tǒng)計(jì)資料的分析結(jié)果，在相關(guān)規(guī)程中規(guī)定了在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，必須保證系統(tǒng)并列運(yùn)行的穩(wěn)定性。首先，220 kV及以上電壓等級(jí)單回線路的瞬時(shí)單相接地故障，或雙回線路永久性單相接地故障。其次，110 kV輸電線路的瞬時(shí)兩相接地短路故障。再次，110 kV以下電壓等級(jí)輸電線路的瞬時(shí)三相短路故障。發(fā)電廠設(shè)有母線差動(dòng)保護(hù)時(shí)，母線的兩相接地短路故障。

1.1 電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的等值電路和功率特性分析

電力系統(tǒng)中發(fā)生三相短路時(shí)，相當(dāng)于把電源經(jīng)短路總阻抗短接。此時(shí)，電源送出的短路電流到達(dá)短路點(diǎn)，電源所供的功率將消耗在電源至短路點(diǎn)之間的各元件上，不能越過短路點(diǎn)送至受電端。所以，會(huì)引起受電端功率的不平衡，直接威脅系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。若電力系統(tǒng)中出現(xiàn)不對(duì)稱短路，同樣會(huì)影響發(fā)電機(jī)的輸出功率，破壞電力系統(tǒng)的功率平衡，威脅電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 提高發(fā)電廠電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的措施

第一，選用快速繼電保護(hù)裝置和高速斷路器。要快速切除故障，提高繼電保護(hù)裝置和斷路器的動(dòng)作速度。目前，已經(jīng)能做到在短路發(fā)生后0.06 s切除故障，其中繼電保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)間為0.02 s，斷路器跳閘時(shí)間為0.04 s。第二，裝設(shè)自動(dòng)重合閘裝置。電力系統(tǒng)中的故障絕大多數(shù)為線路的短路故障，特別是高壓架空輸電線路的短路故障多為瞬時(shí)性，自動(dòng)重合閘裝置動(dòng)作的成功率很高。在提高供電可靠性的同時(shí)，由于改變了系統(tǒng)的功角特性，因此，提高了系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性。第三，采用強(qiáng)行勵(lì)磁裝置。強(qiáng)行勵(lì)磁裝置在電力系統(tǒng)發(fā)主故障后，必須增加發(fā)電機(jī)輸出的電磁功率，以提高電壓穩(wěn)定性。同時(shí)，強(qiáng)行勵(lì)磁裝置動(dòng)作后改變發(fā)電機(jī)的功角特性曲線，使加速面積減小，而增加最大減速面積，使發(fā)電機(jī)暫態(tài)穩(wěn)定性提高。第四，采用快速控制調(diào)速汽門。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障后，發(fā)電機(jī)組因有過剩功率加速時(shí)，汽輪機(jī)控制系統(tǒng)將作出調(diào)整調(diào)速汽門的判斷，迅速調(diào)節(jié)調(diào)速汽門開度，減小汽輪機(jī)輸入功率，提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。第五，減小系統(tǒng)阻抗。在發(fā)電廠與系統(tǒng)之間的總阻抗中，遠(yuǎn)距離輸電線路的阻抗所占比例較大，若能夠減少其阻抗值，能使發(fā)電機(jī)輸出功率增加，可提高暫態(tài)穩(wěn)定性。

2 發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)及其運(yùn)行

2.1 對(duì)發(fā)電廠廠用電接線的要求

第一，供電可靠、運(yùn)行靈活。必須按電廠的容量和重要性，對(duì)廠用負(fù)荷連續(xù)供電給予保證，并在日常、事故、檢修等各種條件下都能滿足供電要求。機(jī)組啟停、事故、檢修等條件下的切換操作要方便、省時(shí)，出現(xiàn)全廠停電時(shí)，可以盡快從系統(tǒng)取得啟動(dòng)電源。第二，接線簡(jiǎn)單清晰、投資少、運(yùn)行費(fèi)低。由可靠性分析證明，過多的備用元件會(huì)使接線復(fù)雜，運(yùn)行操作復(fù)雜，故障率多，投資運(yùn)行費(fèi)高。第三，廠用電源的對(duì)應(yīng)供電性、接線的整體性設(shè)置足夠交流事故保安電源。

2.2 發(fā)電廠廠用負(fù)荷的運(yùn)行方式

廠用負(fù)荷按其所對(duì)應(yīng)機(jī)電設(shè)備的工作特點(diǎn)的不同，有連續(xù)、短時(shí)、斷續(xù)、經(jīng)常和不經(jīng)常等幾種。運(yùn)行中要按廠用負(fù)荷運(yùn)行方式的不同，分別確定巡視與維修的要求。

2.3 發(fā)電廠廠用機(jī)械設(shè)備負(fù)荷之間的聯(lián)鎖

發(fā)電廠廠用機(jī)械設(shè)備負(fù)荷之間的聯(lián)鎖，是指在電廠生產(chǎn)過程中，按生產(chǎn)的需要，當(dāng)某個(gè)機(jī)械設(shè)備投入或退出運(yùn)行時(shí)，要求相應(yīng)的機(jī)械設(shè)備也必須相應(yīng)改變其工作狀態(tài)。例如:工作水泵事故跳閘或水泵出口壓力降低時(shí)，要求聯(lián)鎖裝置必須使備用水泵自動(dòng)投入。廠用機(jī)械設(shè)備負(fù)荷之間的運(yùn)行與備用聯(lián)鎖要求，在電動(dòng)機(jī)的二次控制回路中或DCS系統(tǒng)中采用不同的控制接線來實(shí)現(xiàn)。

2.4 發(fā)電廠高壓廠用電接線的基本形式

在火電廠中，輔助設(shè)備多、用電量大，為了提高廠用電供電可靠性，廠用電系統(tǒng)接線通常采用單母線接線，把廠用各獨(dú)立母線段分別由工作電源和備用電源供電，裝設(shè)備用電源自動(dòng)投入裝置。發(fā)電廠廠用母線按爐分段的優(yōu)點(diǎn): A.廠用電動(dòng)機(jī)接在同一段母線上，既便于管理又方便檢修。B.可使廠用母線事故影響范圍局限在一機(jī)一爐，不致過多干擾正常機(jī)組運(yùn)行。C.廠用電回路故障時(shí)，短路電流較小，可使用成套的高低壓開關(guān)柜和配電箱。輔助設(shè)備的工作電源與備用電源應(yīng)分別取自不同的母線段，正常運(yùn)行時(shí)不允許并列運(yùn)行(同期并列操作例外)，各分段的母線上負(fù)荷盡可能分配均勻。在生產(chǎn)過程中相互關(guān)聯(lián)的設(shè)備應(yīng)使用由本機(jī)組直接供電的廠用電源。

2.5 低壓廠用電系統(tǒng)

380 V低壓系統(tǒng)為中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)，在發(fā)生單相接地故障時(shí)，中性點(diǎn)不出現(xiàn)位移，保護(hù)裝置馬上跳閘，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。大機(jī)組電廠低壓廠用電系統(tǒng)現(xiàn)廣泛采用PC- MCC接線。在以往發(fā)電廠中，由于采用的設(shè)備可靠性低，一旦設(shè)備出現(xiàn)故障，會(huì)造成廠用電部分或全部消失。所以，為了獲得較高的可靠性，不得不采用如:低壓廠用備用變壓器、增加廠用母線段之間的聯(lián)絡(luò)線等，導(dǎo)致廠用電接線復(fù)雜。隨著新建發(fā)電廠設(shè)備制造水平的提高，設(shè)備本身可靠性也高，所以，廠用電接線設(shè)計(jì)為簡(jiǎn)單接線，保證供電可靠性，有利于發(fā)電廠的自動(dòng)控制。在低壓廠用變壓器的配置上，低壓廠用工作變壓器、低壓廠用公用變壓器都是成對(duì)設(shè)置，采用互為備用方式，可不另設(shè)專用的備用變壓器。每臺(tái)機(jī)裝設(shè)一臺(tái)低壓公用變壓器，供給機(jī)組的公用負(fù)荷，兩臺(tái)公用變壓器互為備用。廠區(qū)輸煤變壓器、除灰變壓器、水泵房變壓器、循環(huán)水變壓器都成對(duì)設(shè)置，采用互為備用的方式。

2.6 發(fā)電廠廠用電壓水平校驗(yàn)及電壓調(diào)整

發(fā)電廠的廠用電動(dòng)機(jī)多采用直接啟動(dòng)方式啟動(dòng)。電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流較大，會(huì)導(dǎo)致啟動(dòng)時(shí)母線電壓降低。由于異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩在頻率不變條件下與外加電壓成正比，如果電壓過低，就會(huì)使啟動(dòng)時(shí)間過長(zhǎng)，由于發(fā)熱與溫升的影響對(duì)電動(dòng)機(jī)不利，啟動(dòng)時(shí)間過長(zhǎng)還要影響其他負(fù)荷的正常供電。所以，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)電源電壓不得太低。為保證廠用負(fù)荷電動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)，必須進(jìn)行電動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)電壓校驗(yàn)。

第一，電動(dòng)機(jī)正常啟動(dòng)。電動(dòng)機(jī)在正常啟動(dòng)時(shí)，通常是逐臺(tái)啟動(dòng)。對(duì)容易啟動(dòng)的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，要求廠用母線電壓高于額定電壓的70%。對(duì)啟動(dòng)非常困難的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，如果制造廠有明確合理的啟動(dòng)電壓要求時(shí)，應(yīng)滿足制造廠的要求。第二，成組電動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)電壓檢驗(yàn)。為保證發(fā)電機(jī)組的安全可靠運(yùn)行，一般應(yīng)保證一類負(fù)荷的電動(dòng)機(jī)都能可靠自啟動(dòng)。在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，廠用母線突然失去電壓后，電動(dòng)機(jī)仍處于惰走狀態(tài)，經(jīng)較短的時(shí)間間隔即可恢復(fù)供電。這時(shí)，電動(dòng)機(jī)都還具有較高的轉(zhuǎn)速，容易啟動(dòng)，因此，對(duì)廠用母線電壓的最低允許值，要求較單個(gè)電動(dòng)機(jī)正常啟動(dòng)時(shí)的電壓值低。如果高壓廠用母線無電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，只有低壓廠用母線上的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，即只有低壓電動(dòng)機(jī)單獨(dú)自啟動(dòng)的情況，在低壓?jiǎn)蝹€(gè)或成組電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，為保證電動(dòng)機(jī)可靠啟動(dòng)，要求母線電壓不低于額定電壓的50%。第三，電壓調(diào)整。高壓備用變壓器采用有載調(diào)壓分裂變壓器，其高壓電源由220 kV系統(tǒng)引接，220 kV系統(tǒng)電壓變化范圍為220 kV～242 kV，6 kV母線電壓要求不超過額定電壓值的±5%。最嚴(yán)重情況為:電源電壓最高(242 kV)，高壓備用變壓器空負(fù)荷；電源電壓最低(220 kV)。

[1] 熊信銀.電力系統(tǒng)工程基礎(chǔ)[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社，2016.

[2] 譚紹瓊，周秀珍.火電廠電氣設(shè)備及其系統(tǒng)[M].北京:中國電力出版社，2016.

Transient stability of power plant power system and analysis of operation of auxiliary power system

XING Yan-peng

(Heilongjiang Longmay Mining Engineering Design and Research Institute Co., Ltd., Qitaihe 154600, China)

The equivalent circuit and power characteristics of power system transient stability, the operation mode of auxiliary load, the interlocking of mechanical equipment load and the basic form of electrical connection are analyzed. The measures to improve the transient stability of the power system and the requirements for auxiliary electrical wiring are put forward.

Power plant; Power system; Transient stability; Power system operation

2017-02-27

邢艷鵬(1981-)，男，助理工程師。

TM31

B

1674-8646(2017)10-0128-02