600 MW火電機組廠用電互聯(lián)改造方案研究

摘要：基于國內外研究現(xiàn)狀，給出了600 MW火電廠單元制接線機組6 kV廠用電系統(tǒng)采用電纜互聯(lián)的改造實施方案、保護整定和運行方式。研究表明：使用快切裝置后，實現(xiàn)了一臺機組停備期間，另一臺機組高廠變可靠智慧串帶兩臺機組的廠用電，節(jié)約了啟備變外購電用電量，經(jīng)濟效益明顯，具有可推廣性。

關鍵詞：火電機組；單元制；廠用電；互聯(lián)；改造方案

中圖分類號：TM621" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）21-0061-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.21.015

0" " 引言

“雙碳”目標背景下，隨著光伏和風電機組容量占比日益增大，火電機組慢慢由主力電源成為調節(jié)性的保障電源，600 MW及以上大型火電廠單元制接線的機組單機運行也逐漸成為常態(tài)[1]。機組停備期間，廠用電由電網(wǎng)通過啟備變反向輸電，由于正反向電價差的存在，電廠將產(chǎn)生大量外購電支出。通過廠用電源段互聯(lián)改造，單元制接線的運行機組給停備機組提供廠用電，可以減少外購電，具有較好的經(jīng)濟性[2-3]。因此，以某電廠為例，給出了600 MW火電廠單元制接線機組6 kV廠用電系統(tǒng)采用電纜互聯(lián)的改造實施方案、保護整定和運行方式，研究結果對大型火電廠單元制接線機組廠用電互聯(lián)改造有一定的推廣和借鑒意義。

1" " 廠用電互聯(lián)改造方案

1.1" " 原接線方式

某電廠1、2號機組容量為600 MW，發(fā)電機與雙卷主變壓器均按發(fā)電機—變壓器組單元接線型式接入220 kV系統(tǒng)，發(fā)電機出口不設出口斷路器，每臺機組設兩臺40/25-25 MVA高廠用變，引接于發(fā)電機與主變低壓側之間。

1、2號機組共設兩臺40/25-25 MVA的啟動/備用變，電源引接于本廠220 kV母線。在機組啟動、停機期間，6 kV母線由啟動/備用變供電，啟動完畢通過主變高壓側斷路器同期并網(wǎng)后，通過DCS手動啟動廠用電快速切換裝置，以并聯(lián)切換方式將6 kV廠用母線切換至單元高壓廠用變供電。1、2號機組每臺機組廠用電系統(tǒng)有4段6 kV母線。

1.2" " 改造方案

以兩臺機組高壓廠用段互聯(lián)，從安全性出發(fā)，此設計需考慮運行機組串帶停運機組廠用電時的高廠變分支母線容量，以免發(fā)生過流[4]；同時，廠用電互聯(lián)方式下，高廠變容量需滿足供運行機組啟動的負荷，以免造成供電電源分支過流或拉低6 kV母線電壓，影響機組運行安全。方案即在1號機組6 kV 1A、1B、1C、1D段每段增加一臺聯(lián)絡開關及相應保護；在2號機組6 kV 2A、2B、2C、2D段每段增加一臺聯(lián)絡開關及相應保護；用電纜將6 kV 1A段和2D段、1D段和2A段、1B段和2C段、1C段和2B段相連，以達到將1、2號機組6 kV廠用電互聯(lián)的目的，如圖1所示。同時各段增加廠用電切換裝置，以實現(xiàn)正常運行方式改變、不斷電安全切換廠用電電源的要求[5]。

每段廠用段新增聯(lián)絡開關選用額定電流1 250 A VD4型真空斷路器，額定容量13 MVA，兩段6 kV母線間分別使用兩根185 mm2的動力電纜互聯(lián)，最大載流量為2 500 A，當單臺機組停運，開關容量能滿足要求。

2" " 保護整定

新增聯(lián)絡開關保護型號為PCS-9624C，CT變比N為1 000/1。根據(jù)停機負荷（停風組后）來看，各臺機組的計算負荷均滿足雙機同時運行，高廠變容量滿足一臺運行機組帶另一臺機組停機的要求。停運時的機組廠用電負荷分配情況如表1所示，啟動切換前的機組廠用電負荷分配情況如表2所示。

根據(jù)一臺機組正常運行帶另一臺機組啟動時（點火前）負荷表，經(jīng)過調整負荷，1、2號機組在單機運行期間，高廠變容量能滿足一臺運行機組帶另一臺機組啟動要求（點火前）。

為考慮盡快切除故障，增加過流一段，按低壓短路時保護有大于2倍靈敏度原則整定；考慮速動性，考慮低壓側兩相短路時有大于2倍靈敏系數(shù)整定[6]。高廠變低壓側三相短路電流為21 187 A，動作值為：

Idz==≈7.3 A（1）

式中：I （2） min為本6 kV母線發(fā)生兩相短路時產(chǎn)生的最小兩相短路電流，兩相短路電流是三相短路電流的/2倍，取0.866；Klm取大于2倍靈敏系數(shù)，如取2.5；N為CT變比，即1 000。

過流二段保護動作電流按下列條件整定：根據(jù)上列停運、啟動負荷比較，啟動時所帶負荷量更大，考慮按啟動時負荷計算。1（2）A段啟動時機組帶負荷7 419 kVA，負荷電流約714 A；1（2）D段啟動時機組帶負荷3 819 kVA，負荷電流約325 A；1（2）B段啟動時機組帶負荷6 765 kVA，負荷電流約651 A；1（2）C段啟動時機組帶負荷8 729 kVA，負荷電流約840 A。

按躲過啟動（點火前）機組母線所接電動機最大啟動電流之和整定[7]：

Idz=Kk×Kzq×Ie（2）

式中：Ie為分支線上的額定電流；Kk為可靠系數(shù)，取1.1；Kzq為需要自啟動的全部電動機在自啟動時所引起的過電流倍數(shù)，一般可近似由以下公式求出：

Kzq=1/

+

（3）

式中：Ud%為歸算到分支額定容量的變壓器的半穿越阻抗百分值；We為變壓器低壓繞組的額定容量；Kqd為電動機啟動時的電流倍數(shù)，取Kqd的平均值為5；Wd∑為需要自啟動的全部電動機的總容量。

躲過2號機組啟動（點火前），1號機組母線所接電動機最大啟動電流之和整定計算結果如表3所示；躲過1號機組啟動（點火前），2號機組母線所接電動機最大啟動電流之和整定計算結果如表4所示。

考慮按互聯(lián)后最大負荷電流整定計算，過流定值為：

Idz=Kk·Ifh=1.1Ifh（4）

式中：Ifh為最大負荷電流。

互聯(lián)后最大負荷電流整定計算結果如表5所示。綜合上述分析，考慮1A段與2D段、1D段與2A段、1B段與2C段、1C段與2B段互為互聯(lián)開關，電流定值統(tǒng)一取兩者最大值整定，即1A段與2D段取值4.0 A，2A段與1D段取值4.0 A，1B段與2C段取值4.5 A，1C段與2B段取值4.5 A。

過流時間考慮與高廠變進線保護過流時間配合，級差0.2 s，過流二段時間為0.6 s。

綜合以上結果，互聯(lián)開關保護過流二段定值設為：1A互聯(lián)開關過流4.0 A，0.6 s；2A互聯(lián)開關過流4.0 A，0.6 s；1B互聯(lián)開關過流4.5 A，0.6 s；2B互聯(lián)開關過流4.5 A，0.6 s；1C互聯(lián)開關過流4.5 A，0.6 s；2C互聯(lián)開關過流4.5 A，0.6 s；1D互聯(lián)開關過流4.0 A，0.6 s；2D互聯(lián)開關過流4.0 A，0.6 s。

靈敏度校驗：

Klm=I （2） min/Idzgt;2（5）

過負荷告警：考慮防止互聯(lián)切換時分支過載，考慮與高廠變的過負荷配合，可靠系數(shù)調整為1.0，按方案的負荷分配表計算，過載后延時1.5 s告警?；ヂ?lián)后過負荷保護電流整定計算結果如表6所示。

綜合表6結果，考慮1A與2D、1D與2A、1B與2C、1C與2B互為互聯(lián)開關，電流定值統(tǒng)一取兩者中較大值整定，互聯(lián)開關過負荷保護定值設為：1A互聯(lián)開關過負荷2.2 A，1.5 s；2A互聯(lián)開關過負荷2.2 A，1.5 s；1B互聯(lián)開關過負荷2.4 A，1.5 s；2B互聯(lián)開關過負荷2.4 A，1.5 s；1C互聯(lián)開關過負荷2.4 A，1.5 s；2C互聯(lián)開關過負荷2.4 A，1.5 s；1D互聯(lián)開關過負荷2.2 A，1.5 s；2D互聯(lián)開關過負荷2.2 A，1.5 s。

零序過流時間：與高廠變配合，時間取0.5 s。零序中性點CT變比50/1。#1啟備變和#1、#2高廠變6 kV側中性點接地電阻均為23 Ω，此電阻遠大于啟備變和高廠變的零序阻抗。6 kV系統(tǒng)的單相接地電流約為158 A。

考慮靈敏度為3～4，且與下級間隔零序保護和高廠變低壓側零序保護有級差配合，動作電流一次值取40 A，時間：與下級變壓器及電動機配合，T=ΔT+T，跳開關。二次動作值為I0=0.8 A，動作時間0.5 s。

3" " 改造后廠用電運行及互聯(lián)方式

1、2號機組雙機運行時工作電源由高廠變帶各自機組的4段6 kV廠用電正常運行，備用電源段進線帶電運行，各段備用進線開關在熱備用狀態(tài)。

為防止廠用電互聯(lián)的兩臺機組同時運行，誤將互聯(lián)的兩段6 kV廠用電段合環(huán)，在停運機組由運行機組互聯(lián)串帶恢復至本機組電源帶時，只斷開停運機組側的互聯(lián)電源開關，并將其搖至試驗位置。為防止兩段間的互聯(lián)電纜長期不帶電導致電纜絕緣下降，及避免搖絕緣帶來的煩瑣程序，爭取實現(xiàn)停機時的快速互聯(lián)，保持另一側的互聯(lián)電源開關長期處于合閘狀態(tài)帶電纜空載運行?；ヂ?lián)快切屏的保護壓板在不進行串帶操作時保持在退出狀態(tài)，只有實際需要串帶停運機組操作時將停運機組側的互聯(lián)開關送至工作位置，然后投上互聯(lián)快切屏的壓板進行互聯(lián)電源切換。

在轉高廠變供電或轉互聯(lián)電源供電的過程中，需要啟備變進行過渡。單機運行期間若運行機組突然停運，備用電源仍可由快切裝置自動切換到備用電源，保證運行機組安全停運。

為增強單元機組廠用電源的安全性，避免保護配置的困難，不考慮一臺機組的6 kV廠用電作為另一臺機組的啟動運行方式；禁止將6 kV段的兩電源長期并列運行。廠用電互聯(lián)快切示意圖如圖2所示。

每段6 kV母線增加一臺互聯(lián)快切裝置，用于互聯(lián)電源聯(lián)絡開關和備用電源進線開關之間的快速無擾智慧切換。以1號機組6 kV 1A段和2號機組6 kV 2D段為例，2號高廠變運行，原快切裝置1和2在工作狀態(tài)，互聯(lián)快切裝置3和4在閉鎖狀態(tài)，1號機組停機時先通過快切裝置1將廠用電切換為啟備變供電（圖2），然后退出原快切裝置1，投入互聯(lián)快切裝置3，將廠用電切換為6 kV 2D段供電。

4" " 安全經(jīng)濟性分析

4.1" " 安全可靠性方面

廠用電實現(xiàn)智慧互聯(lián)，進一步加強了可靠性。當單臺機組停運時，啟備變故障，同時柴油機故障，此時廠用電備用電源全失，會嚴重危害停運機組設備安全。增加聯(lián)絡開關后，危機情況下，可以使用運行機組提供停運機組廠用電，這樣可以有效避免因廠用電消失而造成設備損壞的重大事故。

4.2" " 經(jīng)濟性方面

本工程改造可以大幅度降低1、2號機組在機組啟動、停機、檢修及備用狀態(tài)下反向（電網(wǎng)輸出）電量的用量，根據(jù)目前電力市場的發(fā)展趨勢，市場競爭激勵下，機組年利用小時下降（大約為4 000 h），機組停備時間增多，加上機組A、C級定期檢修，并結合機組近三年統(tǒng)計數(shù)據(jù)預測，1、2號機組每年外購電約1 800萬kW·h，扣除啟、停機用電量，每年約減少外購電1 000萬kW·h，節(jié)約費用100萬元左右。

5" " 結論

1）改造后使用快切裝置實現(xiàn)廠用電正常電源至互聯(lián)電源的無擾快速切換，保證廠用電在正常及事故工況下可靠智慧運行。

2）改造工程不僅可以作為停運機組廠用電第三路電源，保障停運機組廠用電的可靠性，且投入少、收益大，達到了節(jié)能降耗、創(chuàng)效增收的目的。

3）該設計方案使廠用電運行方式更加靈活，不論是從安全穩(wěn)定性還是節(jié)能降耗上來講，效果都十分明顯，為后續(xù)600 MW火電機組廠用電的設計提供了十分有益的借鑒。

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收稿日期：2024-05-31

作者簡介：賈瑞（1986—），男，山西太原人，碩士研究生，工程師，研究方向：變配電設備檢修與管理。