廠用電增設(shè)啟動(dòng)備用變壓器的選型及仿真分析

肖海鵬

(中山嘉明電力有限公司，廣東 中山 528437)

廠用電增設(shè)啟動(dòng)備用變壓器的選型及仿真分析

肖海鵬

(中山嘉明電力有限公司，廣東 中山 528437)

廠用電系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠是發(fā)電廠安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。通過對(duì)某電廠升壓站及廠用電接線方式的分析，結(jié)合實(shí)際情況，針對(duì)廠用電系統(tǒng)所存在的問題和隱患，提出了增設(shè)啟動(dòng)備用變壓器的改造方案，以解決廠用電供電系統(tǒng)存在的缺陷，保證廠用電系統(tǒng)供電的可靠性。

廠用電；主變壓器；啟動(dòng)備用變壓器；改造

0 引言

某電廠2期項(xiàng)目裝備2臺(tái)390 MW燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)出口電壓為19 kV，經(jīng)發(fā)電機(jī)出口斷路器GCB與主變壓器相連接，以單元制形式接入220 kV系統(tǒng)。2期項(xiàng)目設(shè)獨(dú)立的220 kV升壓站，采用雙母線接線方式。廠用電正常運(yùn)行狀態(tài)下由主變壓器-高壓廠用變壓器倒送，并與鄰機(jī)互做備用。

1 方案的提出

廠用電系統(tǒng)采用6 kV和400 V 2級(jí)電壓。每臺(tái)機(jī)組設(shè)置1臺(tái)高壓廠用變壓器，其高壓側(cè)由主變壓器低壓側(cè)引接。機(jī)組正常啟停時(shí)，通過主變壓器-高壓廠用變壓器倒送廠用電源。高壓廠用變壓器低壓側(cè)分為2個(gè)分支，分別作為本機(jī)6 kV段工作電源及鄰機(jī)的備用電源，2路6 kV電源之間由快切裝置實(shí)現(xiàn)備用。當(dāng)1臺(tái)主變壓器或高壓廠用變壓器故障，或主變壓器及高壓廠用變壓器需停運(yùn)檢修時(shí)，2臺(tái)機(jī)組廠用電將只有1路電源供電，機(jī)組處于無備用電源狀態(tài)。此時(shí)如果工作電源出現(xiàn)故障，將直接導(dǎo)致全廠停電事故發(fā)生。

針對(duì)此種情況，現(xiàn)提出加裝1臺(tái)啟動(dòng)備用變壓器作為廠用電備用電源，以解決鄰機(jī)主變壓器或高壓廠用變壓器檢修造成運(yùn)行機(jī)組廠用電單電源問題，提高機(jī)組廠用電供電的可靠性。

2 變壓器的選型

改造前，電廠6 kV廠用電2路電源均引自220 kV升壓站，每一路都經(jīng)由1臺(tái)主變壓器及1臺(tái)高壓廠用變壓器接至6 kV母線。現(xiàn)有主變壓器為強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷雙繞組變壓器，型號(hào)為SFP10-480 000/220，額定容量Sn=480 000 kVA，額定電壓Un=229.9 kV，聯(lián)接組別YNd11，負(fù)載損耗Pk=869 kW，空載損耗P0=153.6 kW，阻抗電壓Uk=14.14 %，空載電流Ik=0.06 %。現(xiàn)有高壓廠用變壓器為油浸自冷雙繞組變壓器，型號(hào)為SZ10-25 000/19，額定容量Sn=25 000 kVA，額定電壓Un=19/6.3 kV，聯(lián)接組別Dd0，負(fù)載損耗Pk=90.9 kW，空載損耗P0=14.7 kW，阻抗電壓Uk=8.03 %，空載電流Ik=0.07 %。

現(xiàn)計(jì)劃加裝啟動(dòng)備用變壓器，改造后的工作電源與備用電源來自同一升壓站系統(tǒng)(當(dāng)母聯(lián)斷路器合閘運(yùn)行時(shí))，考慮到6 kV自投切換方式的串聯(lián)切換問題：串聯(lián)切換斷路器先分后合，使6 kV母線失電，可能使一些輔機(jī)跳閘，不能保證負(fù)荷的安全；若串聯(lián)切換時(shí)工作電源斷開后，備用斷路器拒動(dòng)，將造成6 kV母線失電事故。因此，在有條件的情況下，應(yīng)盡量在正常手動(dòng)切換廠用電過程中，使用并聯(lián)切換方式。廠用電并聯(lián)切換過程，相當(dāng)于電磁環(huán)網(wǎng)的短時(shí)合環(huán)。合環(huán)時(shí)，2路電源之間存在相位差，導(dǎo)致合環(huán)點(diǎn)產(chǎn)生功率潮流。功率潮流過大，會(huì)損傷變壓器，也可導(dǎo)致保護(hù)動(dòng)作。由于線路的電阻及阻抗相對(duì)較小，現(xiàn)設(shè)電阻為0，即線路只有電抗，則合環(huán)時(shí)功率潮流為：

其中：U1為工作電壓；U2為備用電壓；δ為U1與U2之間的相角差；X為整個(gè)環(huán)網(wǎng)的阻抗和；P為有功潮流；Q為無功潮流。

從式(1)可知，為減小工作電源電壓與備用電源電壓之間的相位差，應(yīng)盡可能減小合環(huán)過程中的有功潮流。根據(jù)電廠情況，當(dāng)升壓站母聯(lián)斷路器合閘時(shí)，啟動(dòng)備用變壓器與主變壓器的電源一致。主變壓器聯(lián)接組別為YNd11，二次側(cè)線電壓在相位上超前一次側(cè)線電壓30°；高壓廠用變壓器聯(lián)接組別為Dd0，二次側(cè)線電壓與一次側(cè)線電壓同相位，則工作電源6 kV側(cè)線電壓在相位上超前220 kV側(cè)線電壓30°。因此，在進(jìn)行啟動(dòng)備用變壓器選型時(shí)，應(yīng)選擇二次側(cè)線電壓在相位上超前一次側(cè)線電壓30°，選定其聯(lián)接組別為YNd11。

升壓站母聯(lián)斷路器分閘，雙母線分裂運(yùn)行，當(dāng)2段母線供電分別引自不同升壓站時(shí)，由于6 kV工作電源及備用電源來自不同系統(tǒng)，工作電源電壓與備用電源電壓相位差大，若采取并聯(lián)切換將產(chǎn)生較大的有功潮流。因此，在此種運(yùn)行方式下時(shí)，6 kV廠用電的切換方式應(yīng)定為串聯(lián)切換。

從式(2)可知，無功潮流的大小取決于工作電源與備用電源的電壓差，減小工作電源與備用電源的電壓差，可使合環(huán)點(diǎn)的無功潮流盡可能小。因此，可選用加裝的啟動(dòng)備用變壓器為有載調(diào)壓，在切換前先對(duì)備用電源電壓進(jìn)行調(diào)整，以減小電壓差。

主變壓器為無載調(diào)壓方式，正常運(yùn)行時(shí)其分接頭位置不變；主變壓器分接頭在5檔位置時(shí)，主變壓器變比為：

高壓廠用變壓器為有載調(diào)壓方式，正常運(yùn)行時(shí)分接頭位置在9b檔，即高壓廠用變壓器變比為：

因此，在正常情況下，啟動(dòng)備用變壓器應(yīng)運(yùn)行的分接頭位置變比為：

當(dāng)選定啟動(dòng)備用變壓器時(shí)，其額定電壓為230 ±8×1.25 %/6.3 kV，運(yùn)行檔位應(yīng)該在9b檔。檔位選定后，當(dāng)升壓站母線電壓為230 kV時(shí)，其6 kV側(cè)電壓差為：

式中：｜U1｜為高壓廠用變壓器低壓側(cè)電壓，U2為啟動(dòng)備用變壓器低壓側(cè)電壓。

啟動(dòng)備用變壓器容量可選擇與高壓廠用變壓器容量一致，即25 MVA，備用電源可達(dá)到100 %容量備用。啟動(dòng)備用變壓器選用油浸風(fēng)冷三相雙繞組有載調(diào)壓變壓器，型號(hào)為SFZ-25 000/220，額定容量Sn=25 000 kVA，額定電壓為230±8×1.25 %/ 6.3 kV，聯(lián)接組別YNd11，負(fù)載損耗Pk=101.31 kW，空載損耗P0=24.96 kW，阻抗電壓Uk=10.07 %，空載電流Ik=0.426 %。

3 仿真分析

3.1 仿真模型的建立

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，利用Matlab軟件建立仿真模型，如圖1所示。其中：3B為主變壓器，03T為高壓廠用變壓器，05T為計(jì)劃增設(shè)的啟動(dòng)備用變壓器，2203斷路器為3B主變壓器高壓側(cè)斷路器，2205斷路器為05T啟動(dòng)備用變壓器高壓側(cè)斷路器，6303斷路器為03T低壓側(cè)6 kV母線工作進(jìn)線斷路器，6503斷路器為05T低壓側(cè)6 kV母線備用進(jìn)線斷路器，Load Breaker為6 kV段負(fù)荷斷路器。

3.2 仿真分析

將變壓器參數(shù)輸入仿真模型中，為方便觀察各相關(guān)電氣量的變化，設(shè)計(jì)了以下仿真方案(設(shè)定6 kV段負(fù)荷大小為1 MW)。

3.2.1 方案1

(1) 所有斷路器(Breaker)初始狀態(tài)均設(shè)定為斷開狀態(tài)。

(2) 3B主變壓器高壓側(cè)斷路器2203、05T啟動(dòng)備用變壓器高壓側(cè)斷路器2205、6 kV段負(fù)荷斷路器Load Breaker在系統(tǒng)運(yùn)行后0.1 s合閘，6 kV工作電源及備用電源三相電壓的大小和相位均相同。

(3) 系統(tǒng)運(yùn)行0.2 s后，03T低壓側(cè)6 kV母線工作進(jìn)線斷路器6303合閘，此時(shí)6 kV系統(tǒng)為正常運(yùn)行狀態(tài)，即6 kV母線由高壓廠用變壓器供電，啟動(dòng)備用變壓器備用。高壓廠用變壓器帶負(fù)荷后，電流波形良好，其相電流幅值為128 A。

圖1 Matlab仿真模型

(4) 系統(tǒng)運(yùn)行0.5 s后，05T低壓側(cè)6 kV母線備用進(jìn)線斷路器6503合閘；系統(tǒng)運(yùn)行0.8 s后，03T低壓側(cè)6 kV母線工作進(jìn)線斷路器6303分閘。此0.5～0.8 s的仿真過程即為模擬6 kV電源并聯(lián)切換的過程。

觀察6 kV電源并聯(lián)切換的模擬結(jié)果，05T低壓側(cè)6 kV母線備用進(jìn)線斷路器6503合閘后，負(fù)荷從高壓廠用變壓器向啟動(dòng)備用變壓器轉(zhuǎn)移，至0.15 s后基本穩(wěn)定。此時(shí)高壓廠用變壓器低壓側(cè)相電流幅值為69 A，啟動(dòng)備用變壓器低壓側(cè)相電流幅值為62 A，2臺(tái)變壓器負(fù)荷分配為高壓廠用變壓器占約53 %，啟動(dòng)備用變壓器占約47 %，負(fù)荷分配基本均衡，未出現(xiàn)大的環(huán)流。系統(tǒng)運(yùn)行0.8 s后，并聯(lián)切換完成，負(fù)荷轉(zhuǎn)由啟動(dòng)備用變壓器供電，整個(gè)切換過程電流波形未出現(xiàn)畸變。

3.2.2 方案2

(1) 所有斷路器(Breaker)初始狀態(tài)均設(shè)定為斷開狀態(tài)。

(2) 3B主變壓器高壓側(cè)斷路器2203、05T啟動(dòng)備用變壓器高壓側(cè)斷路器2205在系統(tǒng)運(yùn)行后0.1 s合閘。

(3) 系統(tǒng)運(yùn)行0.2 s后，03T低壓側(cè)6 kV母線工作進(jìn)線斷路器6303合閘；系統(tǒng)運(yùn)行0.3 s后，05T低壓側(cè)6 kV母線備用進(jìn)線斷路器6503合閘，6 kV母線未帶負(fù)荷。在0.2～0.3 s期間，工作電源斷路器6303合閘而備用電源斷路器6503分閘時(shí)，高壓廠用變壓器及啟動(dòng)備用變壓器低壓側(cè)電流為0；在0.3～0.4 s期間，工作電源斷路器6303和備用電源斷路器6503均合閘時(shí)，此時(shí)高壓廠用變壓器低壓側(cè)電流與啟動(dòng)備用變壓器低壓側(cè)電流大小相等，方向相反，存在環(huán)流。環(huán)流大小約為10 A，相對(duì)較小。

(4) 系統(tǒng)運(yùn)行0.4 s后，6 kV段Load Breaker合閘，6 kV段帶負(fù)荷，原來的環(huán)流在合閘瞬間電流方向一致，2臺(tái)變壓器共同分擔(dān)6 kV段所帶負(fù)荷。03T高壓廠用變壓器低壓側(cè)電流約70 A，05T啟動(dòng)備用變壓器低壓側(cè)電流約60 A，即高壓廠用變壓器03T所帶負(fù)荷約占54 %，啟動(dòng)備用變05T所帶負(fù)荷約占46 %，負(fù)荷分配基本均衡。

(5) 系統(tǒng)運(yùn)行0.8 s，05T低壓側(cè)6 kV母線工作進(jìn)線斷路器6503分閘，系統(tǒng)運(yùn)行0.8 s后，啟動(dòng)備用變壓器05T退出運(yùn)行，原啟動(dòng)備用變壓器05T所帶負(fù)荷轉(zhuǎn)由高壓廠用變壓器03T供電，電流波形未出現(xiàn)畸變。

分析可知，通過選用適當(dāng)型號(hào)的啟動(dòng)備用變壓器，當(dāng)啟動(dòng)備用變壓器與主變壓器電源來自同一系統(tǒng)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)6 kV電源的并聯(lián)切換，不會(huì)在系統(tǒng)中形成大的環(huán)流；當(dāng)啟動(dòng)備用變壓器與主變壓器電源來自不同系統(tǒng)時(shí)(母聯(lián)斷路器2056分閘運(yùn)行且啟動(dòng)備用變壓器與主變壓器電源取自不同母線)，只能進(jìn)行6 kV電源的串聯(lián)切換。

4 總結(jié)

當(dāng)1臺(tái)主變壓器或高壓廠用變壓器故障需停運(yùn)，2臺(tái)機(jī)組的廠用電將只有1路電源供電，存在無備用電源狀態(tài)的廠用電安全隱患。現(xiàn)提出了加裝1臺(tái)啟動(dòng)備用變壓器作為廠用電備用電源，以解決鄰機(jī)主變壓器或高壓廠用變壓器檢修時(shí)造成的運(yùn)行機(jī)組廠用電單電源問題。

通過對(duì)變壓器合環(huán)條件分析，確定啟動(dòng)備用變壓器的技術(shù)參數(shù)，并通過建立仿真變壓器模型，對(duì)啟動(dòng)備用變壓器投運(yùn)進(jìn)行仿真曲線分析。仿真結(jié)果表明：加裝1臺(tái)啟動(dòng)備用變壓器的方案是可行的。

1 兀鵬越，陳少華，孫鋼虎，等．不同接線形式的廠用電切換試驗(yàn)及分析[J]．現(xiàn)代電力，2011(6).

2 史興華．北侖港電廠高壓廠變、啟動(dòng)備用變壓器間的角度差計(jì)算[J]．浙江電力，1995(5).

3 張德本，陳 慧，羅樹權(quán)．2臺(tái)變壓器并列環(huán)流計(jì)算[J].電工技術(shù)，2002(4).

4 王 智，李德臣，王雨揚(yáng)，等．變壓器選型的分析及仿真[J]．紅河學(xué)院學(xué)報(bào)，2007(2).

5 郭 剛．一起廠用電切換不成功導(dǎo)致的跳機(jī)事故分析[J].電力安全技術(shù)，2011(2)．

2014-11-30。

肖海鵬(1985-)，男，工程師，主要從事燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠運(yùn)行工作，email：13590768562@163.com。