大型火電廠廠用電系統若干問題的探討

夏金林

(安徽安慶皖江發電有限公司，安徽 安慶 246008)

大型火電廠廠用電系統若干問題的探討

夏金林

(安徽安慶皖江發電有限公司，安徽 安慶 246008)

結合某些大型火力發電廠的廠用電系統中出現的問題，對廠用電系統中一些問題進行了分析。探討廠用電系統中輔機工作電源分布對機組運行的影響，提出了廠用電系統保護配置、設備選型、輔機控制電源等方面應注意的問題。

電源分布；零序保護；F-C回路；整定計算；設備選型

現代大型火力發電廠的單機容量大，輔機數量多，輔機的安全運行直接影響到機組的安全運行。作為輔機供電電源的廠用電系統承擔著重要的責任，廠用電系統設計、廠用電系統繼電保護的整定、設備選型、輔機控制等對機組的安全穩定運行至關重要。

1 輔機電源及控制

1.1 輔機電源分布

2005年某廠300 MW機組曾發生過某6 kV公用段三相短路，造成機組跳閘的事件。三相短路的6 kV公用段由運行機組的某6 kV工作段供電。短路發生后，兩母線段聯絡開關的過流保護正確動作切除故障母線后機組仍然跳閘。

2010年某廠600 MW機組發生高壓工作母線上的一臺循環水泵電機三相短路，循環水泵電機繼電保護正確動作切除故障，但機組仍然跳閘。

兩起停機事件最終檢查發現與輔機電源的分布不合理密切相關，第一起母線短路時，由該工作母線通過低壓工作變壓器供電的低壓母線失電，造成由該母線供電的給煤機失電，由于有工藝聯鎖要求的磨煤機和給煤機的工作電源沒有對應，最終造成鍋爐全燃料中斷機組非停。

第二起循環水泵三相短路造成母線及由該高壓母線供電的低壓母線電壓瞬間下降，由于空預器主電機電源分布不合理，造成兩臺空氣預熱器主電機電源的接觸器失電釋放，由于空預器輔助電機自投時間與空氣預熱器全停鍋爐熄火設置時間不匹配造成空預器輔助電機沒來得及自投鍋爐已熄火。

現代大型火力發電廠每臺機組的廠用電系統一般根據機組容量不同均設有兩個或兩個以上的電壓等級，如6、0.4 kV或10、3、0.4 kV。一般每臺機組的高壓工作廠用母線應不少于兩段，相同功能的輔機有兩臺及以上時應分接在兩段母線上；每臺機組的低壓廠用母線應不少于兩段，也將雙套的輔機分接在兩段母線上，高壓公用輔機分接在高壓公用母線段上。

DL/T 5153—2002《火力發電廠廠用電設計技術規定》規定：工藝上有聯鎖要求的I類高低壓電機應接于同一電源通道上。如直吹式鍋爐的給煤機與磨煤機應一一對應，工作時需要輔助電源的輔機，其輔助電源也應與主電源從同一電源通道上取得，如引風機、送風機電機電源和其油泵電機電源；空壓機主電源與其工作時需要的輔助電源。發生以上停機事件的兩廠，廠用電設計時均沒有嚴格執行此規定。

第一起事件發生的發電廠隨后對輔機電源重新梳理并進行了改造， 2007年發生6 kV聯絡開關綜合保護誤動，造成一條6 kV公用母線失電長達30 min。由于輔機電源配置合理，僅影響到一些參數的顯示，未對機組的連續運行造成影響。

1.2 低壓輔機二次回路控制電源

火電廠中許多低壓輔機使用交流電源控制，操作電器為交流接觸器的供電回路，當母線上某負載回路發生短路或為該母線供電的變壓器高壓側系統中發生短路時，該母線電壓下降。一般負載的速斷保護動作加上開關跳閘時間約100ms，交流低壓輔機的交流控制電源電壓下降將會造成接觸器釋放，影響到機組的安全運行，如前文中某廠的循環水泵電機三相短路故障。

有些電廠為防止某些重要低壓輔機在母線電壓下降時跳閘，使用交流不停電電源(UPS)作為一些低壓輔機控制電源，如鍋爐空氣預熱器主、輔電機，真空泵，EH油泵、潤滑油泵，定子冷卻水泵等。以鍋爐空氣預熱器主電機為例，使用UPS電源作為控制電源后，母線失壓時接觸器不會釋放，分散控制系統(DCS)將會判斷鍋爐空氣預熱器主電機在運行狀態，輔助電機將無法投入，此種情況下必須裝設母線低電壓保護。一些以流量或壓力為控制對象的備用輔機將會自投，如EH油泵，此類重要輔機為了安全，一般既設有以控制對象為條件的聯鎖，也設有以運行狀態為條件的聯鎖，此種情況下通過判斷運行狀態的聯鎖將無法發揮作用。因此可以認為：使用UPS作為控制電源解決因其他設備故障造成接觸器釋放的問題，但當本母線故障或為母線供電的回路出現故障切除后，將降低輔機自投的可靠性。低壓輔機使用本母線的電源作為交流電源控制還是選擇UPS作為控制電源應綜合考慮各自單位設備運行可靠性后確定。

2 廠用電系統繼電保護

2.1 接地保護電流互感器與電纜的配合

高壓廠用電系統的接地保護一般使用獨立的電流互感器，動力電纜穿過該電流互感器，動力電纜的終端頭位于電流互感器的上部，如圖1所示。此種情況下電纜接地線必須從電流互感器回穿，消除電纜金屬屏蔽層的電流。在現場安裝使用中，由于電纜終端頭、開關柜安裝空間等問題，一些電流互感器安裝在電纜頭的上部，動力電纜終端頭位于電流互感器的下部，如圖2所示。現場安裝時往往因為安裝人員的疏忽、安裝習慣、對接地線穿越的理解等原因，也將接地線穿越電流互感器，此種情況下動力電纜的接地線不得穿過電流互感器，安裝時必須加以注意，否則將會造成接地保護拒動。

圖1 電纜終端頭位于電流互感器上部時接地線穿越示意圖

圖2 電纜終端頭位于電流互感器下部時接地線不穿越示意圖

2.2 真空接觸器—熔斷器應用實例

真空接觸器—熔斷器組合電器(F-C)在電廠中獲得了廣泛的應用。F-C回路中接觸器的額定開斷電流一般遠小于熔斷器。以某型號真空接觸器為例，其額定開斷電流為3.2 kA，當短路電流超過此電流時，應由熔斷器熔斷斷開回路，而非由接觸器跳閘斷開回路。

電動機電流速斷保護按躲過電動機的啟動電流整定，綜合保護裝置電流達到速斷值后便會立即動作。但對于F-C回路的短路故障，故障電流可能已超過接觸器的額定開斷電流，為此在整定時，如綜合保護裝置需配置電流閉鎖功能，故障電流超過接觸器的額定開斷電流時必須閉鎖速斷保護；否則，此類速斷保護應改為限時速斷保護，其動作時間必須與熔斷器的熔斷時間配合，即限時速斷保護的延時必須比整定電流下熔絲熔斷時間大一個級差，這樣才能保證短路電流大于接觸器的額定開斷時由熔斷器切除故障電流。同樣，電動機過負荷保護必須與熔斷器的安秒特性曲線配合，反時限過負荷曲線在電流大于接觸器的額定開斷電流時必須在熔斷器安秒特性曲線右側，即電流大于接觸器的額定開斷電流時必須由熔斷器先熔斷切除回路。

電動機綜合保護的動作時間與熔斷器安秒特性(見圖3)配合時，必須考慮熔斷器熔斷時間的離散性，時間級差應比一般的時間級差稍大。以某廠的300 MW機組的開式水泵電動機為例，其高壓熔斷器額定電流為100 A，接觸器的額定開斷電流為3.2 kA。由于該電動機使用的綜合保護裝置沒有配置電流閉鎖功能，其采用限時速斷保護，整定值為232.5 A，時間整定為0.5 s；電動機反時限過流保護采用正常IEC標準反時限曲線，保護啟動電流30 A，時間常數整定為2.8 s。從圖3可知，當短路電流為3.2 kA時，100 A高壓熔斷器的熔斷時間基本為0.01 s，理論計算的反時限過流保護動作時間約為4 s；短路電流等于750 A時，熔斷器的熔斷時間為0.5 s，理論計算的反時限過流保護動作時間約為5.9 s；當短路電流等于限時速斷保護的整定值232.5 A時，理論計算的反時限過流保護的動作時間約為9.4 s，此時熔斷器的熔斷時間遠大于9.4 s。從以上計算可以看出，短路電流小于232.5 A時，將由反時限過流保護動作于接觸器切除故障，故障電流介于232.5～750 A之間時將由限時速斷保護動作于接觸器切除故障；短路電流大于750 A時，將由高壓熔斷器斷開故障電流，確保了接觸器的安全。

圖3 電動機用某型號熔斷器安秒特性

2.3 不平衡保護整定問題

F-C供電的電動機，在一相熔斷器熔斷的情況下，電動機將出現缺相運行情況。目前，F-C開關柜所采用的熔斷器均要求配撞擊器，撞擊器動作后切除電動機，但考慮到撞擊機構的可靠性、斷相運行的幾率及對設備的危害，通常另外裝設負序過流保護作為電動機的后備保護。

根據GBT 14285—2006《繼電保護和安全自動裝置技術規程》的規定：2 MW及以上電動機可裝設負序過流保護，F-C供電的電動機也裝設負序過流保護。負序過流保護的電流整定值一般與電動機額定電流接近。在高壓廠用電系統中，當電動機區外發生不對稱故障時，故障點的負序電壓將在電動機中產生負序電流，以圖4典型的廠用電系統中K點發生兩相短路為例，其負序等效電路如圖5所示。圖5中X2S為系統側的等效負序電抗，X2D為電動機的等效負序電抗。K點短路時應由高廠變的分支過流保護切除故障，故障切除前，電動機中將會有負序電流流過，一般電動機綜合保護裝置中負序過流保護不帶方向，以某公司RCS-9626CN型電動機綜合保護裝置為例，其負序過流保護不帶方向，負序過流保護整定時必須防止外部故障造成電動機負序過流保護誤動。為此負序過流保護的動作時間必須大于分支過流保護動作時間。

圖4 典型的廠用電系統K點短路

圖5 K電兩相短路時的負序等效網路圖

2.4 電動機速斷保護整定

高壓電動機采用微機綜合保護裝置后，往往為了提高速斷保護靈敏度，電動機啟動時采用數值較大的整定值，稱為速斷高定值；正常運行時使用較低的整定值，稱為速斷低定值。某廠電動機速斷保護便采用此種定值，其速斷低定值為速斷高定值的一半。電動機運行時其暫態電勢E0"一般約為0.9(標幺值)，當電動機所在母線或相鄰電動機電源電纜發生三相短路時，忽略電纜的阻抗，電動機的次暫態電抗為X"。電動機反饋電流的初始值為I"：

(1)

電動機的反饋電流達到0.9倍啟動電流。故障切除后，電動機端電壓恢復，如果故障切除時間較長，則電動機可能已停止轉動，電動機自啟動的電流將會達到正常的啟動電流，因此造成電動機的速斷保護誤動的情況時有發生。該廠曾發生高壓廠用母線三相短路，電動機次暫態電流造成運行中輔機速斷保護誤動，電動機速斷保護使用速斷低定值必須慎重。

3 設備選型

3.1 電壓互感器二次側小型空氣斷路器

電壓互感器二次側廣泛使用小型空氣斷路器，正確配置小型空氣斷路器的額定電流和脫扣形式對電壓互感器對二次回路的安全運行至關重要。根據DL/T5136—2001《火力發電廠、變電所二次接線設計技術規程》要求：當電壓互感器二次側運行電壓為90%額定電壓時，電壓互感器二次回路末端經過渡電阻短路，加在繼電器線圈上的電壓低于70%額定電壓時，小型空氣斷路器應能瞬時動作。在此種短路情況下，只有20%的額定電壓加在二次回路的導線上，短路電流較小，應使用“B”型脫扣器的小型空氣斷路器，“B”型脫扣器的瞬時動作電流倍數較小，一般為3倍左右額定電流。以某廠的220 kV電壓互感器二次側回路的支路為例，其空開的額定電流為1 A，其二次側電纜長度約為180 m，銅芯導線截面積4 mm2，忽略其電感。導線電阻為：

(2)

當其支路的空開下端發生經過渡電阻單相短路時，短路電流為：

(3)

在現場往往錯誤使用“C”型脫扣器的小型空氣斷路器(使用最普遍)，“C”型脫扣器的瞬時脫扣電流為5～10倍額定電流，短路電流可能達不到脫扣器的瞬時脫扣電流，造成脫扣器不能瞬時動作。

3.2 低壓系統使用的電流互感器

400 V廠用電中使用的電流互感器額定負荷一般較低，如5、10 VA，往往電流互感器二次側的實際負載超過電流互感器的額定負載，造成電流互感器測量誤差很大；電流互感器也沒有嚴格區分使用對象，造成測量用電流互感器大量用于繼電保護回路，對繼電保護的安全運行造成隱患。以某廠除塵變為例，設計院設計中性點電流互感器變比為3 000/5，實際選用的電流互感器的準確級為0.5級。變壓器中性點零序保護使用變壓器綜合保護裝置內的保護功能，實測電流互感器二次總負載電阻約為1.587 5 Ω。理論計算變壓器低壓側接地故障時最大一次零序為31 469 A，保護校驗系數M等于10.49倍(電流互感器一次額定電流的倍數)。使用電流互感器分析儀實測電流互感器的10%誤差曲線如圖6所示。從圖6可以發現，電流互感器二次負載已遠遠超出允許的負載阻抗，在最大零序短路電流情況下，電流互感器誤差將遠遠大于10%。

圖6 某廠除塵變低壓側中性點電流互感器10%誤差曲線

為保證400 V系統電流互感器誤差滿足繼電保護要求，應綜合考慮電流互感器選擇、保護安裝方式等，如盡量選用保護用電流互感器(此類電流互感器很少)，選用二次額定電流為1 A的電流互感器，其負載阻抗可為二次額定電流為5 A的電流互感器的25倍；保護裝置就地安裝，減小負載阻抗，上例中某廠對類似的中性點零序過流保護改為就地安裝方式，電流互感器的二次負載基本將為0.1 Ω左右，滿足了電流互感器誤差的要求。

3.3 低壓中性點不接地系統使用的電壓互感器

4 結語

隨著火電單機容量的增大，機組的非計劃停運造成損失大，影響范圍廣。為保證機組的運行，廠用電系統、安裝、繼電保護等的整定越發重要。廠用電設計時必須按照規程要求，充分理解輔機的功能和作用，合理分布電源。結合廠用電系統接線方式和設備類型合理整定繼電保護定值及設備選型。

(本文編輯：嚴 加)

電力簡訊

青海連續7天全清潔能源供電

自6月17日0時至23日24時，連續7天合計168小時內，青海省日均用電量1.75億千瓦時，日均用電負荷720萬千瓦，最高用電負荷750萬千瓦。在此期間，國家電網將全部以光伏發電、風電及水力發電供應全省用電。以全部清潔能源對一個省份連續7天供電，實現用電零排放，這在我國尚屬首次。截至2017年5月底，青海電網總裝機容量2 345萬千瓦，可再生能源裝機1 943萬千瓦，占全省裝機總量的82.9%。其中，水電1 192萬千瓦，光伏682萬千瓦，風電69萬千瓦。水電和光伏發電已經成為青海電網第一、第二大電源，這種電源結構為國家電網公司嘗試對青海省全部以清潔能源供電提供了可能。供電期間，青海省內用電負荷全部由省內水電和新能源提供，不足部分外購西北電網內新能源電量進行補充，保證新能源電量比例不低于20%。而火電電量全部通過市場交易方式送出省外，大電網優化配置電力能源資源的優勢得到充分發揮。

(本刊訊)

Investigation on the Problems of Auxiliary Power System in Large Thermal Power Plant

XIA Jinlin

(Anhui Anqing Wojoint Power Plant Co., Ltd.，Anqing 246008, China)

Some problems of the auxiliary power system in large thermal power plant are analyzed in this paper. It investigated the impacts of the system auxiliary machine power distribution on unit operation, and points out the problems about the auxiliary power system protection configuration, equipment selection and auxiliary machine controlling power source.

power distribution; zero sequence protection; F-C circuit; setting calculation; equipment selection

10.11973/dlyny201703025

夏金林(1974—)，男，工程師，從事火電廠生產運行及技術管理工作。

TM76

B

2095-1256(2017)03-0331-05

2017-02-25