大型火力发电厂厂用电系统.doc

第一章 绪论第一节 火力发电厂的厂用电系统及负荷分类任一较现代化的工矿企业在进行生产时，必然要使用一些用电动机械。工厂越现代，这些电动机械一般就越多，向其供电的系统也越复杂。在设计与生产中，我们称这些电气负荷为“厂用负荷”，而将供电系统称为“厂用电系统”，而组成这套厂用电供电系统的设备则称之为“厂用电设备”。火力发电厂也一样，发电机需汽轮机来拖动，而驱动汽轮机的蒸汽又来自锅炉，围绕着这个主系统，有许多的子系统为其服务，这些子系统又都是由成百上千的电动机机械组成的。例如电厂的锅炉在运行时，需燃料系统为其服务，这系统就由翻车机系统、堆料取料机系统、碎煤机系统及皮带输送机系统组成。而翻车机系统又由重车拖动机械、空车拖动机械、空车平台移动机械及翻转机械等组成。这些大大小小的厂用机械需有机地结合起来一起工作，才能保证发电机组正常运行，并输出电力。这些为保证电厂安全运行的全部电动负荷，都统归在发电厂的厂用电范围中。人们习惯地将厂用电负荷分类，以便于统一管理并分类供电，由于使用的角度不同，分类的方法也不相同，常用的分类方法有以下几类。一、 按电源的种类分类根据厂用电负荷所用电源的种类，可分为交流厂用电负荷（以下简称厂用负荷）及直流厂用负荷，由此对其供电的电源也按其种类分为交流电源和直流电源。绝大部分的厂用负荷使用交流电源，因为该电源可从发电机出口及电力系统经降压获得，运行、维护都是很方便。而那些必须用直流电源或在全厂各种交流电源消失后仍需继续运行的负荷，则由另设的直流电源供电，如各种控制、保护、通信系统及直流电机等。有一种负荷，虽然也运行在交流电压下，但究其电源，却是由直流电源供电，经逆变器或不停电电源（UPS）将其转换为交流电源后使用的。这种负荷我们按其实际使用的电压，仍称其为交流负荷。将负荷按电源种类分类，可以使设计者了解负荷的电源要求，以及计算交直流各电源的容量，并将负荷按其电压性质分别接入不同系统，而运行人员据此可很容易地找到该负荷的供电系统。二、 按电源的电压等级分类厂用负荷按其供电电压可分为高压厂用负荷和低压厂用负荷。在我国的火力发电厂中，一般高压厂用电压有10kV、6kV及3kV三种，其中6kV最常见。在少数老电厂或从国外引进的大机组电厂中，也存在10kV及3kV的电压等级。老电厂的3kV系统是由解放前延续而来，现已基本改造完毕。而个别与国外联合设计的新型大容量电厂，因考虑发电机进相运行时大电动机的自启动电压要求，也出现过10kV及3kV两个高压厂用电系统。发电厂的低压厂用电应包括交流厂用电和直流厂用电，但习惯上人们将低压交流厂用电系统称为“低压厂用电系统”，而将直流厂用电系统单独划为“直流系统”。电厂的低压厂用电电压等级，一般为380/220V。如果电厂采用的是中性点不接地系统，那么其低压厂用电电压为380V；如果电厂采用的是中性点直接接地系统，那么其电压则为380/220V。为减小短路电流水平，节约铜等有色金属的消耗，近来有人提出增加660V这一级电压，但至今响应者不多。在厂用电系统中设计中，将根据厂用负荷的容量大小来决定此负荷应接入高压系统还是低压系统。如把较小的负荷接入6kV厂用高压系统，那么其绕组将极细而绝缘又极厚，不仅工艺较难，且不经济。反之也同样。根据我国的制造工艺及经济比较，把高低压厂用负荷的界限定于200kW，即当负荷容量大于及等于200kW时，应将其接于6kV系统；而小于200kW时，则接于380/220V系统。当然，在就地没有6kV系统，而低压厂用电系统的容量又足够大时，也允许将略高于200kW的负荷接于低压厂用电系统中。当厂用电压为3kV时，与低压厂用电系统的负荷容量分界线定在100kW较为合适。直流厂用电的电压一般为220V及110V，在中小型发电机组中，直流动力及控制为一个供电系统，所以常用220V一级直流电压。在大型机组中，要求将直流的动力和控制系统分开供电，所以往往采用220V和110V两种电压，前者为动力系统电源，后者为控制系统电源。也有个别的直流设备电压要求为75V、15V或其他电压等级，这类负荷的容量一般较小，常单独设一组蓄电池供电。也可从上述厂用直流的蓄电池组中抽头分压获得，由于这种方法会影响电池的寿命，故现在已很少采用了。将厂用负荷按其电压分类的方法，常用于高低压厂用负荷的计算及进行厂用负荷的配置等等。三、 按负荷的工艺系统分类一个大型电厂中，厂用负荷可达上千台，而这上千的厂用负荷，又相对按其用途集中在一个或几个工艺系统中，所以设计中也常常采用按负荷的工艺系统分类的方法。这样一个电厂大致可分为汽水系统、制粉系统、燃烧系统、开式和闭式冷却水系统、润滑油系统、循环水和供水系统、输煤系统、燃油或点火油系统、水预处理和代化学水系统、除灰系统、控制系统及电气、修配、暖通等公用负荷系统。由于这种方法与专业分工及电厂目前的运行体制对应，所以使用很广，设计成品常按上述方法分卷分册，而厂用电供电系统也常按此设置电源，如化学变压器，输煤变压器等等，都直接表明了该变压器的主要用途。四、 按负荷重要性分类各厂用负荷在电厂正常生产中的性质不相同，所以对它的供电方式也不尽相同。按其在生产过程中的不同重要性，可将厂用负荷分为如下几类。I类负荷：这类负荷对于电厂的生产极其重要，即便是在瞬时断电而由手动恢复供电前的短时停电中，也可能危及人身及设备的安全，使生产停顿或发电量大幅度下降，如送、引风机及给水泵等负荷。类负荷：这类负荷允许短时停电，但如停电时间过长，有可能损坏设备或影响正常生产，如钢球磨煤机、碎煤机等负荷。类负荷：这类负荷一般与生产工艺过程无直接关系，即便较长时间停电，也不会直接影响到正常运行，如油处理设施及中央修配厂设备等负荷。随着机组容量加大及自动化水平的不断提高，有些负荷对电源可靠性的要求也越来越高，如机组的计算机控制系统就要求电源的停电时间不超过5ms，否则将造成数据遗失或失控。这类负荷过去常称为“不停电负荷”，现由国家有关部门规定，统一称为“0I类负荷”，由不停电电源供电，而相应地将直流负荷称之为“0类负荷”。还有一类负荷，在机组启停中起极为重要的作用，而在正常运行工况时，只相当于上述I类负荷乃至类负荷。如发电机的盘车电动机及交流润滑油泵等，如在停机时失去电源，将造成发电机大轴弯曲和轴瓦烧损的事故。这类负荷正常时由低压厂用电系统供电，一旦全厂停电时，由一不受本厂厂用电系统及本区域电力系统影响的独立电源供电，以保障发电机组顺利停机，不致造成设备损坏，并能很快地再启动。此电源称为“保安电源”，这部分负荷常被称为“事故保安负荷”，在设计中将其定为“0类负荷”。火力发电厂内主要负荷按其运行重要性的分类见表A。以上仅是几种常用的负荷分类方法，它们相对独立而又互为交叉，各有特点而又互为补充，没有一个分类方法能全面地概括负荷的性质，所以在实际应用中，应根据自己的使用特点采用较合适的分类方法。在一项较复杂的工作中，往往需要几种方法并用才能得出结果。如厂用电系统设计中，需先按各负荷的电源、电压及用途性质将其分类并计算，然后才按其重要性接线，这将在以后章节分别论述。第二节 厂用负荷的供电虽然厂用负荷的分类方法很多，但对厂用负荷的供电方式却主要是由它在运行中的重要性来决定的。（1）I类负荷。对I类负荷，常常要求将其接于供电可靠性较高的母线上。对于接有这类负荷的供电母线，要求系统可靠，且一旦工作电源故障后，应有备用电源自动投入。而设备配置方面，往往采用专门配置备用设备的方式，一旦工作设备故障停运，则备用设备自动投入，如凝结水泵、循环水泵等。但也有个别I类负荷不配置备用设备，而是要求对这些负荷作双电源供电，并设自动切换装置，以确保设备运行的安全，如发电机励磁用的硅整流盘通风机及主变压器的强油循环泵电源等。（2）类负荷。类负荷与I类负荷的供电方式差不多，接有该负荷的母线也应电源可靠并具有备用电源，所不同的仅是备用电源不用自动投入，而用手动投入即可。类负荷往往也设有备用设备，互为备用的方式与I类负荷一样。（3）类负荷。类负荷的供电系统可靠性要求可略低些，允许只有一个电源。如有可能，最好仍设有备用电源，以便在工作电源长时停电时，设备也能够运行。这类负荷一般没有备用设备。（4）0I类负荷。对于0I类负荷（即不停电负荷）的供电，一般的电源自动切换系统已不能满足要求，所以专门采用不停电电源（筒称UPS）或逆变机组对其供电。正常时由厂用交流电源供电，一旦电源消失，UPS内无触点静态快速开关将电源在极短时间内（3ms）切换至直流系统，改由直流供电并逆变为交流输出，继续维持0I类负荷的运行。而0类负荷（即直流负荷），则自始至终一直由直流系统供电。（5）0类负荷。在大机组电厂中，一般采用柴油发电机作为保安电源向0类负荷（即事故保安负荷）供电，因为它基本不受外界系统的影响。当电力系统停电或全厂事故停机时，柴油发电机便快速启动，向0类负荷供电。有些电厂认为柴油发电机有维护、检修、保养等诸多不便，因而从与本厂相对独立的当地电网中拉一回线路作为保安电源。这种方式做为柴油发电机的备用电源还可以，但如仅靠这一个电源来保证事故时的安全停机，却不能做到万无一失。因为如果遇到系统解裂及区域性的系统停电故障，上述电源是没有保障的。在200MW机组中，也曾用交直流逆变机组作为保安电源。这种机组由一台交流电动机/发电机及一台直流电动机/发电机同轴耦合而成。正常运行时交流厂用电系统向交流电动机供电，交流电动机呈电动机状态运行，拖动同轴的直流电动机。此时直流电动机呈发电机运行，向蓄电池充电。一旦厂用电消失，直流电动机立即成为电动机状态，并拖动呈发电机运行的交流电动机，向0类负荷供电。当然，由于蓄电池组的容量有限，逆变机组容量不可能作得太大，一般仅为1530kW，所以它仅用于200MW机组，且应适当限制保安负荷的容量。保安电源一般设置在200MW及以上的机组中，这是因为在小机组中0类负荷容量很小。一些小负荷，如润滑油泵可用直流电动机驱动等；而盘机电动机等较大容量的设备，可用手动盘车等装置代替，就不用再设置价格昂贵的保安电源了。要指出的是，保安电源并不是非常可靠的，它的职责是保证发电机组能安全地停机。在全厂停电时，不可排除柴油发电机有数次启动才能成功的可能性。即便一次投入成功，也要数秒钟才能逐步带上负荷。因此，有人以为保安电源能够永远有效，将不允许短时停电的设备也接在其上，是很错误的。随着技术水平的提高以及新一代的高可靠性设备的出现，上述接线原则也发生了较大的变化。尤其是采用了PC（动力中心）MCC（电动机控制中心）的接线方式后，它以高可靠性的设备和清晰的接线，代替了原来的低参数设备和复杂的接线。I类负荷也被允许接在低一级的母线（MCC）上，并在电源的切换上也采用了手动切换，这在第三章中将予以细述。第二章 高压厂用电系统第一节 高压厂用电接线一、 对高压厂用电系统的接线要求在设计一个发电厂的高压厂用电接线时，首先应了解各工艺系统在电厂中的作用及区域，并结合运行、检修及施工的要求，对各类负荷设计合理的供电方案。对于I、类负荷，应考虑其电源有较高的可靠性，并配有备用电源自动投入装置。两个互为备用的负荷，则应尽量从不同的母线段引接。而对那些供电距离较远的负荷，则应对其供电方案作经济技术比较。当经济合理、技术可靠时，也可考虑用电缆或架空线路将厂用电源升压后送去。高压厂用电的接线方案可以各有不同，但首先应遵循如下几点原则：（1）各机组的高压厂用电系统应该相对独立，这一条对200MW及以上的机组尤为重要。这主要是为了防止某一台机组的厂用电母线故障时，不致影响其他机组的正常运行。200MW及以上的机组是电力系统的主力机组，一旦几台机组同时停机，极有可能造成电力系统的崩溃和解裂。同时，由于事故被限制在一个较小的范围，也便于事故处理，并使机组在短时内恢复运行。（2）高压厂用电系统应设有启动/备用电源，该电源的设置方式根据机组容量的大小和它在系统中的重要性而异，但必须是可靠的，在机组起停及事故时的切换操作要少，并且与正常的工作电源能短时并列运行，以满足机组在启动和停运过程中的供电要求。（3）要考虑全厂的发展规划，各高压厂用电系统的布置应留有充分的扩充余地，当规划容量能看得准时，在高压厂用电系统的容量上应考虑足够的裕度，以免在扩建时造成不必要的重复性浪费。（4）由于大多数电厂均是一次设计分期建设，所以应充分考虑在这种施工情况下的高压厂用电系统运行方式。尤其是对公用负荷的供电，既要保证已建成机组的运行，也要考虑到在建机组建成后便于过渡。应尽量减少在数台机组连续施工过程中多次停电改变接线和更换设备的机率。二、 各种容量机组的高压厂用电接线在单机容量为25MW、50MW，甚至100MW的供热电厂或小型电厂中，往往机炉的数量是不对应的，锅炉产生的蒸汽进入母管，然后向汽轮机供汽。大容量的负荷主要集中于锅炉房及输煤系统，如送风机、引风机、磨煤机及输煤皮带等。因此在小容量机组的设计概念中，高压厂用母线应按炉分段，如图2-1所示。随着发电机容量的不断增大，汽机辅机的容量也越来越大，如射水泵、凝结水泵等设备都进入了高压负荷的范围。由于汽机房内的高压负荷逐渐增多，加之在大容量机组中机、炉都成单元制运行，以炉分段的概念逐渐淡薄。当单机容量为200MW以上时，实际已是按机组分段了。因为厂用电系统一般均可随机组检修时一起停电检修，加之高压厂用母线的故障机率极小，所以无论大小机组，绝大部分的高压厂用电系统都采用单母线接线。高压厂用母线大都设有工作及备用两个电源，当工作电压故障失去时，备用电压应能自动投入。1 小机组的高压厂用电接线在小容量机组中，高压厂用母线是以炉分段的。一般情况下，当锅炉容量为65t/h及以下时，两台炉可合用一段母线；锅炉容量达到120220t/h时，则一台炉设一段母线。当发电机接在一段较低电压的母线上，而此母线与系统连接时，由于这段母线的可靠性较高，高压厂用电源一般从此母线上通过高压厂用变压器引接。当母线电压与厂用电压等级一致时，可直接由母线相接。为限制厂用母线上的短路电流，也可通过电抗器限流，如图2-2（a）所示。这样，不仅机组间可互为备用，而且与系统电源连接的也能作为备用/启动电源，在全厂机组停运间将电力反馈回电厂。如机组通过升压变压器直接送入较高的电力电网，则从发电机的出口引线处直接引取高压厂用电源，如图2-2（b）所示。2 大中容量机组的高压厂用电接线大部分100MW机和125MW及以上的机组，其高压厂用电源都是从发电机出口母线处通过厂用变压器引接的，厂用电系统的备用电源另设。机组启动时，先由备用电源向厂用电系统供电，待运行正常后，则手动切换至工作电源。国外有些大机组的高压厂用变压器也采用了有载调压变压器，这样可以很好的保证厂用电的质量，尤其是对存在进相运行可能的发电机组，更是如此。因为发电机进入进相运行工况时，其功率因数呈超前状态，励磁电流较正常运行时小，发电机的端电压也低，如厂用变压器为有载调压变压器，厂用电的电压质量可以很好地得到保持，否则一旦发电机进相运行，厂用系统便出现低电压工况，这不仅使大电动机的启动特别困难，而且对于一般电动机的寿命也极为不利。另外，有些电厂采用了有载调压变压器后，在发电机的出口再加装断路器，如图2-2（c）所示。这样，机组启动时，可先断开此断路器，厂用变压器由电力系统反送电，待发电机投入后，便自动由发电机供给电源。这种接线方式，可不用再另设启动电源。高压负荷一般都比较重要，大多设有备用设置，当工作设备故障时，备用设备会自启动接替工作。为使工作与备用设备不会因母线故障而全部停运，设计中又将母线分为两段，把互为备用的设备接于不同段上，以达到上述目的，如图2-3（a）所示。随机组及高压厂用变压器容量的不断增长，高压厂用电系统中的短路电流也在加大，为限制短路电流水平，除适当加大厂用变压器的阻抗外，还采用了低压为分裂绕组的分裂变压器，并将一台机组的两段高压母线接于不同的绕组上，如图2-3（b）所示。这种分裂变压器由于两个低压绕组间的分裂电抗很大，在短路时不仅可有效地阻止另一绕组的电动机反馈电流的流入，与双绕组变压器相比较少了短路电流水平，同时也能极大地减少故障绕组对非故障绕组母线电压的影响，使在另一段母线上运行的高压负荷能较正常地运行。在我国，分裂变压器一般用于200MW及以上的机组。三、 高压公用负荷的接线1 设置高压公用段的目的发电厂中有些负荷是不以机组为单元，而是为全厂服务的公用系统，如输煤系统、化学水处理系统及修配厂、污水处理场等等。对这类负荷的供电要避免仅依靠某个电源或某一台机组，以防止因某电源或某台机停运而使公用负荷不能运行，从而造成全厂停运的事故。在设计公用负荷的接线时，还要特别注意其与连续施工的适应性。一般在建设的第一台机组投运前，公用负荷就必须建成投运，以保证第一台机在建成后便能投产。在小机组的高压厂用电中，公用负荷的容量不大，且大半为低压负荷，因此如有高压负荷直接接于高压厂用母线上，而其他低压负荷就通过接在高压厂用母线上的降压变压器供电。从200MW机组开始，公用负荷的容量增加了，并且其中高压负荷的成分也在增加，所以有必要就是否设专门的高压公用段作经济技术研究。在小机组电厂中，高压的公用负荷非常少，仅影响某一二段厂用接线，当全厂停电检修时可一并检修带有公用负荷的厂用段。在大型区域性电厂中，是极少允许全厂停运检修的。如还像小电厂那样将高压公用负荷接于一个或几个厂用段上，那么只要有机组在运行，接有公用负荷的母线就极难停运行检修。如公用负荷又分接于多台大机组的厂用段上，则问题就更突出了。所以，在大容量机组中设置高压公用段是很必要的。这不仅加强了机组的单元性，同时也有利于全厂公用负荷的集中管理。2 公用段的接线方式公用段一般也分为两段，以便将互为备用的负荷接于不同的公用段上。公用段应设有工作与备用两个电源，可分别由高压厂用系统引4个不同电源，如图2-4（a）、（b）所示。也可仅引两回电源，而两段公用段互为备用，如图2-（c）4所示。要注意的是，如采用专门的公用段，那么作为其电源的上一级高压厂用段的负荷容量将大幅度增加。如采用图2-4（a）、（b）所示的接线方式，一旦公用段失去某一电源，显而易见的是两段公用段负荷将全部作用在作为另一电源的高压厂用段上，这极易引起某一电源的过负荷。所以在设计中应特别注意负荷的合理分配。不仅在事故情况下不使电源过负荷，在正常运行及切换时，也不应因公用与工作负荷叠加在一起时引起电源过负荷。如不能避免上述现象时，应提出在这种情况时，通过启动某些互为备用的设备将部分负荷转移到另一高压厂用段上。3 公用段的设置地点当公用负荷距离厂房较近时，可将公用段设在厂房内；如距离较远时，则可将公用段设在公用负荷较为集中心的地区，以减少电缆的长度及供电网络产生的电容电流。我们知道，一般大型火力发电厂的范围比小型电厂要大很多，厂区内的公用负荷与高压厂用配电装置的距离也较远，如从主厂房内的高压配电装置至煤场、化学区域的电缆长度，可以达数百米。这不仅使电缆数量增加，并势必将增加高压厂用电系统的电容电流。在我国的设计规程中要求：如采用中性点不接地系统，当由一个电源供电的高压厂用电系统的电容电流大于5A时，在该电源应设单相接地保护设施，一旦该系统有接地时，向运行人员发出报警信号。如这个系统的电容电流大于10A时，则应在该系统的每个回路上加装单相接地保护。这要求无论对于施工、运行及维护，都是比较困难的，所以我们希望将每个电源的电容电流能限制在10A以下，而分裂变压器的使用又为此创造了条件。因为分裂变压器的两个分裂绕组间不传递零序电流，所以电容电流的计算范围可仅限制在一个绕组的负荷中，相应减小了电容网络。因此，将公用段就地设置是减少电容电流最有效的方法。一个电厂一般只设一个高压公用段，也可设视情况设几个公用段，此时按工艺的作用命名公用段，如输煤段、化学段等等。四、 高压厂用启动/备用电源为给发电机组正常启动时提供电源，必须提供一启动电源。保证高压厂用电系统的运行安全，设置厂用备用电源也是非常必要的。然而在现在设计中，一般将上述两种功能的电源合二为一，统称为“启动/备用电源”。由于启动/备用电源所具备的功能，要求该电源应从与厂用电源相对独立的系统引接，所引接的系统应有两个以上的电源，并具有足够的容量。为保障电压质量，当启动/备用变压器的阻抗大于10.5%或所接电力系统的电压波动超过5%时，还应考虑采用有载调压设施。1 启动/备用电源的引接在小机组电厂中，数台机组常接于同一发电机电压母线上，此时启动/备用电源常直接从该电压母线引接。如电源的短路电流太大，则加装限流电抗器加以限制。当厂内还有与电力系统连接的更高一级电压母线，而系统的反馈容量又足够大时，为在全厂停电时能迅速取得备用电源，也可从此母线引接。图2-5为大中型电厂高压厂用启动/备用电源引接方式。在大中型机组中，由于基本都是发电机主变压器单元制接线，因此启动/备用电源一般从厂内最低一级的升高电压母线引接，但先决条件是该母线与系统电源相连并具有足够的容量，如图2-5（a）、（b）所示。作为较少的一种接线方式，也有将启动/备用电源从两个系统间的联络变压器的第三绕组引接的。这种接线方式固然可降低启动/备用变压器的造价，且可分别由两个系统引接启动/备用电源。但一旦联络变压器故障，则启动/备用电源也随此消失。因此这种接法使用不多，常见于变电所的所用电接线中，如图2-5（c）所示。当大型发电厂内只有一级超高压母线时，从技术经济诸方面分析，启动/备用电源从此电压引接是不合适的。这种情况下，可从附近具有足够容量的较低级电压系统用专用线路引入电厂所需电源，如图2-5（d）所示。由第一节所述，当发电机出口母线上加装断路器后，厂用电源有可能同时兼作机组的启动电源，不另设启动/备用电源。这在原苏联设计的大型电厂中较多见，但需另设一台同参数的高压厂用变压器作为“仓库备用”，一旦运行时的高压厂用变压器故障，则将机组停运并立即换上备用变压器，然后再并网发电。由于大型机组的高压厂用变压器事故率很低，因此这种方式也可作为启动/备用电源的一种方式。启动/备用电源的接线方式还有几种，但因实用性不大，故不一一叙述。2 启动/备用电源的数量根据实际调查及研究分析，我国对启动/备用电源的数量做如下规定：（1）在单机容量为100MW以下的电厂中，当设置第六个高压厂用电源时配置第二个启动/备用电源。第二个启动/备用电源最好从与第一个启动/备用电源相对独立的电源系统引接。（2）在单机容量为100125MW时，设置第五个高压厂用电源配置第二个启动/备用电源。（3）在单机容量达200300MW时，每两台同型机组可设一个启动/备用电源。、（4）当单机容量达600MW及以上时，一般每两台机组设一个高压启动/备用电源。但由于我国对于此容量等级发电机的厂用电设计刚起步不久，为安全起见，在有关的设计技术规程中要求：在发电机出口不装设断路器或负荷开关时，“应考虑一台高压用启动/备用变压器检修时，不影响任一台机组的启停”。为了履行这条规定，国内设计的600MW机组每一启动/备用电源都由两台较小容量的启动/备用变压器组成，以满足一台高压厂用启动/备用变压器检修时，另一台启动/备用变压器仍能满足机组启停的要求，如图2-5（e）所示。3 启动/备用电源间的连接图2-6为两个启动/备用电源与各厂用母线段连接方式。在小机组电厂中，两个启动/备用电源的二次侧（变压器、电抗器或直接从母线引接时的厂用电源断路器）往往相互连接，以便在其中一个电源故障时能互为备用，如图2-6（a）、（b）所示。在大中型机组中，这种互为备用的连接方式就显得力不从心了，如图2-6（c）中互连线L。这主要是因为此连线两侧的断路器与正常工作的启动/备用电源的断路器间的连锁太繁琐，以致使各元件的连锁要求互相抵触。而为解决此问题设置的复杂的二次回路，反过来又增加了回路的故障率。考虑到大中型机组中启动/备用电源本来便是备用元件，其运行可靠性相对较高，再设置备用的备用意义不大，故在大中型机组中一般不设置两个启动/备用电源间的再次互为备用。4 启动/备用电源的运行方式启动/备用电源的运行方式有两种。从提前发现问题，保证投入成功率方面讲，在正常运行时将启动/备用电源投入空载运行，使其处于“热备用”状态是有利的，设计中常常按这种工况进行设计。但从节约能源方面考虑，正常时将启动/备用电源不投入，在“冷备用”工作状态，以减少空载损耗，也是可行的。在80年代以前，考虑节约更多些，当时的启动/备用电源大都运行在冷备用状态，而如今考虑机组的安全更多一些，所以有相当多的电厂已是采用了热备用的方式。从及时发现启动/备用电源故障，更好地保障安全运行的前提出发，在电厂还是应提倡热备用的运行工况。关于启动/备用电源的容量选择，将在本章第三节中详细阐述。五、 200300MW机组的高压厂用电系统 一般来讲，200300MW机组的高压厂用电接线方式基本相同，仅是厂用变压器的容量有所改变而已。其接线如图2-4（a）、（b）所示。由图可见，高压厂用电源由发电机的出口引接，经一台分裂变压器降压后，分别向两段高压厂用母线供电，两段母线间无联络开关。高压厂用母线的启动/备用电源来自高压启动/备用变压器，与厂用变压器一样，高压启动/备用变压器也采用分裂变压器，两个低压绕组分别向两个厂用母线供给启动/备用电源。所不同的是，由于系统电压变动范围较大，一般高压启动/备用变压器多采用有载调压器，而发电机的出口电压稳定，高压厂用变压器多采用无载调压变压器。另设的两段高压公用段，其工作电源及备用电源引接，有如下两个常用的方案。（1）从高压启动/备用变压器引接正常工作电源，而其备用电源自1号机的高压厂用段引接，如图2-4（a）所示。这是目前较常见的接线方式，其优点是公用段随1号机一次建成后便不受其他扩建机组的影响；（2）正常电源及备用电源分别自1、2号机高压厂用段引接，如图2-4（b）所示。其优点是接于高压厂用段上的启动/备用电源可使公用段又得到一个安全运行的保障。遗憾的是这种接线方式不能随1号机一次建成，因此在2号机未投运前，公用段的另一电源得先暂由高压启动/备用变压器过渡引接，待2号机正常投运后，再将接线改接过来。因此，虽然理论上此方案可行，实际中极少使用。也有一些设计将公用负荷分散在各台机组高压厂用段上，急用的先上，以后再投的接于后几台机组上。但是一旦有一台机组停运，就必然影响公用负荷的正常运行，这对正在运行的机组是很不安全的。六、 600MW的高压厂用电接线当机组容量增大至600MW及以上等级时（包括500MW），对于高压厂用变压器的设置有以下两种方式。1 采用一台大容量分裂变压器这种方式是采用一台大容量的分裂变压器，由于变压器供给的短路电流也大，需将厂用系统的断路器开断电流提高到50kA及以上，两个分裂低压绕组的电压按设计需要可以相同，也可不同。这种接线大多见于由国外引进的机组。如元宝山电厂由法国引进的600MW机组，采用了一台63/35-35MVA（高压绕组容量为63MVA，低压分裂绕组容量各为35MVA）的分裂变压器作为高压厂用变压器，其阻抗百分数为14%（以高压侧容量为基准）。2 采用两台较小相同容量的分裂变压器国产600MW机组的厂用变压器设置，从一开始就采用了较小的两台同容量分裂变压器并列运行的方式。这即可降低厂用电系统的短路电流水平以及每个低压绕组出口断路器的额定电流，提高厂用电源的运行可靠性，又与高压厂用启动/备用电源的设置相衔接。由于每台600MW机组使用了两台高压厂用分裂变压器并列运行，因此高压厂用段也分成了四段，其所需四个备用电源分别从两台启动/备用变压器引接。目前国内600MW机组的高压厂用电压等级有103kV及6kV两个方案，其高压厂用电系统主要接线如图2-7所示。图2-7（a）、（b）两种方案的电压等级均为103kV。图2-7（a）方案的10、3kV系统分别由独立的厂用变压器供电，为保证在一台备用变压器检修时不影响任一机组的启停，高压启动/备用变压器采用两台低压侧为10kV、3kV的三绕组变压器。这种接线方式厂用变压器总容量小，投资较省。但任一台厂用变压器事故停运时都必须投入两台启动/备用变压器，并将另一台厂用变压器也停下来。图2-7（b）方案为平圩电厂的接线方式，厂用变压器为两台相同容量的三绕组变压器。这种方式虽然投资较高，但启动/备用变压器与厂用变压器为一对一的接线方式。任一厂用变压器事故停运时只投入相应的启动/备用变压器既可。图2-7（c）图2-7（e）方案的电压等级均为6kV，而图2-7（c）、（e）方案的不同仅在于备用负荷的引接。图2-7（e）方案将互为备用的高压负荷接于同一台厂用变压器的两个低压分裂绕组上，在计算其高压侧容量时可只计工作负荷，因此厂用变压器的高压绕组容量的相应减少，能降低一些投资。但出于与图2-7（a）方案同样的理由，两台启动/备用变压器不能与厂用变压器形成一对一的备用，而是交叉接入，因此在任一台厂用变压器故障停运时都必须将两台启动/备用变压器投入。图2-7（c）方案将互为备用的负荷分开接入两台厂用变压器的低压侧，使高压绕组的容量增大，投资增加。但它可与启动/备用变压器形成一对一的接线方式，任一台厂用变压器停运，只要投入相应的启动/备用变压器既可。图2-7（d）方案采用了一台厂用变压器，但为满足“一台启动/备用变压器检修而不影响任一机组的启停”的要求，启动/备用变压器为两台，分别对厂用变压器的两个分裂机组作备用。此方案的高压厂用系统短路电流很大，一般应采用50kA等级的断路器，致使投资加大。但此方案接线清晰，运行操作方便。当启动/备用变压器也仅采用一台时，便是在国外大机组厂用电中采用较多的方案。还有一种接线方式，每台机设置两台双绕组变压器作为一组厂用变压器，启动/备用变压器也同样处理。这种接线方式更清晰，操作方便。但由于事故时每段上的电动机反馈电流几乎增加一倍，所以需采用50kA开断电流的断路器，这在价格上较为昂贵。但如辅以50kA开断F-C回路（详见第四章），其设计思想是很可取的。无论以上哪个方案，高压公用段仍只有两段，其两个电源的连接与200300MW机组公用段的引接基本一样。第二节 高压厂用电压一、 高压厂用电压的等级如上面一章所述，目前国内高压厂用电的电压等级为3、6、10kV。在其他一些国家，由于各自沿用的惯例及标准不一，采用的电压等级也不相同。这在进出口电厂的技术谈判中要特别注意，否则将因电压等级与国内不一致而使电动机设备无法自行配套。有一些论点认为，在满足技术要求的前提下，应优先采用较低的电压等级，经获得较高的经济效益。从理论上讲，这是正确的，但还应考虑国内高压电动机的系列配套情况。电厂的高压电动机品种多、定货面广且每种的数量都不多，如特殊订货不仅价格高、时间长，能接受定货的厂家也极少。因此在考虑采用哪种电压等级时，不仅要进行技术上研究，同时也应顾及到国内的电工产品结构。国内现今适用于电压的高压电气设备基本都为6kV，经过数十年的生产，品种系列都比较齐全。因此，在可能的条件下，电厂的高压厂用电系统应尽量采用6kV。例如当机组容量在60MW及以下，发电机电压为10.5kV时，由于其辅机中超过200kW容量的极少，因此经济分析表明将高压厂用电的电压等级定在3kV是合理的，这样可以降低厂用系统的投资。但实际中由于国内3kV的电动机系列不全，上述电厂往往还是采用了6kV作为高压厂用电的电压等级。当机组为100MW及以上时，则应采用6kV作为高压厂用电的电压等级。一般，将200kW及以上的负荷接于6kV，将200kW以下的负荷接在低压系统。二、 600MW机组的高压厂用电电压等级当机组容量到达600MW时，电压等级须引起重视。本节试通过对600MW机组高压厂用电电压等级的研究，给读者提供一个分析厂用电电压等级的方法。确定机组高压厂用电系统的电压等级涉及到的因数有很多，而最主要的有以下几点。1 电动机启动时的电压校验电动机在启动瞬间，会出现57倍于正常运行电流的启动电流。此电流在厂用变压器和馈电线路中将形成很大的压降，从而使母线电压降低。选择合适的电压等级，可以最终使上述压降被限制在允许的范围内，使母线电压满足安全运行的要求。我国对单台电动机启动及成组电动机自启动时的母线最低电压要求见表2-1。（1）成组电动机自启动时的母线最低电压。成组电动机自启动状态有三种：表 2-1 单台电动机及成组电动机启动时母线允许最低电压名称类型母线最低电压/母线额定电压（%）单台电动机启动时母线电压80电动机成组自启动时高压厂用母线电压高温高压电厂中电厂65706065电动机成组自启动时低压厂用母线电压低压母线单独自启动低压母线与高压母线串联自启动6055注 对于高压厂用母线，失压或空载自启动电压取上限值；带负荷自启动电压取下限值。1）空载自启动。当高压厂用电系统的正常工作电源因各种原因突然失去时，自动保护装置将立即投入备用电源，此时母线所接电动机将因瞬时断电再接通而形成成组自启动。备用电源此时如未带其它负荷，就呈现“空载自启动”状况。2）带负荷自启动。在上述工况中，如备用电源在自动投入前已带部分负荷（如公用负荷等），则称为“带负荷自启动”。3）失压自启动。在运行中因其他非正常原因使母线电压的瞬间降低，但随即事故消除电压又恢复正常，这种工况所形成的电动机群自启动，是“失压自启动”。为保证I类负荷电动机自启动成功，要求在上述各种成组自启动状况下的母线电压应保持在65%70%额定电压。（2）最大电动机启动时的母线最低电压。按有关设计规定的要求：“当高压厂用系统中最大一台电动机正常启动时，厂用母线的电压不低额定电压的80%。容易启动的电动机启动时，电动机的端电压应不低于额定电压的70%，当制造厂有明确合理的启动电压要求时，应满足制造厂的要求。”在对大多数电厂的厂用电设备中，给水泵的电动机是容量最大，200MW及以下容量机组中，给水泵电动机大多数为20003000kW，极个别为4000kW。如果满足了上面（1）的要求，给水泵电动机启动时的母线电压基本都能满足。300MW机组中，给水泵的电动机容量为5500kW，600MW机组时给水泵电动机容量为6300kW。由于大机组的厂用电系统都采用了快速动作的真空断路器或SF6断路器，实现了备用电源快速切换，可以满足电动机成组自启动时的最低电压要求，因此给水泵电动机正常启动时的母线电压就显得非常突出。大量的计算证明，当机组容量为300MW及以上时，给水泵电动机的容量将成为影响高压厂用电参数（电压、变压器阻抗和短路电流等）的选择的主要因素。（3）电动机串接自启动时的低压厂用母线最低电压。在高压电动机成组自启动时，有部分低压负荷要随之自启动，要求在这种串接自启动的工况下，低压厂用母线的电压至少应维持在55%的额定电压以上。（4）远距离供电的负荷的自启动最低电压。大中型发电厂中，往往需要向距厂区很远的厂用负荷供电，而这类负荷的容量也较大，如补给水泵房、中继水泵房、灰水回收泵房等等。这些远距离负荷成组自启动或单台自启动时，其母线电压均应满足上述的各项要求。2 短路电流水平三相短路电流周期分量的起始值为 （2-1） （2-2） （2-3） （2-4）以上四式中 短路电流周期分量的起始有效值（kA）； 厂用电源短路电流周期分量的起始有效值（kA）；电动机反馈电流周期分量的起始有效值（kA）；In基准电流（kA）；系统电抗（标么值）；厂用变压器的电抗（标么值）；KM电动机反馈电流倍数；IM计及反馈的电动机额定电流之和（A）；Sn基准容量（MVA）；Un基准电压（kV）。 由式（2-1）、式（2-2）和式（2-4）可见，对于同一个电厂和同一台机组来讲，系统电抗XS及电动机反馈电流是一个常数。因此，基准电压Un（即高压厂用电系统的电压）越高，则基准电流In越小，从而将导致三相短路电流周期分量起始值的降低。反过来说，当要求值一定时，所取的电压等级Un越高，则允许采用的厂用变压器电抗便越小，从而电动机自启动时的母线电压也就越高，而这恰恰是上一节所需要的。当然，对于上述公式也可以有另一个解释的方法，即不改变电压等级，只要降低厂用变压器的电抗，也同样可以达到提高电动机自启动时母线电压的目的。但这样一来，势必将增大三相短路电流周期分量起始值I，从而给厂用系统中断路器的选择造成困境。因为短路电流数值加大后，必然要提高断路器的开断容量，这不仅使工程费用大幅增加，并且由于制造技术的限制，并不是可以任意提高的。3 高压厂用断路器的开断电流高压厂用断路器的开断容量间接地限制了变压器阻抗的任意下降，因此与电压等级的选取也有极大的关系。根据目前我国的断路器制造水平，无论是3kV，还是6kV或10kV电压，断路器的开断电流一般限制在40kV（周期分量、有效值）以内。当需采用50kA的开断电流时，断路器的大部分主要元件都需进口，而当短路电流水平达到63kV及以上时，世界上只有很少厂家能制造。所以，从国内实际技术水平出发，将高压厂用电系统的短路电流水平限制在40kA及以下，是比较合适的。在短路电流确实较高的情况下，可将高压厂用系统分为两个电压等级，在必须的系统中采用少量开断电流为50kA的断路器，另一系统仍为40kA开断等级，以降低整个厂用系统的造价。4 国内电气设备的配套情况在确定一个高压厂用电系统的电压等级时，还应认真考虑除断路器外的其他电气设备配套情况，如电动机、电缆、互感器及所有必需的辅助设备。当大部分设备无法系列配套时，设计再好，计算结果再佳，也是很难实现的。例如电动机，按计算结果可能10kV电压等级最佳，但国内适用于电压的10kV电动机系列并不配套，致使电压内的大多数电动机需特殊定货，而各新建电厂间的电动机容量并不相同，再建另一新电厂时又需特殊定货。在这种货源、工期都没有保障的情况下，就应将配套情况也输入计算中，从而得到一个与国情符合的电压等级。三、 600MW机组高压厂用电压的选择在我国自行设计制造600MW机组前，国内所装进口的600MW机组高压厂用电压为6kV，短路电流水平在50kA等级。每台机组使用一台分裂变压器作为高压厂用变压器，其容量为60/35-35MVA、电压变比为20/6.3kV其接线如图2-3（b）所示。由于在本章第一节中所述的原因，国内每台600MW机组的高压厂用系统采用2台分裂变压器并列运行的接线方式。下面，就国产第一台600MW机组高压厂用电压选择和国内自行设计的第一台国产600MW机组高压厂用电压选择的比较，介绍一下高压厂用电压等级的选择。1 国产第一台600MW机组的高压厂用电压等级在中外联合设计第一台600MW机组时，曾分别对高压厂用电压等级做了1030kV、6kV及63kV三个方案的技术经济比较，其中63kV的方案因在技术上明显不合理而被放弃。103kV方案中，每台机组配2台容量是40/20/15MVA、电压变比是20/10.5/3.15kV的三绕组变压器作为高压厂用变压器。6kV方案则采用每台机组配2台容量为40/20-20MVA（高压绕组容量为40MVA，分裂绕组的容量分别各为20MVA，以下同）、电压变比为20/6.3-6.3kV（高压绕组的额定电压为20kV，分裂绕组的额定电压分别同为6.3kV，以下同）的分裂变压器。两方案的接线图见图2-7（b）、（c）。发电机电压经主变压器升压至500kV送出。因500kV线路长度近200km，电厂侧又未装并联电抗器，为调节线路小负荷时中端的电压，发电机有时将处于进相欠励磁运行的状态。经计算，发电机功率因数可达0.95（标么值）长期运行。结合上述情况，由外方进行了经济技术比较。认为从经济上分析，无论是设备投资还是年运行费用，两方案都相差不多。而技术分析结果显示103kV方案更合适，其计算结果见表2-2。在计算中，已经考虑各厂用变压器空载时其低压侧电压与高压侧电压1.05：1.00的变比升压。分析表2-2，设计部门认为103kV方案较6kV在最大电动机启动时的母线电压高4%左右。因此其结论为：“由于6kV方案的裕度相当小，电动机的清单还不完善，电缆的阻抗亦未考虑。而103kV方案较多裕度，故103kV方案为推荐方案。”该电厂的高压由此定为103kV等级。1800kW及以上的高压电动机接入10kV系统，1800kW以下的高压电动机接入3kV系统，低压厂用变压器则分别从10kV、3kV系统引接。由表2-2可见，6kV方案中的3kV系统的断路器开断电流采用了50kA等级。价格是比较贵的。表 2-2 国产第一台600MW机组高压厂用电电压方案计算结果接线方式图2-7（b）图2-7（c）电压（kV）10366高压厂用变压器容量（MVA）高压侧4040低压侧25152020厂用母线短路电流（kA）31.2844.893838高压厂用变压器阻抗（40MVA为基准，%）8.5522.9613.6813.42最大启动电动机容量（kW）给水泵6000凝结水泵1600给水泵6000引风机4000母线电压（%，标么值）1发电机进相运行时，发电机母线电压为95%正常运行时厂用高压96.2