中石化（香港）海南石油有限公司 張東升

1 原始數(shù)據(jù)及短路計算

根據(jù)全廠蒸汽平衡結(jié)果，動力站建設(shè)規(guī)模為2臺310t/h 循環(huán)流化床鍋爐及2臺CC50-8.83/4.12/1.27雙抽汽、凝汽式汽輪發(fā)電機組，發(fā)電機額定功率55MW、額定容量68.75MVA。經(jīng)統(tǒng)計，1#爐10kV 廠用電設(shè)備和負荷計算為中壓電機（≥2000kW）5臺、中壓電機（＜2000kW）17臺、低壓變壓器6臺，計算負荷約15300kVA。2#爐10kV 廠用電設(shè)備和負荷計算為中壓電機（≥2000kW）5臺、中壓電機（＜2000kW）17臺、低壓變壓器6臺，計算負荷約15000kVA。根據(jù)發(fā)電機功率和自用電負荷，確定升壓變壓器容量為63MVA，高備變?nèi)萘?0MVA。

1.1 廠用電主接線的要求

動力站廠用電系統(tǒng)主接線是確保動力站安全、平穩(wěn)、可靠和經(jīng)濟運行的關(guān)鍵，是電氣設(shè)備選型、布置、自動化水平和二次回路設(shè)計的重要基礎(chǔ)，對動力站廠用電主接線設(shè)計和設(shè)備選型的要求如下。

保證動力站站用電的可靠性，每臺鍋爐及對應(yīng)機組的供電系統(tǒng)應(yīng)該相對獨立，防止一臺鍋爐和機組的供電母線故障，影響其他鍋爐和機組的正常運行；根據(jù)用電負荷的要求，對重要用電設(shè)備的供電電源容量須有充分的裕度和可靠性。要考慮事故情況下防止故障擴大、限制事故波及范圍和快速進行事故處理的措施，要首先保證主要用電設(shè)備不受損，并能迅速開機使機組快速恢復運行；運行方式調(diào)整要靈活可靠，檢修調(diào)試安全方便。系統(tǒng)接線要清晰、簡單，便于機組的啟、停操作及事故處理；設(shè)備選型合理、技術(shù)成熟、先進、可靠并節(jié)約投資。

1.2 動力站接入系統(tǒng)

根據(jù)外部電網(wǎng)接入系統(tǒng)方案，全廠接入系統(tǒng)電壓等級為220kV，由電力系統(tǒng)引兩路220kV 電源接至廠內(nèi)總變電所220kV 母線，主供電系統(tǒng)電壓采用35kV，配電系統(tǒng)電壓等級采用10kV 和0.4kV。綜合考慮，發(fā)電機至升壓變壓器和廠用電主接線采用常規(guī)接線方式，即：動力站內(nèi)不設(shè)35kV 配電裝置，采用發(fā)變組單元接線，發(fā)電機（55MW）經(jīng)主變壓器（63MVA）升壓至35kV 分別接至總變電所的35kV 母線。發(fā)電機出口設(shè)置斷路器。用發(fā)電機出口斷路器作為發(fā)電機的同期并網(wǎng)點。廠用電分支接在升壓變壓器低壓側(cè)，從升壓變至發(fā)電機出口斷路器之間母線引出，連接方式根據(jù)短路電流計算情況待定。

圖1 全廠電力系統(tǒng)一次主接線圖

1.3 短路計算

本文主要目的是通過計算最大運行方式下三相短路電流，對10kV 斷路器開斷短路電流進行選擇，進而對不同的主接線方案進行對比，最終確定最合理的動力站電氣系統(tǒng)主接線方案。本文只對系統(tǒng)最大運行方式下三相對稱短路電流進行計算，因電動機反饋電流不對結(jié)果產(chǎn)生影響，為簡化計算過程，未計算和考慮電動機反饋電流的數(shù)值。各設(shè)備參數(shù)如下：

220/35 kV 主變：容量150MVA，阻抗電壓18%，X＊=0.12；動力站發(fā)電機升壓變：容量63MVA，阻抗電壓14%，X＊=0.2222；動力站發(fā)電機：容量為68.75MVA，電抗15%，X＊=0.2182。根據(jù)系統(tǒng)接入設(shè)計院的計算，220kV 母線上外部電力系統(tǒng)提供的三相最大短路電流I ＝26.7kA，短路容量S=10680MVA，電抗標幺值0.0094。電力系統(tǒng)正序阻抗圖見圖2。企業(yè)內(nèi)部電力系統(tǒng)最大運行方式為：總變電所220kV 配電裝置雙母線合環(huán)運行，兩臺220/35kV 主變壓器并列運行，35kV 總站雙母線合環(huán)運行，兩臺發(fā)電機通過35kV 總站掛靠系統(tǒng)運行。

圖2 電力系統(tǒng)正序阻抗圖

2 廠用電主接線方案的設(shè)計和選擇

2.1 廠用電接線方案一

廠用電從發(fā)電機出口母線分支通過進線開關(guān)直接接入，每臺發(fā)電機對應(yīng)一段母線，高備段通過斷路器分別和兩段母線相聯(lián)。選擇廠用電母線d1點計算三相最大短路電流。

計算220kV 外電網(wǎng)供給d1點的短路電流?；鶞嗜萘?00MVA、 基準電流5.50kA， 則I"=5.5/0.3266=16.84kA；計算1#發(fā)電機供給d1點的短路電流。發(fā)電機支路的等值電抗換算到以發(fā)電機容量為基準值時的標幺值為：Xc=0.2182×68.75/100=0.15。經(jīng)查汽輪機運算曲線，等到短路電流標幺值：I"=7.24kA，換算到發(fā)電機額定電壓下的額定電流IG1"=3.78×7.24=27.36kA。

圖3 方案一系統(tǒng)圖

圖4 方案一標幺值電抗等值電路系統(tǒng)圖

圖5 簡化后的等值電路

計算2#發(fā)電機供給d1點的短路電流。發(fā)電機支路的等值電抗換算到以發(fā)電機容量為基準值時的標幺值為：Xc=2.075×68.75/100=1.43，經(jīng)查汽輪機運算曲線，等到短路電流標幺值：I"=0.72kA，換算到發(fā)電機額定電壓下的發(fā)電機額定電流IrG=68.75/IG2"=3.78×0.72=2.72kA；d1點的總短路電流：I"=IS"+IG1"+IG2"=16.84+27.36+2.72=46.92kA。

根據(jù)計算結(jié)果，在未考慮電機反饋電流的情況下，廠用電母線最大運行方式下短路電流為46.92kA，則選擇廠用電開關(guān)柜斷路器開斷電流應(yīng)≥46.92kA，一般常用鎧裝中壓開關(guān)柜開斷電流規(guī)格為25kA、31.5kA 和40kA，40kA 以上開斷電流的開關(guān)柜一次投資很高，所以方案一電氣設(shè)備選擇難度大，經(jīng)濟性差，該方案不可取。

2.2 廠用電接線方案二

由于方案一設(shè)備選擇難度大，一次性投資高，為解決方案一存在的問題，常規(guī)設(shè)計采用在廠用電進線斷路器前加裝限流電抗器的典型做法，限流電抗器主要作用是當電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，利用其電感特性，限制系統(tǒng)提供的短路電流，降低故障點引起的短路電流對系統(tǒng)的沖擊，提高系統(tǒng)的殘壓，同時降低斷路器選擇的額定開斷電流值，節(jié)省一次投資費用。

圖6 方案二系統(tǒng)圖

圖7 方案二標幺值電抗等值電路

2.2.1 限流電抗的參數(shù)選擇

加裝限流電抗器后，為同時兼顧短路電流控制水平和電壓降水平，且考慮到廠用Ⅰ段和廠用Ⅱ段互帶的運行方式，限流電抗器額定電流選擇為2000A、額定電壓10.5kV、額定電抗按下式進行選擇：XL%=(Ij/Iky-X＊s×Irk/Urk×Uj/Ij×100%，式中Iky 為短路電流的最大允許值，此處取20kA。XL%=（(5.5/20-0.1231)×2000/5500×10.5/10.5×100%）=5.52%。因采用輕型電氣設(shè)備和較小的電纜熱穩(wěn)定截面的需要，綜合考慮額定電抗選8%，電抗標幺值為0.22。

2.2.2 短路計算

圖8 簡化后的等值電路

計算220kV 外電網(wǎng)供給d1點的短路電流?；鶞嗜萘?00MVA、基準電流5.50kA，則IS"=5.5/0.91=6.04kA；計算1#發(fā)電機供給d1點的短路電流。發(fā)電機支路的等值電抗換算到以發(fā)電機容量為基準值時的標幺值為：X×c=0.61×68.75/100=0.42。經(jīng)查汽輪機運算曲線，等到短路電流標幺值：IG1"=2.531，換算到電壓10.5的發(fā)電機額定電流IrG=68.75/IG1"=3.78×2.531=9.57kA。

計算2#發(fā)電機供給d1點的短路電流。發(fā)電機支路的等值電抗換算到以發(fā)電機容量為基準值時的標幺值為：X×c=5.78×68.75/100=3.97，因等效電抗標幺值X×c ＞3，則通過該支路的短路電流交流分量有效值I"在整個短路過渡過程中可認為不衰減，因而可按無限大電源容量系統(tǒng)考慮，直接用公式算出，即：；d1點的總短路電流：I"=IS"+IG1"+IG2"=6.04+9.57+0.95=16.56kA。

2.2.3 電壓損失校驗

正常運行時電抗器電壓損失ΔU%不得大于系統(tǒng)額定電壓的5%，ΔU%主要由電流的無功分量Imaxsinφ 產(chǎn)生，則ΔU%≈X%/100Imax/Insinφ×100%=6%/100×1500/2000×0.6×100%=2.7%，ΔU%≤5%。經(jīng)過計算，系最大運行方式下，系統(tǒng)和發(fā)電機提供的10kV 短路電流為16.56kA，斷路器開斷電流可選擇為25kA，電抗器壓損≤5%。

通過加裝限流電抗器，解決了方案一存在的缺陷，滿足標準、規(guī)范對廠用電的要求，這種接線方式也是石化企業(yè)動力站最常用的主接線方式，基本上可滿足各方面的需要，石化企業(yè)動力站廠用電基本上都采用這種主接線方式，優(yōu)點是接線簡單、投資較低、經(jīng)濟性較好，缺點是由于一條母線對應(yīng)一機一爐，導致母線上故障或饋線短路都會對相應(yīng)機、爐的正常運行造成波動和影響，甚至會造成停爐停機，從而不能保證爐機的長周期穩(wěn)定運行。且日常廠用母線上啟動大功率異步電動機時會產(chǎn)生大的電壓降低，可能會影響其它設(shè)備正常運行。

2.3 廠用電接線方案三

由于廠用電設(shè)備較多，設(shè)計目標要求動力站長周期運行，廠用母線沒有可能安排專門的檢修和故障處理周期，能不能有一種更合理的主接線方式，既能在故障情況下降低廠用母線故障點的短路電流，減少斷路器短路開斷電流，又能滿足母線及用電設(shè)備檢維修的靈活性，又能在正常運行時減少電能損耗。根據(jù)以上要求，可采用分裂電抗器代替限流電抗器，同時將廠用ⅠⅡ段分為Ⅰ1、Ⅰ2和Ⅱ1、Ⅱ2段，分別接在分裂電抗器兩個分支上。

2.3.1 結(jié)構(gòu)、主接線、參數(shù)選擇、短路電流計算

分裂電抗器的結(jié)構(gòu)。和普通電抗器基本相同，不同處是在電抗線圈的中間有一個抽頭，用來連接電源側(cè)，于是一個電抗器形成兩個引出分支，此二分支可各接一段母線，其電抗及額定電流相等。圖9中3接電源側(cè)、1（或2）側(cè)短路時有XL1%=XL%，圖中f 為分裂電抗器的互感系數(shù)，取0.5。

圖9 分裂電抗器接線圖和阻抗圖

采用分裂電抗器后的主接線。采用分裂電抗器后將原有單母線分段的2段母線每一段又分為兩個半段，用電負荷分配盡量平衡。該接線方式即提高了供電的可靠性，同時又可限制電動機反饋電流，而且可根據(jù)情況在保證爐、機正常運行的情況下半段母線退出運行，給檢修帶來方便，可保證動力站的長周期運行。

圖10 方案三主接線圖

圖11 方案三標幺值電抗等值電路

分裂電抗器參數(shù)選擇。分裂電抗器額定電流選擇為2×1000A，額定電壓10.5，額定電抗計算為：XL%=(Ij/Iky-X＊s×Irk/Urk×Uj/Ij×100%，式中Iky 為短路電流的最大允許值，此處取20kA。XL%=(5.5/20-0.1231)×1000/5500×10.5/10.5×100%=2.8%。為滿足動穩(wěn)定要求，額定電抗選4%、電抗標幺值為0.22。

短路電流計算。電路簡化和短路計算過程同方案二，d1點系統(tǒng)最大方式下三相短路電流為：I"=IS"+IG1"+IG2"=6.04+9.57+0.95=16.56kA，電壓損失校驗ΔU%≈2.7%≤5%。經(jīng)過計算，最大運行方式下d1點短路，系統(tǒng)和發(fā)電機提供的10kV 短路電流為16.56kA，和方案二相同，斷路器開斷電流可選擇為25kA。電抗器壓損≤5%，滿足規(guī)范要求。

2.3.2 電壓波動校驗

在正常運行情況下，由于兩段負荷基本平衡，分裂電抗器的本身電壓損失很小，且兩分支臂母線上的電壓差值也很小，但當兩分支臂負荷變化較大時，可能會引起較大的電壓波動。正常運行，要求兩分支臂所帶母線的電壓波動不大于母線額定電壓的5%，下面計算極端情況下，電壓波動值是否滿足要求。極端情況假定為Ⅰ2段運行但無負荷，即I2=0，Ⅰ1段運行，電流為額定電流，即I1=1000A，則：

U1%=U%-XL%(I1/Insinφ1-fI2/Insinφ2)，U2%=U%-XL%(I2/Insinφ2-fI1/Insinφ1)，式中：XL%=4%cosφ=0.8sinφ=0.6In=1000Af=0.5，U1%-U%=-4%×1000/1000×0.6，ΔU1%=-2.4%，U2%-U%=-4%×(-0.5)×1000/1000×0.6，ΔU2%=1.2%。計算結(jié)果表明兩條分支臂的電壓波動在母線額定電壓±5%以內(nèi)，滿足要求。

2.3.3 電壓偏移校驗

一條臂母線短路時電壓側(cè)殘壓及另一條臂母線電壓偏移校驗，假設(shè)Ⅰ1段母線短路，短路電流為Ik，則分裂電抗器電源側(cè)的殘壓百分值U%及正常臂母線Ⅰ2段上的電壓百分值U2%可計算為：U%=(XL1%)/100(Ik/In-fI2/Insinφ2)×100(%)，U2%=XL1%/100(1+f)(Ik/In-I2/Insinφ2)×100(%)，式中設(shè)極端情況：XL1%=4%Ik/In=16.56I2=1000f=0.5cosφ2=0.8sinφ2=0.6，U%=0.04×(16.56-0.5×0.6)=65%，滿足不低于60%～70%的電壓額定值的要求。

另一條臂母線電壓偏移校驗：U2%=XL1%/100(1+f)(Ik/In-I2/Insinφ2)×100%，U2%=0.04×(1+0.5)×(16.56-0.6)=95.76%，由計算結(jié)果可見，在一條臂母線短路另一條臂母線會略有降低，但不會導致繼電保護誤動作，對正常的電氣設(shè)備運行沒有影響。

2.3.4 正常運行時單臂的電壓降

ΔU=I/2×(1+f)XL-I×f×XL=I/2(1-f)XL，取f=0.5得ΔU=0.25IXL。從以上計算結(jié)果可以看出，相同電抗值XL 普通電抗器和分裂電抗器相比，正常運行時，分裂電抗器每個分支的電抗只有普通電抗器電抗XL的1/4，每條分支臂的電壓損失比相同電抗值的普通電抗器減少3/4。

2.3.5 母線短路時的電壓降

當一條分支短路時，由于短路電流遠遠大于另一條分支的電流，該分支的負荷電流可以忽略，故障分支的電壓降為：ΔU=I×(1+f)XL-I×f×XL=I×XL，當分裂電抗器的一條分支臂所帶母線短路時，分裂電抗器對應(yīng)分支臂電抗是正常運行電抗值的4倍，相當于電抗值為XL的普通電抗器，此時限制短路的能力相當于普通限流電抗器，明顯起到了限制短路電流的作用。

分裂電抗器有以上特性的原因主要是由分裂電抗器的結(jié)構(gòu)決定的，正常運行時，由于兩分支臂中電流方向相反，使兩分支的電抗減小，因而電壓損失減小。當其中一個分支所帶母線發(fā)生短路時，該分支流過系統(tǒng)側(cè)提供的短路電流，而另一分支的依然是正常負荷電流，數(shù)值相對于另一分支的短路電流來說很小，可以忽略其作用，則流過短路電流的分支電抗增大，使短路電流降低，同時維持電源側(cè)較高的殘余電壓。

分裂電抗器參數(shù)選擇不當，運行過程中也會存在一定的問題，如當兩個分支負荷電流不相等或負荷電流短時間內(nèi)變化過大時，將引起兩分支母線電壓偏差增大，使分分支所帶母線電壓波動較大，造成母線所帶電氣設(shè)備工作不穩(wěn)定，甚至母線出現(xiàn)過電壓的情況。本文中按極端情況對電壓偏差進行了核算，由于電抗器參數(shù)選擇合理，校驗結(jié)果都在正常范圍之內(nèi)。

3 動力站廠用電主接線方案的確定

3.1 主接線方案確定

經(jīng)過三個方案的對比，由于方案三的諸多優(yōu)越性，最終確定采用分裂電抗器方案，該方案需將原廠用10kV Ⅰ段分為廠用Ⅰ1段和Ⅰ2段，原廠用Ⅱ段分為廠用Ⅱ1段和Ⅱ2段，為保證正常運行時，減小電壓波動，Ⅰ1段和Ⅰ2段、Ⅱ1段和Ⅱ2段負荷分配時應(yīng)進行均衡，使得運行電流盡量相同。相比限流電抗器方案，分裂電抗器母線分為四段，斷路器數(shù)量有所增加，但運行方式調(diào)整更為靈活，在不停運鍋爐和發(fā)電機的情況下，可對對應(yīng)兩段母線分別停電檢修，為動力站長周期運行創(chuàng)造良好基礎(chǔ)。

圖12 最終系統(tǒng)主接線圖

3.2 繼電保護設(shè)置

廠用電負荷為電動機和變壓器，采用常規(guī)繼電保護配置配置即可，對于≥2000kW 的異步電動機，設(shè)磁平衡差動保護；廠用Ⅰ1段、Ⅰ2段、Ⅱ1段、Ⅱ2段和高備段之間采用快切裝置，在Ⅰ1段、Ⅰ2段、Ⅱ1段、Ⅱ2段進線開關(guān)上側(cè)動作時，高備段快速投入，保證Ⅰ1段、Ⅰ2段、Ⅱ1段、Ⅱ2段各設(shè)備正常供電；分裂電抗器主保護采用差動保護，包括差動速斷、帶二次、五次諧波制動的比例制動差動保護，電抗器分列端二路CT 并聯(lián)接入差動保護的一端或按三繞組變壓器差動保護CT 接法分別接入，此外還設(shè)置三段式電流保護、零序電流保護，保護動作跳對應(yīng)廠用電1和2段進線斷路器、對應(yīng)發(fā)電機出口斷路器和對應(yīng)35kV 母線出線斷路器。

4 結(jié)語

綜上所述，采用分裂電抗器代替限流電抗器，除了保留限流電抗器原有特點外，還具備了獨特的優(yōu)點，即正常運行時阻抗較小、電壓損失較小，而在發(fā)生母線短路時阻抗增大，又能起到限流作用。分裂電抗器的特點突出，應(yīng)用理論也較為成熟，但是實際使用卻很少，在本項目中，經(jīng)過反復論證，最終在動力站廠用電接線中采用分裂電抗器按四段母線進行設(shè)計，從投用幾年來的使用情況看，完全達到了設(shè)計指標，運行效果良好，對石化企業(yè)動力站廠用電的主接線方案選擇具有一定的參考價值。