大型發(fā)電廠節(jié)約廠用電方式實踐及新技術(shù)應(yīng)用

1、.全國火電大機組（300MW級）競賽第36屆年會論文集管理與節(jié)能PAGE ;PAGE 344大型發(fā)電廠節(jié)約廠用電方式實踐及新技術(shù)應(yīng)用余智賀國剛（貴州納雍發(fā)電總廠）摘要：大型發(fā)電廠廠用電量很高，在廠用電典型設(shè)計中通常采用啟備變熱備用方式，很不經(jīng)濟。本文以納雍發(fā)電總廠為例，闡述了通過改變廠用電運行方式及對廠用電快切裝置改造來達到節(jié)約廠用電費用的目的，通過抑制啟備變空投時的勵磁涌流來保證廠用電事故切換的安全可靠。重點介紹了抑制涌流的原理，這一原理打破了對變壓器勵磁涌流形成的傳統(tǒng)認(rèn)識，并將對電力系統(tǒng)節(jié)能降耗及繼電保護新技術(shù)帶來深刻的變化。關(guān)鍵詞：廠用電；節(jié)能；新技術(shù)1 引言大型火力發(fā)電廠既是電的生產(chǎn)者

2、同時也是用電大戶，由于安全和生產(chǎn)流程的需要，發(fā)電廠用的電不完全是自己生產(chǎn)的電，特別是廠網(wǎng)分家后，下網(wǎng)電同發(fā)電廠自己生產(chǎn)的電價格差異巨大，造成生產(chǎn)成本加大。我廠2005年一年的下網(wǎng)電費高達近1350萬元人民幣，啟備變空載損耗電費近40萬元人民幣。節(jié)能降耗也是電力企業(yè)必須解決的問題，直接體現(xiàn)在對廠用電電量及電費的節(jié)約上，即如何降低綜合廠用電率上。為此，納雍發(fā)電總廠在原來典型設(shè)計基礎(chǔ)上兼顧安全性和經(jīng)濟性花費約80余萬元做相應(yīng)技術(shù)改造，將啟備變熱備用改為冷備用，配合靈活的運行方式，來達到降低廠用電費用的目的。僅啟備變空載損耗一項，2年左右就可收回改造成本。 2 節(jié)約廠用電運行方式的探討2.1 典型6k

3、V及以上廠用電系統(tǒng)評估及改造（以納雍發(fā)電總廠1,2#機組為例）： 圖1如圖1，1,2號機組各設(shè)置一臺40MVA的高壓廠用變壓器，高壓廠用變壓器低壓側(cè)為分裂繞組接帶兩段6KV廠用工作段。1,2號機組共設(shè)置一臺40MVA的高壓啟動/備用變壓器，高壓啟動/備用變壓器低壓側(cè)為分裂繞組，與6KV廠用工作段對應(yīng)，高壓啟動/備用變壓器低壓側(cè)設(shè)置四個6KV廠用工作段備用分支，兩個6KV廠用公用段備用分支6KV廠用工作段備用分支。高廠變高壓側(cè)為發(fā)電機出口20kV電壓，啟備為110kV系統(tǒng)電壓。對于110kV系統(tǒng)，一、二廠均為內(nèi)橋式接線，兩條線路開關(guān)通過橋開關(guān)110連接， 2號啟備變對應(yīng)3、4號機（圖1未畫）。由

4、于啟備變采用的是空載運行熱備用方式，高廠變與啟備變通過廠用電快切裝置在分支側(cè)實現(xiàn)切換。(1) 啟備變熱備用方式的安全性和經(jīng)濟性由圖1可知，啟備變熱備用的安全性很高，主要體現(xiàn)在機組事故時投入啟備變低壓側(cè)開關(guān)即可，實現(xiàn)起來簡單方便，對于啟備變本身來講也可避免變壓器空投時勵磁涌流對繼電保護的影響，但由于啟備變長期處于熱備用狀態(tài)，對變壓器使用壽命有很大影響，同時對啟備變的預(yù)試、保護裝置的定檢及漏油等諸多工作帶來安全影響，甚至無法開展，這對廠用電來說也是很大的安全隱患。關(guān)鍵是經(jīng)濟上，啟備變處于熱備用，用的是下網(wǎng)電價，下網(wǎng)電價較高。兩臺機組正常運行時，啟備變處于空載，如果為冷備用方式，就完全節(jié)省這筆空載損

5、耗；在一臺機檢修時，尤其是大修階段，該機組的廠用電均由啟備變帶，如果這時的廠用電是電廠自己生產(chǎn)的，電價將便宜3倍以上，節(jié)約的廠用電費用就更加可觀了。(2) 啟備變熱備用轉(zhuǎn)冷備用實現(xiàn)方法從實現(xiàn)技術(shù)上來說并不困難，改變原廠用電切換方式，利用微機快切裝置，機組事故時把合低壓側(cè)分支開關(guān)改為合啟備變高低壓側(cè)開關(guān)。關(guān)鍵問題是如何解決啟備變空投時產(chǎn)生的勵磁涌流帶來的危害，讓備用電源能安全可靠地投入。納雍發(fā)電總廠采取的技術(shù)保障措施為：A、利用勵磁涌流抑制裝置，抵消合高壓側(cè)開關(guān)時啟備變產(chǎn)生的勵磁涌流，以防啟備變差動誤動。B、利用多微機同期快切復(fù)用裝置，捕捉最佳廠用電切換時機合低壓側(cè)開關(guān)，以保證廠用電備用電源的可

6、靠投入。(3) 啟備變冷備用下的節(jié)電運行方式由上述可知，啟備變冷備用的實現(xiàn)在技術(shù)上是沒有問題的，如果配合上靈活的運行方式，節(jié)電的效果更加明顯，廠用電更加可靠。納雍發(fā)電總廠采取的方法為：A、單元集控下的兩臺機組正常運行時，啟備變高低壓側(cè)開關(guān)處于斷開位置，當(dāng)某臺機事故時啟動對應(yīng)的微機快切裝置配合涌流抑制器合啟備變高低壓側(cè)開關(guān)投入備用電源。B、單元集控下一臺機運行一臺機檢修時，如圖1，將檢修機組的廠用電通過兩臺機組6kV工作段的備用電源進線開關(guān)作為聯(lián)絡(luò)由運行機組帶，運行機組事故時啟動微機快切裝置通過涌流抑制器合啟備變高壓側(cè)開關(guān)即可，再配合該運行方式下的繼電保護定值，以保證安全切除6kV分支不同故障下

7、的故障點；這種運行方式下，400V側(cè)廠用部分由備自投裝置通過明備用方式進一步對廠用電的安全和效率進行完善。C、當(dāng)調(diào)度安排110kV某條線路檢修時，冷備用實現(xiàn)起來就要復(fù)雜化，降低了可靠性，從本廠廠用電和系統(tǒng)的安全角度出發(fā)，這種運行方式下，兩臺啟備變通過一條線路由橋開關(guān)110連接，處于熱備用狀態(tài)，這種方式畢竟極少遇到。(4) 廠用電正常切換時的補充機組在啟停機工程中需要倒換廠用電，為了保證廠用電的可靠運行，通常采用并聯(lián)半自動方式，即同期合上備用（或工作）電源開關(guān)后，手動拉開工作（或備用）開關(guān)，這樣廠用部分合環(huán)時間過長，對系統(tǒng)及廠用負(fù)荷都有影響，故益采用并聯(lián)全自動方式，和環(huán)時間控制在500mS。2.

8、2 400V公用段及輔助廠房段備自投方式評估及改造（以納電二廠為例）：二廠400V段均采用暗備用方式如圖2： 圖2正常運行時，#1變壓器帶400V I段運行、#2變壓器帶400V II段運行，聯(lián)絡(luò)開關(guān)熱備用，兩臺變壓器形成暗備用運行方式。當(dāng)某一臺變壓器故障時，由BZT裝置自動合上聯(lián)絡(luò)開關(guān)，由另一臺變壓器帶兩段400V運行。（1）暗備用方式的安全性從400V廠用電安全穩(wěn)定來說很理想，不論400V段母線I段還是II段失電，另一段均正常運行不受影響，BZT動作合上聯(lián)絡(luò)開關(guān)后失電段就可以恢復(fù)正常供電。（2）暗備用方式的經(jīng)濟性由于400V段負(fù)荷在正常運行時并不完全是滿負(fù)荷運行，兩臺變壓器帶兩段母線效率很

9、低，在兩臺機滿負(fù)荷運行情況下，對400V公用段及輔助廠房段變壓器負(fù)荷率統(tǒng)計計算為3040%Ue。對于輔廠房400V段，在一臺機組停運時，6kV公用段的其中一段就得由啟備變帶，對應(yīng)的400V段也就是由啟備變帶了，由于電價的巨大差異就很明顯地影響廠用電的經(jīng)濟性。 （3）暗備用方式下改變運行方式的經(jīng)濟性和安全性如果暗備用方式下，在一臺發(fā)電機運行，另一臺發(fā)電機檢修的狀況下，輔廠房400V段為提高經(jīng)濟性，要通過改變運行方式來完成，即：把由啟備變經(jīng)6KV公用段帶的輔廠房400V段，倒換到由廠高變經(jīng)6kV公用帶的400V段運行，在這種運行方式下，由于BZT為暗備用，BZT不再起作用。當(dāng)高廠變帶6kV公用段廠

10、用電事故失電時，400V段將全部失電，而且只能人工恢復(fù)，對廠用電安全性構(gòu)成威脅，所以在暗備用方式下不宜改變運行方式，只能犧牲變壓器效率，影響經(jīng)濟性。（4）暗備用改為明備用的最佳方法為兼顧400V運行的安全性和經(jīng)濟性，同時節(jié)約改造成本，立足于納電二廠400V備自投裝置的運行實際，采用變壓器熱備用方式，通過修改裝置邏輯的方法達到圖2的明備用方式： A、 DL3、DL5合閘，DL4分閘時DL3跳閘合DL4，DL5跳閘合DL4I、II段母線失電，跳開DL3，合上DL4。II段母線失電，跳開DL5，合上DL4。B、 DL4、DL5合閘，DL3分閘時DL4跳閘合DL3，DL5跳閘合DL3 I、II段母線失

11、電，跳開DL4，合上DL3。I段母線失電，跳開DL5，合上DL3。經(jīng)過試驗，納電二廠未花錢的情況下，開創(chuàng)了國內(nèi)的第九種備自投方式（目前國內(nèi)只有8種備自投方式），實現(xiàn)了有備自投裝置的400V側(cè)電源的安全經(jīng)濟運行方式。 3 變壓器勵磁涌流抑制原理、方法及應(yīng)用3.1 變壓器勵磁涌流抑制原理變壓器勵磁涌流不僅導(dǎo)致繼電保護誤動，由其衍生的電網(wǎng)電壓驟降、諧波污染和應(yīng)涌流、鐵磁諧振過電壓等都給電力系統(tǒng)運行帶來不可低估的負(fù)面影響。數(shù)十年來人們通過識別勵磁涌流特征的方法來減少繼電保護的誤動率，但并未獲得良好的回報，誤動率仍居高不下。至于對電壓驟降、諧波污染和應(yīng)涌流等的消除更一籌莫展。究其原因是人們認(rèn)為勵磁涌流的

12、出現(xiàn)不可抗拒，只能采用“識別”的對策，即“躲”的對策。其實，換個思路“消滅”是完全可以實現(xiàn)的，而且已經(jīng)實現(xiàn)了。變壓器勵磁涌流產(chǎn)生的成因是：當(dāng)變壓器任何一側(cè)發(fā)生電壓驟增時，基于磁鏈?zhǔn)睾愣梢鸬乃沧冞^程產(chǎn)生偏磁導(dǎo)致鐵心過度飽和，進而使變壓器勵磁電流急劇增大，其數(shù)值可達正常運行空載電流的近百倍。由于變壓器繞組電阻R的存在，因此勵磁涌流會按時間常數(shù)=L/R衰減，L為繞組的電感，大容量變壓器的衰減速度慢于小容量變壓器。勵磁涌流的出現(xiàn)增加了變壓器繼電保護裝置誤動的概率，這是因為保護裝置難以正確識別勵磁涌流和故障電流的差別。尤其是差動保護在變壓器空載投入（差動區(qū)內(nèi)無故障）、差動區(qū)外故障切除后穿越電流及過激

13、磁都可能引起誤動。盡管長期以來人們使用了諸如二次諧波制動判據(jù)、五次諧波制動判據(jù)、低電壓加速判據(jù)、波形對稱制動判據(jù)、三相差流及差流導(dǎo)數(shù)比值制動判據(jù)、間斷角原理及其他數(shù)學(xué)物理方法等等對策，至今仍無法徹底解決保護誤動問題，這是因為不論何種數(shù)學(xué)和物理方法都難以應(yīng)對多變的勵磁涌流形態(tài)。因此，重新調(diào)整思路就成為必然要面對的選擇。在最經(jīng)典的變壓器論著中都可找到關(guān)于變壓器瞬變過程的理論分析，人們早就證明不論是變壓器空載合閘到電源上，或是變壓器出線發(fā)生突然短路，所引發(fā)的勵磁涌流或短路電流與合閘或短路時的電壓初始相角有關(guān)，而且都是在電壓初始相位=/2或3/2時，勵磁電流或短路電流的暫態(tài)分量都為零，即此時變壓器的工

14、況直接進入穩(wěn)態(tài)。而當(dāng)電壓初始相位=0或=時，勵磁電流暫態(tài)分量經(jīng)過半周期后將達最大值，這就是勵磁涌流。顯然，這給人們一個明確的提示，即如果選擇空投變壓器的時刻落在=/2或3/2瞬間，將可徹底抑制勵磁涌流，對于三相變壓器，由于A、B、C三相電壓的相位各相差2/3，當(dāng)使用分相操作斷路器時，通過分相分時操作也可徹底抑制勵磁涌流，但由此會引起短暫的非全相運行。當(dāng)使用三相聯(lián)動操作斷路器時，靠捕捉電源電壓=/2或=3/2相位合閘已不可能。為了實現(xiàn)對三相勵磁涌流的完全抑制，且采用三相聯(lián)動操作斷路器，通過理論分析及大量試驗，我國研究人員獲得了完全抑制三相勵磁涌流的控制算法，按此算法構(gòu)造的勵磁涌流抑制器通過對變壓

15、器剩磁及空投角的精確控制，實現(xiàn)了在電壓驟增時變壓器平穩(wěn)進入穩(wěn)態(tài)運行。3.2 變壓器勵磁涌流抑制方法勵磁涌流是空投變壓器瞬變過程中產(chǎn)生的偏磁導(dǎo)致磁路飽和誘發(fā)的，因此，在變壓器空投時，如能使偏磁與原磁路剩磁抵消即可實現(xiàn)對涌流的抑制。前已述及，可以通過獲取切除運行變壓器電源電壓相位角的方法測算磁路剩磁的極性及數(shù)值，再在下次投入變壓器電源時選擇恰當(dāng)?shù)暮祥l相位角，使瞬變過程產(chǎn)生的偏磁去抵消原來的剩磁。這樣磁路將不進入飽和區(qū)，從而實現(xiàn)涌流被徹底根除的目的。將變壓器切除時的相位角所產(chǎn)生的剩磁Res與變壓器空投時相同相位角所產(chǎn)生的偏磁p的相關(guān)性列入表1。表1 在切除角及投入角相同時剩磁與偏磁列表切除/投入角0

16、/23/22剩磁res負(fù)最大0正最大0負(fù)最大偏磁p正最大0負(fù)最大0正最大由此得出一個具有重要意義的結(jié)論：當(dāng)變壓器合上電源的相位角與前次切除電源的相位角相同時勵磁涌流被徹底消除。此時在三相磁路中的剩磁被偏磁抵消，因而磁路不會飽和。理論和大量試驗證明這一結(jié)論對任意相位角分、合都適用，且對單相和多相變壓器也都適用。從表1中也可看出，如采取單相變壓器在=/2時切斷電源，此后在=/2時空投充電，這是一個最理想的操作，因這是在剩磁為零且偏磁也為零時完成空投操作的。應(yīng)該特別指出，變壓器斷電后磁路中的剩磁數(shù)值會受到一些因素的影響而減少，例如對鐵心加溫，使鐵心中的部份磁疇的磁效應(yīng)抵消；鐵心受到嚴(yán)重撞擊；變壓器周

17、邊有運動的導(dǎo)磁體旁路磁力線等。但安裝在電站中的電力變壓器一般不會發(fā)生前述情況。尤其應(yīng)強調(diào)的是：不論何種因素都不可能改變剩磁的極性。在消除勵磁涌流的機理中重要的是用偏磁抵消剩磁，而剩磁的數(shù)值不可能大于總磁通的幅值m。但偏磁的最大值則可等于m，只要偏磁極性與剩磁相反，就一定能抵消剩磁，磁路就不會進入飽和區(qū)，勵磁涌流當(dāng)然不會出現(xiàn)3.3 變壓器勵磁涌流抑制方法的應(yīng)用勵磁涌流抑制器由微處理器及相應(yīng)控制電路組成，系統(tǒng)原理框圖如圖3所示：圖3 勵磁涌抑制器與被控對象聯(lián)接示意圖勵磁涌流抑制器隨時對變壓器電源的三相電壓進行相位角采樣，以實現(xiàn)在規(guī)定合閘相位角合閘，斷路器的分閘時間及合閘時間均預(yù)先作為整定參數(shù)輸入抑

18、制器。由人工或保護裝置發(fā)來的分閘指令，直接對三相斷路器實行分閘操作，抑制器通過對電壓、電流及輔助接點的采樣獲取分閘瞬間的電源相位角。此后，當(dāng)人工或自動裝置發(fā)來合電源指令時，抑制器根據(jù)此前記錄的分閘相位角及整定的斷路器合閘時間，通過計算捕捉首次出現(xiàn)的相同于前次分閘相位角的相位角實現(xiàn)合閘操作，完成無涌流空投變壓器。在分、合閘時通過斷路器輔助接點的變位信號自動測量出斷路器的分閘及合閘時間，作為修改整定參數(shù)的依據(jù)?？紤]到斷路器主觸頭與輔助接點的動作存在時間差。勵磁涌流抑制器還附有專供測量輔助接點與主觸頭時間差的附件，在主觸頭脫離高壓電源時進行測量，此時間差測量值可輸入涌流抑制器修正原設(shè)置的合閘及分閘時間。3.4