大型火电厂高压启动／备用变压器设置原则及容量选择.pdf

2 0 0 7年 8月 第 3 5卷 第 4期 总第 1 9 1 期 吉 林 电 力 J i l i n El e c t r i c P o we r Aug． 2 0 07 Vo 1 ． 3 5 No ． 4 S e r ． NO ． 1 9 1 大型火 电厂高压启动／ 备用变压器设置 原则及容量选择 S e t t i n g Pr i n c i p i e s a n d Ca p a c i t y Se l e c t i o n o n Hi g h v o l t a g e St a r t i ng up s t a nd by Tr a ns f o r me r o f La r g e s c a l e Fo s s i l Po we r Pl a n t 田 浩 ， 尹 兰 1 ．东北 电力设计 院 ， 吉林 长春 1 3 0 0 2 1 ； 2 ．大庆 油 田热 电厂 ， 黑龙 江 大庆 1 6 3 0 0 0 摘要 根据最近几年统计的电力变压器的可靠性逐年 提高以及厂 网分 开后 ， 大型火 电厂设置高压启 动／ 备用变压 器每年需交纳 的高额基本 电费 的现状 ， 针对大型火 电厂 高压 启动／ 备用 变压器设置原则及 容量选择进行 了探讨 ， 提 出大型火 电厂可不设 置高压备用变压器 ， 只设启动／ 停机变压器完全 可行 ， 同时也会带来 巨大 的经济效 益。 关键词 高压启动／ 备用变压器 ； 大型火 力发电厂 ； 基本 电费 ； 经济效益 中图分类号 TM6 4 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 9 5 3 0 6 2 0 0 7 0 4 0 0 0 8 0 4 根据国内现行设计规程， 大型火力发电厂一般 都设置高压厂用启动／ 备用变压器 以下简称启备 变 。 随着变压器可靠性的逐年提高 ， 也应有所改变。 同时， 每台启备变的基本电费都超过 0 ． 1亿元／ 年， 如何降低初投资和基本电费， 对于提高电厂的经济 性至 关重 要 。 1 研究 的前提条件 国内大型火力发电厂根据高压厂用电接线 的不 同， 启备变设置的数量及其容量也各不相同。 为了使 本 文简洁且能说明问题， 以下将针对 2 6 0 0 Mw 湿冷燃煤机组进行分析， 其主要接线方案如下 a ． 每台机组设置 1台 6 3 ／ 3 1 ． 5 - 3 1 ． 5型高压厂 用 变压器 以下简称高厂变 和 1台 2 O MVA脱硫 变 压器 以下简称脱硫变 ； 2台机组设置 1台 6 3 ／ 3 1 ． 5 3 1 ． 5型启备 变 ； b ． 2台脱 硫变互 为备 用 ； C ． 公用负荷由 2台机组的高厂变供 电。 2 高压启／ 备变 的作用及其设置原则 2 ． 1 现行规程的规定 D L／ T5 1 5 3 -- 2 0 0 2 { 火 力 发 电 厂 厂 用 电 技 术 规 定 以下 简称 厂规 4 ． 5 ． 2条 规 定 “ 全 厂应 设 置 可 靠的高压厂用备用或启动／ 备用 电源。 2 0 0 Mw 及以 上机组的高压厂用启动／ 备用变压器 ， 主要作为机组 启动或停机的电源， 兼作厂用备用 电源” 。4 ． 5 ． 3 条 规定“ 高压厂用备用 启动／ 备用 变压器的设置条件 如下 容量为 6 0 0 Mw 的机组 ， 当发 电机 出 口不装 设断路器或负荷开关时 ， 每两台机组应设 1台或 2 台高压厂用启动／ 备用变压器； 当发电机出口装设断 路器或负荷开关时 ， 4台及 以下机组 可设置 1台高 压厂用启动／ 备用变压器 ， 其容量可为 1台高压厂用 工作 变压 器 的 6 O ～1 0 0 。 ” D L5 0 0 0 -- 2 0 0 0 { 火 力发 电厂 设计 技 术规 程 以 下简称大火规 1 3 ． 3 ． 9条规定 “ 接有 I 类负荷 的高 压和低压厂用母线应设置备用 电源。 ” 根据上述规定 ， 火力发电厂都应该设置启备变 ， 作为机组启动、 停机和厂用备用 电源。 2 ． 2 高压启备变的作用 2 ． 2 ． 1 作为机组启动或停机的电源 当发电机出 口不装设断路器或负荷开关时， 机 组启动或停机的电源都要由启备变提供 。当发电机 出口装设断路器或负荷开关时 ， 机组启动和停机电 源可由主变一高厂变提供 ， 如果是主变一高厂变 回 路故障引起的停机 ， 则停机电源要由启备变提供 。 收 稿 日期 2 0 0 7 0 3 2 9 作者简 介 田 浩 1 9 7 1 一 ， 男， 高级 工程 师 ， 主要从 事火力发 电厂电气设 计工作。 8 维普资讯 2 0 0 7年 8月 第 3 5卷 第 4期 总第 1 9 1 期 吉 林 电 力 J i l i n El e c t r i c Po we r Au g．2 0 0 7 Vo 1 ． 3 5 No ． 4 S e r ． No ． 1 9 1 2 ． 2 ． 2 作 为机 组 厂用备 用 电源 启备变作为机组厂用备用电源 ， 是在失去厂用 电源时投人。厂用电源的失去主要是 由高厂变或封 闭母线故障引起 的， 由于大机组高厂变 电源是通过 离相封闭母线从 主变低压侧 引接 的， 该 回路不装设 断路器 ， 因此一旦故障 ， 势必导致停机 ， 这时投入备 用电源也只是作 为停机 电源使用 ， 并不能真正起 到 备用的作用 。 只有在高厂变发生比较大的故障 ， 短时 间的维修不能使其恢复工作 时 如需返厂维修 ， 启 备变才真正作为备用 电源投入 ， 保证机组继续运行。 但这时如果另一 台机组故障停机 ， 将失去停机电源。 即使发电机 出口装设断路器， 在高厂变、 封 闭母线、 主变及其高压侧断路器 故障时 ， 也会使其失 去停机 电源。虽然这种双重故 障在理论上出现的概率比较 小 ， 但如果高厂变维修时间很长 ， 考虑这种情况还是 有必 要 的 。 2 ． 3 高厂变可靠性分析 根据国家 电监会 、 中电联 电力可靠性管理 中心 2 0 0 6电力可靠性指标发布 电力可靠性趋势分 析报告 ， 近两年2 2 0 k V及 以上 电压等级变压器 的 主要可靠性指标详见表 1 ， 2 0 0 5年 2 2 0 k V变压器按 制造厂家分类 仅列出统计台数较多的前 3家 的运 行可靠性指标见表 2 。 表 1 2 2 0 k V及以上电压等级变压器主要可靠性指标 对照 注 强迫停运 率单位为 次／ 百台 年 ； 非停 、 计停 时间单 位 为 h ／ 台 年 。 表 2 2 2 0 k V变压器按制造厂 家分 类运行可靠性指标 由于 国 内 6 0 0 MW 及 以上 机 组 投 运 的数 量 还 不多， 因此， 本文参照上述数据作为高厂变的运行可 靠性指标加以分析 。 从以上数据中可以看出， 只要选 用 国内大厂的合格产品 ， 高厂变的非计划停运时间 应 该 在 1 h ／ 台 年 以 下 甚 至 更 低 。 这 样 2 x 6 0 0 Mw机组在 3 O年使用寿命期间 内， 由高厂 变故障造成的非计划停运时间低于 6 0 h 。当然这只 是在国内多台变压器统计数据平均值的基础上得出 的结果 ， 对于具体的工程， 该值 可能大于 6 0 h甚 至 超出很多， 但作为普遍性分析 ， 该值作为下文的计算 依据是合理的。 对于变压器的检修 时间， 经 向变压器制造厂专 门咨询 ， 变压器故障后返厂检修的情况极少 ， 绝大多 数是就地检修 。 2 ． 4 高压启备变设置原则分析 “ 大火规 ” 规定 ， 火 电厂 高压厂用 母线应设置备 用 电源 ， 并且是通过启备变取得 。但通过以上 的分 析 ， 尤其是在需要交纳基本电费的情况下， 火 电厂高 压 厂 用母 线 是 否 必须 设 置 备用 电源 ， 或 者说 启 备 变 是否要作为备用变压器运行 ， 是很值得研究的。 2 ． 4 ． 1 技术分析 启备变是在高厂变故 障时投入的， 如果高厂变 就地检修， 机组是处于停机状态 ， 这时所投入的电源 是停机检修电源 。如果 高厂变需要返厂或运至检修 场检修且检修 时间很长时， 备用 电源投入可保证机 组运行 ， 避免长时间停机所造成的损失， 但这种运行 方式会使另一台机组失去停机电源 ， 同时高厂变长 时间检修的情况是很少出现的。 从另一个角度看， 不设置高压厂用备用电源 ， 只 设启动／ 停机电源 ， 是不会危及人身和设备安全的， 只会延长非计划停机时间。 需要说明的是， 如果全厂 公用负荷都 由一台机组的高厂变供电， 应该设置备 用电源 ， 以免影响其他机组的正常运行 。 另外 ， 可能造成机组非计划停机的因素很多， 比 如主变高压侧 断路器， 其运行可靠性 指标与高厂变 相差不大， 故障同样会造成停机 ， 但相关的规程也没 有要求设置备用设备。 从这个意义上讲 ， 火电厂高压 厂用母 线不 设 置备用 电源也应 该 是完全 可行 的 。 2 ． 4 ． 2 经济 比较 启备变作为备用变压器使用 ， 其容量一般与高 厂变容量相同， 即 6 3 MVA； 若 只作为启动／ 停机变 压器 ， 其容量一般按高厂变容量 的 6 O ％来选择 ， 即 3 7 ． 8 MVA， 按照变压器容量的标准值取 4 O MVA。 与启备变的设置相关的费用主要包括初投 资、 基本电费、 启动和停机期间电度电费、 变压器空载和 负载损耗的电度 电费 ， 其中最主要的是基本电费， 其 他各项在总费用 中所 占比重很小， 因此本文在进行 9 ‘ 维普资讯 2 0 0 7年 8月 第 3 5卷 第 4期 总第 1 9 1 期 Aug． 2 0 07 Vo 1 ． 3 5 No ． 4 S e r ． No ． 1 9 1 经济 比较时 只 计基 本 电费 。 据初步调查 ， 目前收取基本电费的标准不尽相 同 ， 大致 为 1 0 ～2 0 元 ／ k VA 月 ， 本 文暂 按 1 5元／ k VA 月 来计算。从上述分析可以看 出， 高厂变 故障造成的非计划停运时间在 3 0年运行 寿命 内低 于 6 0 h。即使备用 电源及时投入保证机组 正常运 行 ， 所 多 出的 运 行 时 间也 不 会 超 过 6 0 h ， 再 扣 除 故 障处理的时间， 应不超 过 5 0 h ， 本文暂按 5 0 h来计 算。电厂的利润率一般为 8 左右 ， 由于各厂上 网电 价不同， 折算到单位电量的电价也不 同， 本文暂按 0 ． 0 3 元 ／ k W h 计 算 。 如 启 备 变 作 为 厂 用 备 用 电 源 ， 其 容 量 为 6 3 MVA， 3 0年所需交纳的基本电费约 3 ． 4亿元 ； 如 只作为启动／ 停机 电源 ， 其容量为 4 0 MVA， 其 3 0年 所需交纳的基本电费约 2 ． 1 6亿元 ， 相差 1 ． 2 4亿元。 而启备变作为厂用备用电源投入 ， 来保证机组 正常运 行 ， 所 产生 的经济 效 益 为 1 8 0万 元 ， 即为 0 ． 0 1 8 亿 元 。 从以上的经济 比较可以看 出， 不设置高压备用 变压器， 只设启动／ 停机变压器 ， 所带来的经济效益 十分 明显 。 2 ． 5 高压启动／ 停机变压器容量选择 2 ． 5 ． 1 负荷分析 机组的启动和停机负荷应按照制造厂提供 的锅 炉最低稳定运行 出力进行计算或通过实测 。对于启 动负荷 ， 目前尚无准确的实测数据。 据西北 电力设计 院主编的 发电厂变电所 电气接线和布置 介绍 ， 对 于 2 0 0 Mw 机 组， 参考国外 机组 的运行统计资料 ， 启动负荷值相 当于正常运行负荷 的 4 0 ～6 0 ， 本 文暂按 5 0 进行计算。 对于停机负荷 ， 可分为计划停机和非计划停机 ， 目前也无准确 的实测停机负荷数据。机组计划停机 是指机组计划 内抢修 。一般 6 0 0 Mw 机组 ， 每年 1 次小修 ， 平均时间 1 5天 ； 每 5年 1次大修 ， 平均时间 7 5天。小修期间负荷率可按 2 0 考虑 ， 大修期间负 荷率 ， 6 0天可按 5 考虑， 1 5天按 2 0 考虑 。 机组非 计划停机 ， 停机不停炉时负荷率最高。 对于6 0 0 Mw 机 组 ， 锅 炉 最 低 稳 定 运 行 出 力 一 般 为 额 定 出力 的 3 0 ～3 5 ， 一些公用负荷会继续运行 ， 如暖通 、 照 明负荷 ， 但综合负荷 率应该 不超过 3 5 ， 本 文暂按 3 5 进 行计 算 。 启 、 停机期间的负荷率需要进行专 门的调查研 究 ， 本文曲于篇幅所 限， 不再深入探讨 ， 仅按上述数 值进 行计 算 。 1 O 2 ． 5 ． 2 容 量选 择 2 ． 5 ． 2 ． 1 发 电机 出 口不 装设 断路器 方 案 对于发 电机出 口不装设断路器的机组 ， 其启动 和停机 电源都需要由启动／ 停机变压器提供。 最严重 的情况是一 台机组启动期间， 另一台机组事故停机 ， 这时的总负荷率为 1台机组正常运行负荷的 8 5 ， 但启动／ 停机变压器 的容量是否按照 1台机组正常 运行负荷 的 8 5 来选择 ， 有必要作进一步讨论 。 在 GB ／ T1 5 1 6 4 1 9 9 4 油 浸式 电力变 压 器 负载 导则 中， 对变压器 的长期急救周期性负荷定义如 下 “ 这种负载是由于系统中部分变压器长时间退出 运行而引起的， 运行的变压器在其温升稳定之前 ， 退 出的变压器仍不能重新投入运行。这种不正常的运 行可能会持续几周或几个月， 从 而会导致运行 的变 压器严重老化 ， 但绝缘不应击穿 因热劣化或绝缘强 度下降的原 因 。 ” 超过铭牌额定值 的长期急救周期 性负载电流 标么值 对大型变压器 为 1 ． 3 ， 对 中型 变压器为 1 ． 5 ， 对配电变压器为 1 ． 8 ， 对于启动／ 停机 变压器 可取 1 ． 5 。 如果机组按照 1年 1次小修 ， 小修 时间平均 1 5 天； 5年 1 次大修 ， 大修时间平均 7 5天来计算 ， 则每 台机组 每年 的计 划停 机 时间为 2 7天 。 根据 2 0 0 6电 力可靠性指标发布 电力可靠性趋势分析报告 统 计 常规 火 电机 组 9 3 4台 非计 划 停运 时间 ， 台年 平 均分 别为 7 7 ． 3 7 h ， 约 4天 。即每 台机组 每 年 的总 停机时间为 3 1 天 ， 2台机组为 6 2天。这说明对于高 压启动／ 停机变压器而言， 其寿命期 8 3 的时间处 于空载运行 ， 利用率非常低 。 为此 ， 在具体工程中， 可 充分利用其 长期急救周期性负荷 的作用 ， 降低变压 器容量 ， 提高其利用率 。 出于上述 考虑 ， 启 动／ 停 机变 压器 的容 量应 按照 1台机 组 正 常 运 行 负 荷 的 8 5 与 1 ． 5比值 ， 即 5 6 ． 7 来选择 。 对于具体工程 ， 应通过负荷计算来确 定 ， 在工程的前期阶段 ， 可按照 1台机组正常运行负 荷 的 5 5 ～ 6 0 来 选 择 。 2 ． 5 ． 2 ． 1 发 电机 出 口装 设断 路器 方案 对于发 电机出 口装设断路器 的机组 ， 其正常启 动和停机电源都需要由主变一 高厂变回路提供， 只有 在主变一 高厂变回路故障引起的事故停机 ， 停机 电源 才需要由启动／ 停机变压器提供 。即启动／ 停机变压 器实际上只作 为停机变压器使用 ， 其容量 可按照 1 台机组正常运行负荷的 3 5 来选择 。 如考虑利用变 压器 长期急救周期性负荷的作用 ， 其 容量可按照 1 台机组正常运行负荷的 2 3 ． 3 来选择。 维普资讯 2 0 0 7年 8月 第 3 5卷 第 4期 总第 1 9 1期 A u g． 2 0 07 Vo 1 ． 3 5 No ． 4 S e r ． No ． 1 9 1 3 不设 置高压启备变 的可行性 根据 以上的分析 ， 不设置高压备用变压器在技 术上不会危及人身和设备安全 ， 在经济上也有 明显 的优势 ， 因此该 方案是 可行 的 。 对于发电机 出口装设断路器的机组 ， 只需要设 置停机变压器， 停机负荷约为 2台机组正常运行负 荷 的 3 5 ％。 对 于 2台机 组 而言 ， 存 在 这样 一种 方案 ， 即一 台机组的停机负荷 由另一台机组的高厂变供 电， 不设置停机变压器 。 以下主要就该方案的可行性 进行 分析 。 3 ． 1 技 术分 析 将一 台机组的停机负荷由另一台机组的高厂变 供电， 会破坏厂用电系统的单元性 ， 这是其最主要的 危害。但应该看 到， 这种情况只有在一台机组主变一 高厂变回路检修或故障时才 出现 ， 运行的时间也 比 较短。 这时如果该机组高压厂用电系统故障 ， 只要保 护正确动作 ， 也不会对另一 台机组的运行造成影响。 即使保护拒动或设备故 障， 也只会影响到另一台机 组的一段高压厂用母线 ， 不会造成停机。 出现这种情 况的几率是很低的， 其所造成的后果也是可接受的。 将一台机组的停机负荷 由另一台机组的高厂变 供电， 势必要加大机组高厂变的容量 ， 引起高压厂用 电系统短路 电流的增大 ， 这对于设备的长期安全运 行是没有好处的， 但 这个问题可以通过选择合适参 数的设备来解决， 比如加大断路器开断电流、 加大电 缆截面等措施 。高压厂用电系统 中最重要的设备是 断路器 ， 对于国内的生产水平而言 ， 只要短路电流不 超过 5 0 k A 是 没有 问题 的 。对 于 2 6 0 0 MW 湿冷 燃煤机组 ， 公用负荷由 2台机组厂用电系统供电， 单 台机组的厂用计算负荷约为 4 5 ～6 O MVA 不含脱 硫 ， 停机负荷约为 1 5 ～2 1 MVA， 如将一台机组的 停机负荷 由另一台机组的高厂变供 电， 高厂变容量 将加大至 4 O MVA， 为 了将短路 电流限制在 5 0 k A 以内， 势必要加大变压器阻抗 ， 但由于高厂变带有载 调压开关 ， 电压调整计算是可以满足要求的， 不存在 技术问题。 3 ． 2 经济 比较 不设置停机变压器 停机变容量暂按 3 O MVA 计 ， 则在机组 3 O年使用寿命 内所节省的基本电费 为 1 ． 6 2亿元 ， 加上取消停机变及其高压侧设备的投 资 ， 共降低初投资及运行费约 1 ． 7 亿元 。 而该方案厂 用电系统所增加的投资 按高压厂用 电系统短路 电 流 由 4 0 k A 增加到 5 0 k A计 不超过 0 ． 3亿元 ， 经 济效益十分明显。 4 结论及建议 a ． 大型火 电厂不设置高压备用变压器 ， 只设启 动／ 停机变压器是完全可行的 ， 同时也会带来巨大的 经 济效 益 。 b ． 对 于发 电机 出 口不装 设 断路器 的机组 ， 启 动／ 停机变压器的容量可按照一台机组正常运行负 荷的 5 5 ～6 O 来选择； 对于发电机出 口装设断路 器的机组 ， 停机变压器的容量可按照一台机组正常 运行负荷的 2 3 ％～3 5 ％来选择 。 c ． 对 于发电机出 口装设断路器 的机组， 不设置 停机变压器 ， 一台机组 的停机负荷 由另一台机组的 高厂变供电是可行的， 也是经济的。 、 商 帝、 哮 商、 q 、 崞 席 席 哮 虑 、 上接 第 7页 统暂态电压稳定性有不同的影响 ， 这与节 2中得到 的结论是一致的。 本文研究 表明， 电动机负荷特性和 比例对系统 暂态稳定有着明显影响。为了更有效地研究电力系 统的暂态稳定性 ， 预防系统失稳 ， 需要认真分析和科 学评估实际系统中电动机负荷的真实 比例。 参 考 文 献 [ 1 ] 余贻鑫 ， 王成 山． 电力 系统稳 定性 的理论 与方法 [ M] ． 北京 科 学出版社 ， 1 9 9 9 ． 、 、 8 ，自 编辑李健平 C．W．Ta y l o r ． P o we r s y s t e m v o l t a g e s t a b i l i t y[ M ] ． Ne w Yo r k M c ．Gr a w Hi l l 。 1 9 9 3 ． I EEE CI GRE j o i n t t a s k f o r c e o n s t a b i l i t y t e r ms a n d d e f i n i t i o n s ． De f i n i t i o n a n d c l a s s i f i c a t i o n o f p o we r s y s t e m s t a b i l i t y[ J ] ．I EEE Tr a n s a c t i o n s o n P o wa r S y s t e ms， 2 0 0 4， 1 9 2 1 3 8 7 1 4 0 1 ． 西安交 通大学．电力系统计算 [ M] ． 北京 水利 电力出 版社 ，1 9 7 8 ． 段献 忠 ， 何仰 赞． 仿 真计 算 中暂态 电压稳 定性 的判 断 [ J ] ． 华 中理工大学学报 ，1 9 9 5 ， 2 3 4 2 5 2 8 ． 编辑李健平 1 1 ] ] ] ] 维普资讯