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大型火力发电机组交流保安电源接线的研究论文摘要：柴油发电机作为火力发电机组的应急保安电源，对发电机组在事故情况下的安全停机起着至关重要的作用。本文以内蒙古白银华电厂2x600MW空冷机组保安负荷为平台，运用ETAP软件对目前普遍采用的四种保安电源接线方案从可靠性、潮流、短路电流及经济性四个方面进行比较，提出技术经济合理的交流事故保安电源，即柴油发电机组接线方案。由于600MW机组，1000MW级机组的交流保安负荷的种类、性质、运行特性差别不大，只是交流保安负荷的功率（或容量）有较大的增加，运行时间也有所加长，因此，本文提出的保安电源接线形式同样适用于1000MW级发电机组。关键词：600MW机组 ；交流保安电源接线；可靠性；潮流；短路电流；经济性；ETAPResearch on Security Source Wiring of Thermal Power Plant Units Abstract: Diesel-generator is the emergency security source of thermal power plant unit, it plays important role to ensure cutting power safely in the accident for power plant units. The security load of 2*600MW air-cooling units in BaiYinhua power plant Inner-Mongolia of China are using in this article, the ETAP software is used to analyzed the current common four security source wiring, the reliability, power flow, short-circuit current and economic index of four wiring are compared, a reasonable technical and economic AC security incident power, diesel-generators wiring project, is put forward. Science, there is little difference at AC security load type, characters and operating characteristic between 600MW and 1000MW units, which have larger load power（or capacity）, and the longer running time, so the security source wiring in this article is the same with 1000MW units.Key words: 600MW Units; security source connection; reliability; power flow; short-circuit current; economy; ETAP0 前言随着发电机组容量的不断增大，发电机组在事故发生情况下能否安全停机就成为一个至关重要的问题。柴油发电机组由于具有其自身的独立及快速性，而被广泛使用为应急保安电源。交流保安电源的选择、设置及接线形式决定着整个保安电源系统的可靠性。一些学者关于保安电源方面也做了很多的探讨，但这些文章主要针对如何接线设置等方面给予了文字的论述，并未给出相应的数据1-5。本文内以内蒙古白音华电厂2x600MW空冷机组保安负荷为平台，将目前使用比较普遍的四种保安电源的接线方案所有用电设备的仿真模型在ETAP仿真软件中绘制出来，以IEC909等电力规程为基础进行设备参数赋值进而进行离线仿真。本文以大量、全面的实际数据从接线系统的可靠性、潮流、短路电流及经济性四个方面进行比较，分析了系统的运行情况，全面的比较了各个方案的优劣，供今后读者参考。1 柴油发电机组的功率的计算表1 保安电源负荷Table 1 loads of security source序号负荷名称额定容量（kW）换算系数安装台数工作台数备用台数总容量（kW）1DCS电源300.811242DEH电源50.81143锅炉仪表电源柜100.81184汽机仪表电源柜100.81185锅炉热控380V电源柜800.811646汽机热控380V电源柜1200.811967空预器主电机变频控制柜440.81135.28空预器辅助电机变频控制柜440.81135.29火检冷却风机就地控制箱200.8111610空冷岛DCS总电源80.8116.411汽轮机交流润滑油泵电动机400.8113212汽轮机顶轴油泵电动机300.82112413氢密封备用油泵220.81117.614抗燃油泵电动机450.82113615盘车装置450.8113616发电机空侧密封油泵电动机220.81117.617发电机氢侧密封油泵电动机5.50.8114.418220V直流充电机910.821172.819110V直流充电机420.842267.220事故照明切换屏50.811421500KV继电器室UPS电源200.82111622500KV继电器室保护屏电源50.8211423UPS电源1200.82119624磨煤机润滑油站360.8761172.825一次风机油站4.20.8226.7226一次风机电机油站4.20.8226.7227送风机油站6.40.82210.2428吸风机冷却风机电动机7.50.84221229吸风机电动执行器30.8224.830空预器主驱动电机370.82259.231#1机组脱硫保安电源880.81170.432汽机房事故照明箱A50.811433汽机房事故照明箱B50.811434汽机房事故照明箱C80.8116.435集中控制楼事故照明箱A50.811436集中控制楼事故照明箱B50.811437锅炉房事故照明箱A40.8113.238锅炉房事故照明箱B40.8113.239锅炉房事故照明箱C50.811440锅炉房事故照明箱D30.8112.441锅炉本体事故照明箱A140.81111.242锅炉本体事故照明箱B140.81111.243烟囱事故照明A50.811444500KV配电装置及网控楼事故照明箱20.8111.645输煤综合楼事故保安照明箱50.811446空冷岛事故照明60.8229.647化学水处理室事故照明箱50.811448#1机组引风机室事故照明箱30.812.449锅炉房电梯220.81117.650空冷岛电梯11.10.8118.88S(kVA)1176.961.1计算负荷式中：Sc 计算负荷； P 可能同时运行的保安负荷（包括旋转和静止的负荷）的额定功率之和（kW）；K 换算系数，取0.8；Pc 计算负荷的有功功率（kW）；COSc 计算负荷的功率因数，可取0.86。根据计算柴油机选择容量为1400kw.2. 方案论述2.1 方案一每台机组设置一套柴油发电机组、1台保安低压变和一段保安动力中心，提供机组安全停机所必须的交流电源。保安动力中心连接柴油发电机组和保安低压变压器，正常运行时，保安动力中心由接到厂用高压公用段的保安低压变压器供电。每台机组分别设置机、炉保安电动机控制中心各一段，机、炉保安负荷分别各自接到相应的电动机控制中心上。机、炉保安电动机控制中心设2路进线，一路来自保安动力中心，另一路来自机组厂用机、炉动力中心。保安电动机控制中心正常运行时由相应的机、炉动力中心供电，保安动力中心作为明备用电源，当其正常电源失电后，且保安低压变退出运行时，经延时确认后起动柴油发电机组，当转速和电压达到额定值时，柴油发电机出口开关自动合闸，保安动力中心由柴油发电机组供电，并连锁自投失去正常电源的保安电动机控制中心的保安进线开关，向其供电，其接线形式如图1所示。图1：保安电源接线方案12.2 方案二每台机组设置一套柴油发电机组、1台保安低压变和一段保安动力中心，提供机组安全停机所必须的交流电源。保安动力中心连接柴油发电机组和保安低压变，正常时，保安动力中心由保安低压变供电。每台机组分别设置机、炉保安电动机控制中心各一段，机、炉保安负荷分别各自接到相应的电动机控制中心上。设一台接自厂用高压备用段的明备用变压器和保安低压备用段，作为机、炉保安电动机控制中心的明备用。机、炉保安电动机控制中心设2回进线，一回来自保安动力中心，另一回来自低压备用段。保安电动机控制中心正常时由保安动力中心供电，保安低压备用段作为明备用电源，当其正常电源和保安低压备用电源均失电后，经延时确认后动起动柴油发电机组，当转速和电压达到额定值时，柴油发电机出口开关自动合闸，保安动力中心由柴油发电机组供电，并连锁自投失去正常电源的保安电动机控制中心的保安进线开关，向其供电。接线形式如图2所示。图2：保安电源接线方案22.3 方案三每台机组设置一套柴油发电机组和一段保安动力中心，提供机组安全停机所必须的交流电源。每台机组分别设置机、炉保安电动机控制中心各一段，机、炉保安负荷分别各自接到相应的电动机控制中心上。机、炉保安电动机控制中心设2路进线，一路来自保安动力中心，另一路来自机组厂用机、炉动力中心。保安电动机控制中心正常时由相应的机、炉动力中心供电，保安动力中心作为备用电源，当其正常电源失电后，经延时确认后起动柴油发电机组，当转速和电压达到额定值时，柴油发电机出口开关自动合闸，保安动力中心由柴油发电机组供电，并连锁自投失去正常电源的保安电动机控制中心的保安进线开关，向其供电。接线形式如图3所示。图3：保安电源接线方案3 2.4 方案四每台机组设置一套柴油发电机组和一段柴油机动力中心，提供机组安全停机所必须的交流电源，正常时柴油机动力中心不带电。每台机组分别设置两段保安PC和保安MCC。两段保安动力中心经专用保安变压器分别与两段不同的相应高压厂用段相接。保安PC正常时由保安变压器供电，当其电源失电后，经延时确认后起动柴油发电机组，当转速和电压达到额定值时，柴油发电机出口开关自动合闸，保安动力中心由柴油发电机组供电，并连锁自投失去正常电源的保安电动机控制中心的保安进线开关，向其供电。接线形式如图4所示。图4：保安电源接线方案43 各种设备参数的选定、计算及在ETAP中的输入3.1 ETAP简介ETAP是一个在电力系统设计和测试方面功能的综合分析工具,本文运用其中IEC标准的离线仿真模块，通过实时运行数据，实现高级监测、实时仿真、优化、能量管理系统和高速智能甩负荷等功能，并利用ETAP 对三种接线方案进行可靠性、潮流、短路电流进行分析计算。3.2 各参数的选择3.2.1 双绕组变压器双绕组变压器的各参数如表2所示：表2 双绕组变压器的各参数Table 2 Parameters of two-winding transformers额定容量（KVA）高压侧电压（KV）低压侧电压（KV）短路阻抗（%）阻抗比X/R12506.30.467.110.50.416006.30.487.110.50.420006.30.4107.110.50.43.2.2 电动机参数的选择感应电机在作电动运行时，有结构简单、操作方便、运行可靠，性能价格比好等优点，因此得到了普遍的应用，在厂用电系统中，故所有的电动机都用感应电机，即异步电动机。在正序、负序网络中，异步电动机的阻抗为： 式中为电动机额定电压为电动机额定电流为电动机额定容量为电动机堵转电流与额定电流之比在低压段（0.4KV、0.38KV）设置=5。3.2.3 低压断路器的选择根据技术协议和实际低压厂用电情况，三相对称短路电流初始值要大于50KA，峰值电流大于等于143KA，故选择参数为ABB公司的S7H(额定电流为1250A，额定电压为0.415KV，峰值电流为143KA，开断电流为65KA，最小延迟时间为0.007S)。 4 数学模型4.1 利用ETAP对四个方案进行计算公式使用ETAP可靠性分析程序可估计以上所有的指标。该程序是模拟不同电力系统设备以及它们对配电系统可靠性作用(如通过开关设备的操作进行故障点隔离和负荷恢复)的工具。该程序很适合一般配置的大规模系统的可靠性分析。通过该程序可估计配电系统可靠性，并估算不同加强方案的益处，从而保证有限的资源获得最高的系统可靠性。通常用来衡量配电系统可靠性的指标定义如下：(1) 负荷点平均故障率 ()其中 是设备的平均故障率；是导致负荷点中断的设备总数。(2) 负荷点年平均停电时间 ()其中是因为设备的故障使负荷点故障时间。(3) 负荷点平均停电期 ()(4) 系统平均中断频率指标 (/年客户)其中 是负荷点上的用户数量；意味着所有负荷点相加。(5) 系统平均中断持续时间, (/年客户)(6) 用户平均中断持续时间指标, (/客户中断)其中表3为电气设备可靠性参数，我们选择ETAP数据库中的典型值，系统可靠性指标见表4；系统可靠性指标见图4，系统平均中断时间与用户平均中断持续时间见图5。表3 电气设备可靠性参数Table 4 Security parameter of electric equipment类别设备 等级年主动故障率年被动故障率平均修复时间切换时间替换时间柴油机All KV0.63800.3047190.00200.00400.00低压变压器0-15KV0.00360.304767.00120.0039.90母线0.00-33KV0.00100.00002.001.001.00电缆10.601-15KV0.01500.152450.008.0019.80电缆20.601-15KV0.00280.152449.408.00119.00高压断路器>0.6KV0.01760.152444.5096.0012.00低压短路器0-0.6KV 0-600A0.00230.304775.6072.001.20隔离开关Enclosed0.00610.152450.1020.0013.70方案一方案二方案三方案四平均故障率年平均停电时间平均停电期平均故障率年平均停电时间平均停电期平均故障率年平均停电时间平均停电期平均故障率年平均停电时间平均停电期保安动力中心1.169460.2370.42580.946152.68144.4321汽机保MCC1.5865121.44192.66531.896568.16129.26061.977463.65125.8618锅炉保MCC1.5939121.04192.92311.898868.17129.43451.709266.39113.4813锅炉PCA1.088760.8566.24711.088760.8566.24171.088760.8566.24711.106360.5967.0303锅炉PCB1.091460.4966.01651.086360.7866.03031.07161.0865.4211.086360.7866.0303汽机PCA1.279358.3974.70471.274158.6474.71461.274158.6474.71461.291758.4575.5008汽机PCB1.376957.7379.48791.371757.9679.50081.336458.2977.89151.371757.9679.5008低压备用段1.255464.7581.2902保安PCA1.192460.1171.6476保安PCB1.192460.1171.6476表4 系统可靠性指标Table 4 Target of system security图4 图542 潮流计算潮流是指电力网络中功率的流动，母线电压水平是潮流一个直接的体现，所以母线电压的波动范围是评价潮流优劣的标准。ETAP软件提供了一个新型强大的关于牛顿-拉夫逊（Newton-Raphson）3相功率潮流计算的方法，本文的四种方案选用ETAP中的NR方法，迭代次数为最大值99次，母线电压大小精度的典型值设置为0.0001，标幺值。潮流计算结果见表5所示。 表6系统潮流结果Table 5 System power flow方案一方案二方案三方案四电压允许范围（%） 正常工作保安动力中心98.9995%-105%汽机保安MCC96.495.0495.7196.3595%-105%锅炉保安MCC96.4895.4797.7496.3595%-105%锅炉PC A段100.395.3695%-105%锅炉PC B段99.8395.7595%-105%汽机PC A段100.41100.2895%-105%汽机PC B段99.2899.6995%-105%保安PC A段99.1995%-105%保安PC B段99.3995%-105%保安MCC95.0595%-105%备用段工作保安动力中心99.2895%-105%汽机保安MCC95.2995.0095%-105%锅炉保安MCC95.9295.4595%-105%机组低压备用段98.9895%-105%柴油机工作保安动力中心105.26105.26104.2695%-105%汽机保安MCC101.85101.85101.8595%-105%锅炉保安MCC101.2101.2101.295%-105%保安PC A段103.3895%-105%保安PC B段99.6895%-105%保安动力中心105.2695%-105%43 短路电流的计算短路电流的大小决定开关设备的选择，各种不同的方案所能达到的水平不同，电动机的反馈电流占很大比重。在计算时电动机的堵转电流取5倍（参见IEC-909（1988）版例3），各方案的母线短路电流（三相对称短路）如表6所示表6 母线短路电流Table 6 Generatrix short-circuit current 方 案母 线方 案 一方 案 二方 案 三方 案 四初始值（KA)峰值(KA)稳态值(KA)初始值（KA)峰值(KA)稳态值(KA)初始值（KA)峰值(KA)稳态值(KA)初始值（KA)峰值(KA)稳态值(KA)正常工作保安动力中心33.06775.2216.78812.45719.7885.678汽机保安MCC 19.52632.597.59118.67631.5497.94519.40532.4217.578锅炉保安MCC 21.68736.447.85320.41434.9338.20422.62639.6537.956锅炉PC A段34.36278.77916.47139.96889.92717.182锅炉PC B段38.50986.49617.73937.02984.66218.519汽机PC A段33.48476.7115.82533.73577.16815.624汽机PC B36.45182.45117.03435.98981.21216.903保安PC A36.37782.5623.068保安PC B30.56272.08223.202保安MCC20.40335.02310.146备用工作保安动力中心34.13377.7717.69627.96765.79916.784汽机保安MCC 18.96331.9278.21519.01632.0087.922锅炉保安MCC 20.65735.2278.4720.77335.4178.174机组低压备用段34.3378.32517.12柴油机工作保安动力中心27.42670.8555.60827.42670.8555.60827.42670.8555.60825.69966.1945.157汽机保安MCC 17.34331.1285.23117.34331.1285.23117.34331.1285.231锅炉保安MCC 18.97434.3815.26118.97434.3815.26118.97434.3815.261备用工作保安PCA19.42436.1054.848保安PCB14.60426.5094.762保安MCC14.54424.9594.48 44 经济性 本文经济性比较的范围按保安电源的设备材料数量进行，包括变压器、低压开关柜、高压开关柜等主要一次设备，电气设备的安装、土建基础、运行损耗等费用不在经济比较范围内。所有设备按国产设备计价，各方案经济比较结果见表7。表7经济比较Table 7Economy comparison方案一方案二方案三方案四设备型号数量金额（万元）型号数量额（万元）型号数量金额（万元）型号数量金额（万元）干式变压器1250KVA51501250KVA2601250KVA41201250KVA260高压开关柜1250A/40KA181250A/40KA2161250A/40KA4321250A/40KA216低压开关柜1250A/40KA14281250A/40KA11221250A/40KA14281250A/40KA1224总计186981801005 结论 纵观四个接线方案，各方案的潮流水平均满足要求。从可靠性角度分析，方案一、方案四的可靠性较好，方案三、方案二相对稍差。从经济上来看，方案二和方案四较好，保安段相关的低压变压器的数量减少，这样的接线形式有利于维护检修。在二次保护方面，因为接线形式简单、明了，使保护接线可以做得可靠、清晰，交叉少，提高操作的灵活性，降低了操作的故障率，而且大大缩短了柴油机的投入时间。由于低压变的使用数量增加，方案一和方案三投资相对较高，而且给检修带来了很大的工作量，这在企业精简的机制下显然是不合要求的，而且方案一的接线形式只适用于带有公用变压器的厂用电接线形式 ，接线形式受限制，在二次保护方面，复杂的接线形式及较多的电源，给保护设计增加了难度，降低了操作的灵活性，增加操作的故障率，柴油机投入运行时间必然受到限制，除此之外，方案三也不利于维护。综合全局各方面的因素考虑，本文推荐方案四。参考文献：1、 袁勤勇. 300MW火电机组交流保安电源接线方式探论. 浙江电力，1999.2、 周平. 大机组厂用事故保安电源若干问题的讨论. 浙江电力，2003.3、 谈集泉. 大型火力发电厂交流事故保安电源的设置及接线方式. 科技经济市场，2006.4、 聂维景. 火力发电厂交流事故保安电源选择. 内蒙古石油化工，2006.5、 郭锦基. 厂用保安电源的分析与应用. 大众科技，2006.