如何确定企业自备电站的电气主接线

1如何确定企业自备电站的电气主接线叶文杰中国天辰化学工程公司（原化工部第一设计院）天津300400摘要：本文通过工程实例，提出合理确定电气主接线，提高企业的经济效益、供电可靠性，有利于企业今后的发展。关键词：自备电站，电气主接线，限制短路电流企业自备电站的电气主接线是一个工厂电气部分的主体，它反映了工厂中电能的产生、输送和分配的全过程。自备电站电气主接线的确定是整个工厂电气设计的首要环节，它与电力系统规划、企业扩建、设备选型、电气设备布置等密切相关。能否把电气主接线确定好，将直接影响企业的经济效益、供电可靠性和今后的发展。因此，与否也体现了一个工程的电气设计质量，必须充分重视。一．如何确定自备电站高压母线的接线：企业自备电站多数为中小型电站，机组容量一般最大不超过25MW。自备电站的联网电压多采用35~110kV。企业自备电站因较总降压变电所多了发电机，将比变电所发生更大的潮流，潮流变化大电压波动和电压偏移就大，严重时会造成电压质量超标。保证发电机的稳定运行和选择适当的运行方式是减少潮流变化的重要一环。为了使发电机稳定运行，自备电站与电力系统以强联网的接线方式为佳，即高压联网线路采用两条及以上线路，母线采用单母线分段接线，两条进线和两段母线以并列运行方式为宜。当自备电站容量小、发电机台数少时，高压线路和母线亦可采用更简单的单线路、单母线接线；当自备电站容量较大、发电机台数和进出线回路较多时，高压母线亦可采用更复杂的双母线乃至双母线带旁路母线接线。在实际工程中只要灵活运用，就不难确定之。二．如何确定自备电站发电机电压母线的接线：企业电站一般均为自备型，都设有发电机电压母线，以保证电能自发自用。企业自备电站发电机母线电压多是6~10kV，影响自备电站发电机电压母线接线复杂与否的主要因素是如何限制短路电流和确保重要负荷的可靠供电。何时需要限制短路电流呢？按电力工程设计手册要求：“发电机电压母线短路电流超过轻型廉价的断路器的开断能力时，就应该采用限流电抗器以限制短路电流。一般应限制短路电流不超过16~31.5kA，以便采用轻型电器并且使选用的厂用电缆截面不致过大”。也就是说轻型廉价电器对短路电流的要求是I”≤31.5kA、ic≤80kA。在实际工程中，为保证开断设备的安全可靠性，对这一要求值还应留有一定的安全裕度，短路电流值以I”≯25kA为宜。如何确定自备电站发电机电压母线的接线方式和选择限制短路电流方案呢？见国标《小型火力发电厂设计规范》—GB50049-94:“12．1．2发电机电压母线的接线方式，应根据发电厂的容量或负荷的性质确定，并符合下列要求：12．1．2．1每段上的发电机容量为12Mw及以下时，宜采用单母线或单母线分段接线。212．1．2．2每段上的发电机容量为12Mw及以上时，可采用双母线或双母线分段接线。12．1．2．3当分段时，应采用分段断路器连接。12．1．3当发电机电压母线上的短路电流，超过所选择的开断设备允许值时，可在母线分段回路中安装电抗器。当仍不满足要求时，可在发电机回路、主变压器回路、直配线上安装电抗器。”规程规范在此至少明确了三点：一、发电机电压母线的接线方式是根据发电机容量确定的，且以12MW为参考点，每段母线发电机容量为12MW及以下时，宜采用单母线或单母线分段接线；每段母线发电机容量为12MW及以上时，可采用双母线或双母线分段接线（这样可为在直配线上加装限流电抗器准备条件）。二、当每段母线发电机容量为12MW时，既可采用单母线又可采用双母线，具体采用何种母线接线方式应视短路电流计算结果及采用何种限流方案定。三、限流方案随短路电流的增长也由小到大、由弱到强、由简单到复杂。当需要限流时，首选在母线分段回路中安装电抗器；当仍不满足要求时，逐步在发电机回路、主变压器回路、直配线上安装电抗器（在发电机回路宜装分裂电抗器，不宜装普通电抗器）。这是一个应遵守的原则和顺序。我们若按照规程规范指明的规律选择限流方案就能得到优化且可行的设计方案；反之，若违背规程规范就得不到可行的设计方案。根据上述12.1.3条规定，我们拟订了在自备电站发电机电压母线三种有代表性的限制短路电流方案：⑴仅在母线分段回路加电抗器限流方案：（见图1）图1.在母线分段回路加电抗器限流方案⑵在主变压器和母线分段回路加电抗器限流方案：（见图2）6~10KVG1T1G2T235~110KVI段II段6~10KVG1T1G2T235~110KV3图2.在主变压器和母线分段回路加电抗器限流方案⑶在直配线出口加电抗器限流方案：（见图3）图3.在直配线出口加电抗器限流方案图1~3限流方案是按12.1.3条规范随短路电流的增长由小到大制定的。如果按短路电流的大小来划分供配电系统大小的话，那麽图1~3的限流方案就是一个由小到大排列的供配电系统。小容量的自备电站应采用小供配电系统，大容量的自备电站应采用大供配电系统。工程设计中只要根据限流要求和短路电流计算结果由小到大选取限流方案或供配电系统，即当小的限流方案或供配电系统满足不了限流要求时，应选择更大的限流方案或供配电系统，就能选到正确的电气主接线方案。三．工程案例分析：为了更好地理解上面的问题，我们拟定一个工程案例进行分析，看一下按规程规范设计或违背规程规范设计，将带来怎样不同的结果？1．X工程自备电站设计条件：⑴系统条件：①电源拟决定引自电力系统某区域变电所110kV两段母线，某区域变电所至X工程直线距离500m,某区域变电所110kV母线最大短路容量为：2145MVA。②某区域变电所110kV母线电压波动范围是：正常运行电压：121kV最高运行电压：125kV最低运行电压：110kV⑵自备电站规模：最初确定为三炉两机，两台发电机容量均为12MW，后来为增加自发电效益又将发电机容量改为15MW。由于资金问题又要求按两台发电机设计，暂建一台发电机。6~10KVG1T1G2T235~110KVI段II段备用段4(3)厂内负荷情况:①全厂总的有功计算负荷为：24631.82kW②全厂6kV高压电动机：总的装机容量：26315kW其中常用容量：21315kW其中同步电动机6台：三台1600kW同步电动机正常为两开一备；三台250kW同步电动机正常全开；2．拟订电气主接线方案：⑴高压110kV电源进线：选用两回LGJ-150mm2铁塔双回架空线。⑵高压110kV母线接线：采用单母线分段接线。⑶主变压器：拟选用两台121/6.3kV变压器。⑷发电机电压母线接线：电压采用6.3kV；初步确定采用上述图2或图3所示的限流方式，即如下面方案2和方案1所示的电气主接线方案。首选方案2，如方案2满足不了限流要求时，则应按规程规范要求选用更大的供配电网络，即选用如方案1所示的限流方式——在发电机母线采用双母线分段、6kV直配线出口加装限流电抗器的电气主接线方案。方案1.在6kV直配线出口加限流电抗器~6KVG1T1G2T2110KVI段II段I段II段16Mw121/6.3KvUd=10.5%15MWUd=13.35%COS=0.8(18.75MVA)15MWUd=13.35%COS=0.8(18.75MVA)NKL6-600-4备用段5方案2.在主变压器和母线分段回路加限流电抗器3．主要设备参数选择：⑴发电机：发电机一般由热工等专业根据原动机工况确定发电机容量。⑵主变压器：①主变压器容量选择：自备电站主变压器的容量一般按可能发生的最大潮流选择，即当发电机电压母线上负荷最小时，能将发电机电压母线上的剩余有功和无功电能送入电力系统；当发电机电压母线上最大一台发电机停用时，能由电力系统供给发电机电压的最大负荷。此外还应考虑留有5——10年的发展余地。由于一期工程仅建一台发电机，那麽最大潮流就发生在发电机停运，厂内全部用电负荷均由电力系统供给。全厂总的计算有功功率为：24631.82kW,无功功率为：13989.85kVar，总的视在功率为：28327.24kVA，平均每段视在功率为：14163.62kVA，拟选用16000kVA主变压器，即能满足最大负荷的要求。如果另一台发电机建成后，两段母线并列运行，可有供45000kw的负荷的能力。②主变压器变压比选择：自备电站的主变压器到底应选择升压型还是选择降压型，应根据潮流计算和系统电压变化情况确定之。以本案为例，全厂用电负荷为：24631.82kW，平均每段负荷为12315.96kW，发电机的容量为15000kW。两段母线若分裂运行，当发电机满发时，将发生本段负荷用不了发电机发出的全部电能，这些多余的电能应向电力系统输送，若把这些多余的电能输送到电力系统，就需把自备电站的高压母线电压调高，高于电力系统可能运行在最高电压（125kV）的情况。若选择110+8x1.25%/6.3kV降压型变压器，其最大变比为121/6.3kV，在这种降压型变压器只能把最大电压调到121KV，不能高于系统运行最高电压125kV，此时发电机将无法把多余的电能送入系统。即使按系统和电站之间输送功率为零考虑，那麽当系统运行在最高电压125kv时，传变到自备电站发电~~6KVG1T1G2T2110KVI段II段II段I段16Mva121/6.3KvUd=10.5%12MwUd=12.21%COS=0.8(15Mva)COS=0.8(15Mva)Ud=12.21%12MwNKL6-2000-10NKL6-1500-8NKL6-2000-106机电压母线的电压是：125/121/6.3=6.51kV此电压已高于发电机额定6.3kV的电压。发电机若想把自己发出的电能输送到发电机母线，也需调高自己出口的电压，使之高于6.51kV，这样就造成发电机处于过电压状态；另外，此电压已超过高压电动机额定电压6kV的8.5%。这一数值超过了规程规范对电动机端电压不得大于±5%的规定。显然本案例选择降压型变压器是不适宜的，应选择变比为121±2x2.5%/6.3kV的升压型变压器。⑶母线分段电抗器：母线分段电抗器的额定电流按母线上因事故切断最大一台发电机时可能通过电抗器的电流进行选择，一般为发电机额定电流的50%——80%，本工程取80%。按15MW发电机的额定电流1720Ax0.8=1376A可选择额定电流为1500A的电抗器；拟选用NKL6-1500-86kV1500AXk%=8%型电抗器效验电压损失：正常工作时电抗器上的电压损失（ΔU%）不宜大于额定电压的5%，可按下式计算：ΔU%=Xk%xIg/IekxSinφ式中：Xk%：电抗器的百分比电抗值，为：8%;Ig：通过电抗器的最大工作电流，取Ig=1376A;Iek电抗器的额定电流，为：1500A;Sinφ:负荷功率因数角的正弦，（一般取COSφ=0.8,则Sinφ=0.6）ΔU%=8x1376/1500x0.6=4.40%≯5%满足要求在方案的论证过程中，为加大限流力度曾设想把方案2的母线分段电抗器改为NKL10-1500-810KV1500AXk%=8%型电抗器，即把额定电压10kV的电抗器用到6kV电压等级。这样等于把电抗器电抗值增大（10/6）2=2.78倍，那麽上述的电压损失也将增大2.78倍。即按最初发电机容量为12MW验算：ΔU%=2.78x8x1100/1500x0.6=9.79%5%也不满足要求显然选择10kV电抗器是不适宜的。⑷主变压器回路电抗器选择：主变压器回路电抗器的额定电流应按回路最大工作电流选择，一般按大于主变压器的额定电流选择，16MVA主变压器的额定电流为1468A。拟选用NKL6-2000-106kV2000AXk%=10%型电抗器效验电压损失：正常工作时电抗器上的电压损失（ΔU%）不宜大于额定电压的5%，可按下式计算：ΔU%=Xk%xIg/IekxSinφ式中符号意义同前。ΔU%=10x1468/2000x0.6=4.40%≯5%满足要求4．短路电流计算：（计算过程略）短路电流计算结果见下表7短路电流计算结果表短路电流值（kA）方案短路点电站运行方式I”I0.2I∞ichIchSo备注3一台16MVA主变压器和一台15MW发电机并