综合利用电厂发供电系统的优化

张 永 曹亚楠 徐中伟 胡志坚 王秀娟

（山东华聚能源股份有限公司，山东 邹城 273500）

1 现状分析

华聚能源南屯矿电厂作为兖矿集团首家综合利用电厂始建于上世纪80年代末。电厂自投产运行以来，为保证矿井生产及矿区人民生活用电，促进非煤产业的发展，缓解就业矛盾，减轻环境污染曾经做出了一定贡献，取得了可观的经济效益和较好的社会效益。随着时间的推移，设备老化、常规控制及继电保护系统可靠性差、维护量大、监控覆盖面窄、运行人员负担重等问题日益突出，极大的制约了南屯矿电厂前进的步伐。

这些问题归纳起来主要体现在以下几个方面：

1）所有保护包括发电机保护、主变保护、线路保护、厂变保护等均采用机械式继电器保护模式，所有监控仪表均采用机械式仪表，同期方式采用手动集中准同期方式，厂用电源备自投方式也采用的是机械式继电器方式，具有明显可靠性差、易损坏、自动化程度低、抗干扰能力差等缺点。

2）厂用电系统中采用的已被淘汰的高耗能的S7-1000型油浸式变压器，它主要有结构复杂，维护、保养困难，能耗高，污染环境，故障率较高等缺点，尤其是我厂1#厂变问题突出，不利于我厂推进清洁生产工作的开展。

3）400V低压系统负荷不断增加，负担越来越重，开关设备老化，无备用屏位，布置不合理现象日益突出，影响到电厂安全运行。

4）400V低压系统没有无功功率集中补偿装置，功率因数在0.82～0.85之间，低于国家能源监测要求达到的0.90标准，导致变压器的电能损耗大，负载能力和利用率低。

鉴于上述内容所体现出的代表性问题，为保证发供电系统以及供暖系统的可靠性，南屯矿电厂决定对目前的发供电系统中的继电保护部分和厂用电部分进行重新设计改造，以全面提升电厂发供电系统的可靠性。

2 解决方案

1）电气综合自动化改造

引进电厂电气综合自动化技术，对电厂发供电系统实现微机监测、微机监控、微机保护、故障录波、四遥远传等多种功能，来提高发电质量和供电可靠性，实现电厂电气系统综合自动化，提高电厂综合自动化水平。其网络拓扑结构如图1所示。

图1

南屯矿电厂电气综合自动化系统选用的是积成电子股份公司生产的CAN2000型综合自动化系统。具体选型及功能实现如下：

（1）发电机保护：（CAG211+CAG221+CAE241）发电机保护及测控装置是一种灵活，可靠，含有保护、控制、监视和测量功能的保护装置。该保护具有全面的保护、控制功能，适用于135MKW以下的中小型发电机。该装置实现：发电机纵联差动保护；横差保护（匝间保护）；发电机定子回路 100%接地保护；发电机转子一点接地保护；发电机转子二点接地保护；复合电压闭锁的过电流保护；发电机低励失磁保护；过负荷保护；过电压/低电压保护；低频/高频保护；逆功率保护；负序过电流保护；零序过电流/零序过电压保护；CT断线告警及闭锁；PT断线告警及闭锁；非电量保护；故障录波、故障记录等保护功能。

（2）主变压器保护：（变压器主保护 CAT221＋变压器后备保护CAT212）CAT221变压器差动保护功能：变压器差动速断保护；二次谐波制动的比率差动保护；CT断线判别及闭锁；本体重瓦斯跳闸或发信，有载开关重瓦斯跳闸或发信；本体及有载开关轻瓦斯发信，压力释放跳闸或发信故障录波。CAT212变压器后备保护 （35KV与6KV每侧配置1台）功能：三段复合电压闭锁的方向过流保护（每段两时限）；三段过负荷保护（发信、起动风冷、闭锁调压）；两段零序电压闭锁的零序过流保护；PT断线检测；故障录波、事件记录；遥控及操作回路功能；测控等功能。

（3）发变组保护：发电机主保护CAG221＋发电机后备保护 CAG211+发变组大差保护 CAT231+变压器后备保护CAT212。

CAG221+CAG211发电机保护及测控装置是一种灵活，可靠，含有保护、控制、监视和测量功能的保护装置。该保护具有全面的保护、控制功能，适用于135MKW以下的中小型发电机测控保护。该装置实现的保护功能：发电机纵联差动保护；横差保护（匝间保护）；发电机定子回路100%接地保护；发电机转子一点接地保护；发电机转子二点接地保护；复合电压闭锁的过电流保护；发电机低励失磁保护；过负荷保护；过电压/低电压保护；低频保护；逆功率保护；负序过电流保护；零序过电流/零序过电压保护；CT断线告警及闭锁；PT断线告警及闭锁；非电量保护（励磁机、汽机故障）；发电机端断路器操作回路（含遥控功能）；故障录波、故障记录。

CAT231发变组大差保护功能：发变组差动速断保护（三侧差动）；二次谐波制动的比率差动保护；CT断线判别及闭锁；本体重瓦斯跳闸或发信，有载开关重瓦斯跳闸或发信；本体及有载开关轻瓦斯发信，压力释放跳闸或发信；故障录波。

CAT212变压器后备保护功能如前所述。

（4）35kV联络线、馈出线测控保护：CAL212保护测控装置保护功能：三段式电压闭锁方向过流保护；合闸后加速保护；过负荷保护；检无压三相二次重合闸；低周减载；小电流接地选线；测控等功能。

（5）35kV 、6kV母联测控保护：配置CAL211测控保护装置，控制室内组屏安装。装置功能：三段式过电流保护；过负荷保护；合闸后加速；PT断线检测及闭锁；故障录波功能；遥测；16路遥信（断路器位置已内部采集）；遥控及操作回路功能。

（6）6kV 厂用工作/备用变压器测控保护配置CAT213测控保护装置，控制室内组屏安装。装置功能：三段过流保护；过负荷；低压侧零序过流保护；小电流接地选线（零序功率方向）；零序过压；母线PT断线判别；控制回路断线判别；非电量保护；故障录波等。

（7）0.4kV备用电源自投装置CAB212备用电源自投装置完成工作变压器与备用变压器的备自投功能，备自投装置完成如下功能：厂用变备自投；母线充电保护；PT断线告警；两段式过电流；电量遥测；1路遥控（分、合）及操作回路功能。

（8）6kV馈出线测控保护配置CAL211测控保护装置，分散安装在高压柜上。装置功能如前所述。

（9）6kV高压电动机测控保护：配置CAD211测控保护装置，分散安装在高压柜上。装置功能：三段过流保护（III段可以定时限或反时限）；两段负序过流保护（II段可以定时限或反时限）；过热保护；过负荷保护；低电压保护；过电压保护；零序过流保护；小电流接地选线（零序功率方向）；连续起动闭锁；两路非电量保护（可以独立整定）；PT断线检测及闭锁；故障录波；遥测；16路遥信（断路器位置已内部采集）；遥控及操作回路功能。

（10）电压并列配置 CAE231电压并列装置 1台，实现两侧母线并列功能。

2）厂用电系统优化改造

（1）重新优化厂用电系统布置

将 3＃锅炉改造增加的 314kW 大负荷转移至6kV电压等级系统，减轻了400V低压系统的负担，消除了大电机起动对厂用系统的影响。

（2）淘汰了5台高耗能的已淘汰的S7－1000/6.3型油浸变压器，引进先进的SC10-1000型干式变压器，降低厂用变压器的损耗，减少检修工作量。

（3）引进先进的复合开关投切的GGJ2A-10型智能低压无功补偿装置，补偿低压负荷所需的无功功率，提高低压配电网的功率因数，降低线路和变压器的电能损耗，提高配电变压器的负载能力和利用率，维持电压稳定，提高负载端的供电质量。

（4）淘汰了 8台传统的低压进线万能式断路器，引进先进的CDW1型智能万能式断路器，并接入电厂综合自动化系统，提高了低压配电系统的自动化和可靠性。

（5）完善厂用弱电系统防雷设施，提高电子设备对雷电电磁脉冲的防护水平，提高系统运行可靠性。

3 关键技术及创新点

1）微机保护系统硬件平台采用 Intel低功耗奔腾CPU，免风扇设计。

2）保护、测控双CPU并行工作模式，系统CPU板具有硬件DOG功能。

3）系统采用CANBUS网络，实时运行存储介质采用电子盘。

4）软件平台选用基于Client/Server方式设计的嵌入式Windows操作系统。

5）系统应用软件模块采用规范的模块化结构，实现“即装即用”；数据库采用 ODBC或SQL编程，使用ACCESS数据库文件格式存储数据。

6）系统具有针对变电站的基本SCADA功能。

7）集电气系统的保护、测量、遥控、摇信、遥测及信号为一体，实现了电气系统的综合自动化；通过拨号MODEM可进行远程维护。

8）独立的保护、测控的交流电流输入回路。

9）积成电子创造性的“快捷菜单”查询模式。

10）重新优化了厂用电系统布置，使各段负荷相对平衡和独立。

11）引进先进的SC10-1000型干式变压器。

12）引进先进的复合开关投切的 GGJ2A-10型智能低压无功补偿装置。

13）引进为先进的CDW1型智能万能式断路器，并接入电厂综合自动化系统。

14）引进电磁浪涌保护器，加强重点电子设备防雷保护。

4 效益评价

1）经济效益

（1）微机保护运行以来，发供电系统稳定，未出现一次误跳闸、越级跳闸事故。按照近年来高压开关平均发生2次跳闸事故计算（根据高压开关跳闸记录统计），产生的直接经济损失近 36000元[3×6000kW×约 2h（从跳闸到恢复原运行方式需要的时间）×0.5 元/kW·h×2 次≈36000 元]。

（2）取消了大量的二次仪表，减少仪表备件费和每年的校验费合计10400元。

（3）取消了大量的机械式继电器，减少了继电器校验时间，使春试秋检的时间缩短近2天的时间，产生直接的经济效益近 432000元[3×6000kW×约48h×0.5 元/kW·h≈432000 元]。

（4）每年春试秋检中，要更换大量不合格的机械式继电器。采用微机保护，其软硬件的高可靠性，大大减少这部分费用近18000元。

（5）新厂用变投运以来，通过变压器运行日志计算，与往年同期相比，每天可平均节约厂用电约770kW·h，每kW·h厂用电按0.5元计算，每年（按照分公司发电设备平均利用时间6278h，约262天）可节约 770kW·h/天×0.5 元/kW·h×262 天=100870 元，加上每年减少的变压器油试验和废油处理的费用2500元，可产生的直接经济效益100870元+2500元=103370万元。

（6）无功功率补偿装置安装后，根据现场实测，I段有功功率降低 32.63kW，II段有功功率降低0.12kW，III段有功功率降低-4.56kW，V段有功功率降低18.66kW，总的有功功率降低为46.85kW，按年运行时间5000h算，每年节约电能为46.85kW×5000h=23.43kW·h，按每度电 0.5元来算，年可获得收益117000元，一年内即可收回成本，其节能增效的效果是不错的。

综合以上每年经济效益共计约706370元。

2）社会效益

（1）通过实施电气系统微机化改造，重要系统实现自动控制运行，减少了设备之间的硬接线，大大减少了人为因素造成的系统运行不稳定，提高了综合利用电厂整体技术装备和安全可靠性。

（2）保护动作行为及过程的透明化和智能化分析，有助于技术人员和运行人员正确的分析故障原因，缩短事故处理时间，彻底消除保护装置原因不明的不正确动作行为，提高保护装置的正确动作率。

（3）可以减少硬件品种数量和用户的备品备件，减轻软件及现场测试的工作量，显著提高软硬件的可靠性，提高装置运行的可靠性。

3）环境效益

（1）微机保护和智能断路器以其先进的网络通讯功能纳入到电厂综合自动化系统之中，提高了设备的监控水平，改善了运行工人的劳动环境，降低了工人劳动强度，提高了现场文明形象和质量标准化水平。

（2）干式厂用变压器改造后，无渗漏油现象，维护工作量少，安全文明形象大有转变。

（3）各种微电子设备对人为的或自然的电压、电流的冲击越来越频繁，它给我们生活和工作带来了无法估算的损失，采用电磁浪涌保护器等防雷措施可减少电磁脉冲的冲击，具有很重要的社会意义。

5 结论

通过方案的实施，为南屯矿电厂建设“安全高效型、本质安全型”电厂提供了可靠的保障，为同类型综合利用电厂电厂可靠性建设、提高自动化水平提供了积极的示范和带动作用。其中关键技术“低压负荷转移为高压负荷、新型变压器的应用、智能型无功补偿装置和智能开关的应用，先进的微机保护自动化系统的应用”可以应用到同类型的配电系统中。