发电厂内电磁环网运行状态分析

刘智洋,宋杭选,陆 杭,董尔佳

(1.黑龙江省电力科学研究院,哈尔滨 150030;2.国网黑龙江省电力有限公司,哈尔滨 150090)



发电厂内电磁环网运行状态分析

刘智洋1,宋杭选1,陆 杭2,董尔佳1

(1.黑龙江省电力科学研究院,哈尔滨 150030;2.国网黑龙江省电力有限公司,哈尔滨 150090)

针对中国华电集团某发电厂技术改造后新的接线形式和电气参数进行分析,建立等值模型,对厂内不同运行方式下出现的电磁环网进行了分类探讨,结合算例对50种不同情况进行了解析和计算,并依据结果,对该厂如何有效地控制均衡电流提出了建议。

等值模型;运行方式;电磁环网;均衡电流

在一座发电厂内部,时常需要进行设备检修、停运等操作,尤其在转移负荷的过程中,会短时地形成电磁环网运行状态,不利于电网安全运行。相对于输电网中的电磁环网,厂内接线较短,环路阻抗小,此时若不能对环网内参数进行很好地控制,同样会出现线路跳闸等事故,进而波及周围供电区引起连锁反应[1]。

中国华电集团某发电厂在脱硫技术改造工程实施完毕后,厂内接线和设备参数发生了相应的改变。因此,本文根据该厂提供的参数,结合厂内出现的电磁环网运行状态,对其运行方式进行了分析和计算,以为电气设备的合理选择、继电保护整定和调整运行方式提供参考依据。

1 均衡电流的产生及计算

1.1 均衡电流的产生机理

当两路或多路供电系统在某处进行对接形成环状供电系统时,通常会产生均衡电流,即一般意义上所说的环流。产生这种均衡电流的主要原因是在合环前,合环点两侧存在电位差,而均衡电流的作用便在于消除这种电位差,使合环后该合环点两侧电压一致[2],供电线路合环模型如图1所示。

图1 供电线路合环模型

设图1中左右两侧分别是同一供电系统中的两条供电线路,AC1、AC2是两条线路电网侧的等值电源,Z1、Z2是将电网侧的线路、变压器等设备进行归算后的等值阻抗,虚线部分是指两条线路在电网侧存在的电气联系。

暂不考虑负荷电流,现假设两条供电线路在K点进行合环操作,设开关K闭合前开关两侧的端电压分别为U1、U2,U1与U2同相位且|U1|>|U2|,则在开关K的两端出现了电位差ΔU

ΔU=U1-U2

(1)

当开关K闭合,即两条线路进行合环运行,会产生一个均衡电流Ih。对于左侧线路来说,合环后相当于接入一个负荷,因此将会有电流Ih输出。由于合环后开关K两侧的电压必须相等,因此若该电压以Uk表示,则有

Uk=U1-IhZ1

(2)

对于右侧线路来说,合环后是把它接到一个电压更高的电源上,因此将会有电流Ih输入,相应地有

Uk=U2+IhZ2

(3)

对式(2)和式(3)进行合并,

U1-IhZ1=U2+IhZ2

(4)

则可计算出均衡电流值

(5)

其中,∑Z定义为合环后形成的环路阻抗。电网中的设备多数是以电抗为主,即其R≪X,∑Z中电抗占据了较大的比重,均衡电流在这种以电抗为主要成份的环路中流动,产生的主要是无功的效果,因此在部分文献中也常把这种均衡电流称为无功环流[3]。

在实际计算中,需要考虑三相系统中线电压和相电压的转换关系并对上述公式进行相应地变换。

1.2 均衡电流的危害

通常情况下,合环前电压较高的一侧,在合环后均衡电流将与负荷电流叠加,相应地增大了该回路的总电流;而合环前电压较低的一侧,在合环后均衡电流将与负荷电流抵消,相应减小了该回路的总电流。这样的电流分配造成的结果是,一侧的输电设备容易过负荷,而另一侧的输电设备欠负荷。

由式(5)可以看出,Ih的大小主要受合环点电位差ΔU和环路阻抗∑Z的影响,当∑Z很小的时候,比如在发电厂内部输电线路均较短,此时即使是很小的ΔU也会产生较大的均衡电流值。均衡电流虽不是负荷电流,但却同样需要占据输电通道,这样就间接地减小了输电线路和变压器的容量,也增加了损耗。

特别是在电磁环网中,即由两个不同电压等级的输电回路通过变压器的电磁联系形成环路时,由于变压器低压侧的电流与高压侧的电流存在一个变比的倍数关系,这种均衡电流的影响便会显著增大,加之与原本的负荷电流进行叠加,将产生很大的潮流值,进而造成局部设备过载、继电保护整定困难,甚至造成连锁跳闸等重大安全事故。因此在电网发展过程中的过渡阶段,为提高供电可靠性,保证对重要用户的不间断供电,在电磁环网方式供电时,需采取严格地计算和控制手段[4]。

2 发电厂电磁环网运行方式分析

2.1 厂内接线情况

该发电厂坐落于哈尔滨市区,担负着周围地区电力供应及冬季供暖的重要角色。在即将完成的1～5号机组脱硫技改工程后,厂内主要设备及其接线情况为: 5台发电机组装机容量102 MW,配有4台升压主变、2台降压主变;电厂通过2条66 kV母线、4条10 kV母线、2条6.3 kV母线向外供电;通过4条6 kV母线提供厂用电。5台发电机中,3台通过10.5 kV母线接升压变压器上网,2台通过单元接线接变压器上网,其中1台单元接线发电机出口通过分支电抗器转供1条厂用6 kV母线;其余3条厂用6 kV母线通过电缆接至6.3 kV母线,经由2台降压变接至10.5 kV母线。为限制短路电流,两条10.5 kV母线通过母联电抗器互联。另有一台厂高备变从66 kV母线直接降压并通过电缆接至4个厂用6 kV母线段作为倒厂用负荷时的备用供电电源。

2.2 等值参数模型

为进行发电厂内的潮流计算,需先对接线进行简化,以便在计算软件中建立等值参数模型。

现将接线中性质相同的负荷进行合并,4个向外供电的10 kV母线以负荷的形式简化,在变压器出口及厂高备变低压侧至厂用6 kV母线段的关键位置增加虚拟母线。在PSASP 6.29仿真系统中建立完成的发电厂等值参数模型,如图2所示。

图2中，6013、6014、6015、6016、100、654是6组开关,在正常运行方式下,这6组开关是断开的,即厂高备变不接4个6 kV母线段,10.5 kV和6.3 kV的两段母线分别独立运行。

2.3 厂内电磁环网分析

2.3.1 升压主变并列运行

当2号或3号主变中的一台进行检修时,须闭合开关100,将其下挂的10.5 kV母线段负荷通过母联电抗器转移至另一段上,此过程存在两台升压主变并列运行形成的电磁环网。这种情况下,环网中的设备为变压器和电抗器,因此可以通过调节变压器较容易地控制两台主变的端电压,使其达到一致,即产生的均衡电流在可控的范围内。

图2 发电厂等值参数模型

2.3.2 升、降压主变并列运行

当4号或5号降压变中的一台进行检修时,须闭合开关654,将其下挂的6.3 kV母线段负荷通过母联开关转移至另一段上,此过程存在两台升压主变各自带两台降压变并列运行形成的电磁环网。这种情况下,环网中的设备只有4台变压器,因此可以通过调节变压器较容易地控制两台降压变的端电压,使其达到一致,即产生的均衡电流也在可控的范围内。

2.3.3 厂高备变投切倒厂用负荷

当厂用6 kV母线段的电源电缆(即从6.3 kV母线引出线)检修,须闭合6013～6016中与该厂用母线对应的开关,将该段厂用6 kV母线上的负荷转移至厂高备变供电,此时将形成以主变、降压变、电源电缆、厂高备变、厂高备变低压侧电缆等元件组成的电磁环网。在这种情况下,由于厂用6 kV母线的电源电缆相对较长,因此其母线电压受所带负荷的影响较大。当所带负荷偏大时,电源电缆的电流偏大,引起压降偏大,母线电压就偏低,反之则相反。即使厂高备变的出线电缆的端电压可以控制,但受厂用母线电压的影响,合环点的电位差也会存在较大波动。

3 厂高备变投切过程电磁环网算例

根据市供电公司调控中心的规定,该厂内的4条厂用6 kV母线段,最多只能有2条同时由厂高备变转带。在2～5号变压器中,若有一台检修时,则对不同的运行方式,将会有多种负荷转带情况,如表1所示。

表1 不同运行方式下负荷转带情况统计

对于上述50种情况进行均衡电流和环网潮流的计算,这里无法一一列举,只选取一种对安全运行影响较大的典型情况进行分析。考虑全开机大负荷方式,当5号降压变检修停运且IV段厂用母线已经由厂高备变转带后,III段厂用母线倒负荷的情况。

在III段厂用母线合环开关6015闭合前,用仿真系统计算出各线路电流和母线电压分布情况,如图3所示。

图3 厂用III段母线合环前潮流分布 (单位:kA、kV)

Fig.3 Power flow distribution of auxiliary power III segment bus bar before closed loop

从图3可以看出,厂用Ⅲ段母线合环前开关6015两侧的电位差标幺值ΔU*=0.0485。合环后,2号主变、4号降压变、Ⅲ段母线电源电缆、厂高备变低压侧电缆、厂高备变组成了电磁环网,其环路阻抗标幺值经计算为∑Z*=0.0809+j1.3731。因此合环后产生的均衡电流标幺值[5]为

转换为有效值为

其中,IB为线电流的基准值。合环后用仿真系统计算各线路电流和母线电压分布情况如图4所示。

图4 厂用III段母线合环后潮流分布 (单位:kA、kV)

Fig.4 Power flow distribution of auxiliary power III segment bus bar after closed loop

从图4中可见,在这种运行方式下进行合环,所产生的均衡电流与负荷电流进行几何叠加后造成III段母线的电源电缆流过的电流显著增大,极易造成该线路过负荷而引发连锁事故。

4 均衡电流控制措施

电磁环网中产生的均衡电流对发电厂的经济运行和安全运行均会产生不利影响,如何将其控制在一定范围内是合环前必须考虑的问题。从式(5) 中可知,控制均衡电流须从控制合环点电位差和环路阻抗两个方面入手:1)通过调节变压器分接头、在低压母线做无功补偿减小压降，调整负荷改变运行方式等方法控制电位差;2)通过增加限流电抗器等方法增大环路阻抗。

此外,在改变输电网电磁环网运行参数上,国外已广泛应用柔性控制技术[6],这也为解决发电厂内部电磁环网问题开了一扇窗,在兼顾经济性的同时,也可考虑引入此技术进行创新尝试。

5 结 语

本文对厂内不同运行方式下出现的50种电磁环网进行了分析和计算,得到了最大均衡电流为415 A,平均值维持在150 A左右。

由于在发电厂内形成的电磁环网环路阻抗较小,即使合环点两侧电压的轻微波动也会使均衡电流产生较大变化,在不同的开机及负荷条件下,均衡电流值将在一个较大的范围内浮动,因此上述计算结果仅作为选择设备和调整运行方式时的参考,在实际生产中,针对特定的运行情况还需做进一步的计算分析,以确定是否存在合环条件。

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(责任编辑 郭金光)

Analysis of electromagnetic looped networks inside the power plant

LIU Zhiyang1, SONG Hangxuan1, LU Hang2, DONG Erjia1

(1. Heilongjiang Electric Power Research Institute, Harbin 150030, China; 2. State Grid Heilongjiang Electric Power Company Limited, Harbin 150090, China)

This paper analyzed the new electrical connections and parameters after technical reformation of a power plant affiliated to China Huadian Corporation, established the equivalent model, classified and discussed the electromagnetic looped networks which were generated under different operation modes, calculated the example under 50 different conditions, and on the basis of the results gave suggestions on how to control the equilibrium current effectively.

equivalent model; operation mode; electromagnetic looped network; equilibrium current

2015-08-19。

刘智洋(1984—),男,工程师,主要研究方向为电网运行方式计算、电网稳定计算、电力供需、电网大数据统计及应用。

TM712

A

2095-6843(2016)01-0011-04