基于多机组并网发电的总降变电站安全经济运行的实践

卢朝晖

（河北钢铁邯钢集团能源中心，河北邯郸 056015）

前言

邯钢铁前110 kV 总降变电站，是集发电、变配电于一体的总降变电站，其区域供电是整个西区生产负荷用电的50%，包括一钢、大型、线棒、烧结、焦化和邯宝能中煤气柜等各公辅的重要生产负荷；在此站并网的发电机组有综合利用电厂3#发电机组（60 MW）,1#、2#干熄焦发电机组（15 MW），1#TRT（18 MW）和烧结余热发电（30 MW）等5台共138 MW装机容量。

在多发电机组并网和大区域密集负荷供电的情况下，其系统的短路电流较大，发电、用电负荷过于集中，发用电负荷平衡、检修安排、运行方式调节及功率因数控制等工作难度都相应增加，供电可靠性降低，威胁整个电力网安全。如何保证安全可靠供电、高效合理利用发电及整个变电站的经济运行，提高发供电系统综合经济效益，成为电力系统维护中的一大难题。

1 存在的主要问题

区域性电力系统的安全和稳定性问题，涉及发电、用电、变电等多个相互关联的环节，有的是结构性缺陷原因，隐蔽性和固有性难以消除；有的是运行方式问题，优化配置需要同时考虑发电和用电两个方面，相互配合又难以取舍；有的是高压变配电主设备和其二次保护问题，需要理论计算和系统调整。此类问题的出现，是钢铁企业在节能发电规模效益下的必然趋势，也形成了制约电力生产稳定的固有性难题，解决不好，就会造成设备故障率居高不下，导致系统不稳定因素增加，形成发电调节效率低下和用电稳定性差的双重困局。

存在的主要问题如下。

（1）多发电机组集中并网后，系统容量扩大，短路电流大幅度增加，系统内各运行参数已接近安全警界线，现有系统内一次开关设备的遮断容量设计偏小。

（2）铁前配电网络扩大、配出电缆线路过于集中、供电半径过长、冲击性负荷和变频软启设备较多，导致系统的接地电容电流过大、谐波电流已接近临界值，运行方式调整和检修安排困难，电能质量和设备性能下降，系统内任何设备故障都可能引起系统性故障，波及面扩大，导致系统不稳定。

（3）经济运行模式下，总降站内的安全运行容量紧张，裕度偏小，发电机组突发性停机甩负荷时，易造成系统内进线开关、变压器等局部设备的过负荷，严重威胁整个变电站的安全稳定运行。

2 解决问题的主要思路

（1）尽量缩小发电机组的并网区域，合理调整几台发电机组在不同的母线并网，让每段母线的用电负荷尽量大于其并网的发电负荷，使发电负荷在其并网母线段就近消耗，以减少发电机组突然停机时对进线开关和变压器的影响。

（2）对并网开关、进线开关、进线隔离等进行梯级扩容。

（3）对变压器增加风冷装置，以提高一次设备的带负荷能力，减少因负荷增加而造成的设备发热现象。

（4）对接地变、消弧线圈进行扩容，提高系统的灭弧能力，以避免电缆接地时而造成的弧光过电压或弧光短路事故的发生。

（5）优化长距离单芯电缆的接地方式，减少电缆的外护套感应电流，降低线损和网内无功损耗。

（6）对整个总降站的发电、用电、变电各个相互关联的设备进行梳理，从现有系统的结构、电力设备的性能参数、保护及自动控制装置的设置、运行方式调整等多个方面进行系统性分析，找出系统的薄弱环节，加以控制和解决。

（7）兼顾发电效益和变电站经济运行，创新思路，进行系统性改进和完善，以保证整个变电站的安全可靠供电和经济运行。

3 主要控制策略及安全经济运行技术措施

3.1 控制策略

解决总降变电站的安全稳定性问题固然重要，但也要兼顾发电效益和变电站经济运行指标。在现有成型的系统基础上，创新思路，寻找适当的切入点，综合施策，进行系统性改善，方能适应目前的经济运行方式，达成既定目标。

（1）为保证系统安全可靠运行，采取有效措施减轻短路造成的危害，考虑采取积极措施限制短路电流增长，调整系统电气主接线，改变区域运行方式，以增大系统阻抗，减少短路电流值；在系统参数匹配性方面，结合电缆故障问题，进行参数检测，消除电网扩张造成电缆线路多发的根源。

（2）对于经济运行模式下，总降站内安全运行容量紧张，裕度偏小的问题，重点是考虑在现有设备基础上，改进设备的性能参数，提高系统内各个结点在非正常情况下的抗冲击能力，消除设备的各个薄弱环节，筑牢应对系统故障的篱笆。同时，校正系统保护，采用快速动作的继电保护和断路器，以及发电机自动并网功能，实现在系统故障时能够快速、准确隔离故障设备，确保现有系统迅速恢复正常状态，减少故障影响。

3.2 技术措施

3.2.1 优化发电机组并网点、并网路径和发用电负荷的分配方案，将系统内的较大网络拆解为相对独立的多个小区域发供电系统，限制系统规模，减少单一系统内发电机的并网数量，限制系统短路容量在合理范围内。

（1）优化铁前——原料系统的主接线，铁原一线上原料站一母线，铁原二线上原料站二母线，铁原三线接线由原料站二母线倒至三母线，与铁前站三母线相对应，实现接线方式上的调整优化。

（2）在原料站新增烧结大负荷供电后，对原料站三路进线进行扩容，电缆线路由3 根扩至4 根3×240 mm 电缆，断路器扩容改造为3 150 A，实现三路进线容量均衡配置，为运行方式转化提供设备保障。

（3）调整烧结余热发电并网母线，通过原料站10 kV 三母线并网至铁前站10 kV 三母线，减少铁前站10 kV二母线发电机组数量。

（4）在原料站四母线并网的烧结余热发电与处在三母线的烧结余热保安电源进行调整，保安电源倒至原料站10 kV 一母线运行，保证烧结余热发电配电室双电源。

（5）铁前——原料站方式进行调整，采取三段式独立运行方式，对比原来的两段式运行方式，系统网络缩小，短路阻抗增加，铁前站四段母线发电机组数量少1个。

3.2.2 在不投运铁前站2#变、不增加变压器容量费的前提下，优化系统内发用电负荷分配，实时监控调节系统的运行方式，保证发用电负荷的动态平衡，减少冲击性负荷对发电机组的影响，从运行方式中提高系统的经济稳定性。

（1）将铁前站内负荷调整分配至两个系列段，重点是10 kV 二、三母线的负荷调整优化，在确保各二级配电室都有两路可靠的电源点的基础上，兼顾方式变化和检修便捷。

（2）对系统内用电负荷和发电情况进行综合布置，将稳定负荷和发电机组出力均匀的进行组合，重型冲击负荷和系统容量余量大的主变相组合，母线负荷按照发电机组N-1 模式进行调节，保留系统具有适度的余量可以进行调整，可以最大限度提高系统的安全稳定。

（3）根据发电负荷就近消耗的原则，调整铁前站1#干熄焦配电柜在物理联结上的位置，使得发电和用电负荷在流经母线桥结点的前一个环节进行自动分配，大幅度消减母线桥实际流过电流，较好地解决了母线桥负荷偏大，运行风险大的难题。

（4）在事故或紧急状态下，以2#备用变压器为中心来化解系统较大风险，铁前变电站现有方式保证能够经过简单调整后，随时投入系统当中。

（5）将大型、高线等冲击负荷与烧结余热发电机组出力波动大的母线段分离，避免波动的叠加效应带来主变负荷的剧烈波动。

（6）系统规划新增脱硫脱硝负荷后的铁前站系统供电方式，积极稳妥进行负荷倒换，涉及一钢、大型、焦化和线棒、原料场和烧结等负荷，倒换电缆14路。

3.2.3 对各母线段进行电容电流和谐波电流的测试和监控，对站内接地变、消弧线圈进行扩容，增加电容电流的补偿量，优化系统运行参数，解决系统内因电缆接地引发的故障高发问题。

3.2.4 对主变压器加装风冷控制装置，对10 kV 主进断路器和隔离刀闸进线梯级扩容、将原来小车式断路器改造成母排固定搭接式接线，以整体提高一次设备的带负荷能力，消除主体设备的薄弱点，提高整个系统的保障能力，稳定系统抵御负荷冲击和抵抗风险的能力。

3.2.5 优化铁前系统内发变电设备的各级保护及综合自动控制装置的配置，杜绝开关误动作和越级跳闸事故，避免发电机组高低周、失步或故障时对系统的影响，提升系统的稳定性，缩小事故影响面，降低事故损失。

3.2.6 对1#TRT 加装短路限流装置，烧结发电和TRT发电并网开关采用快速大容量开关，以限制系统内的短路电流，保证并网开关、进线开关的可靠动作，避免系统性事故。

4 实施效果

（1）经济运行模式下，变电站综合调节系统有功、无功负荷，各发电机组的发电量转化为生产用电，转化率达到100%，实现了零返送的目标。站内总体功率因数持续保持在0.9 以上，在创造了经济效益的同时，无功补偿的故障率也减少40%，并且增加发电效益、降低站内运行成本上效果显著。

（2）通过对现有铁前站——原料站10 kV 电网的主接线和运行方式的优化调整，使得铁前站供电网络分离为相对独立的3 个小网，实现了系统短路故障时，影响面被限制在各个单一网络内，减少了低电压的波及面，由50%变为34%，这样对于系统稳定起到了很好的作用；再者有效限制了系统的规模，系统内短路阻抗增加，发电电源点的叠加效应减弱，铁前站3#主变所带单一网路短路电流能够限制在24 kA以内，系统内设备得到有效保护。

（3）对TRT 并网开关采用并联大容量高速开关装置（FSR），既满足了电力系统对短路保护的需求又可以降低线损电抗器损耗，同时它可在短路电流上升的初始阶段，将短路电流开断(少于1 ms)，使其不能以短路电流的峰值流向短路点，从而达到保护发配电设备及供电线路的目的。这不仅对系统安全、可靠的运行显得十分重要，同时可降低线损和电抗器损耗20%以上，有效提高发电机组效力，实现发电机运行效益最大化。

（4）对变电站四段母线的消弧线圈进行增加或扩容、合理布置消弧线圈的分布、制定10 kV 母线并列操作时消弧线圈控制器的控制方式，使铁前变电站10 kV 系统运行参数得到优化，在任何运行方式下都能及时补偿电容电流，改造后系统内单相接地故障都能够得到较好的处置，电缆接地故障导致的放炮事故为零，有效提高了铁前变电站10 kV 系统的供电可靠性，保证邯钢新区电力系统的安全稳定运行。

（5）按照新的系统运行方式及负荷优化平衡思路，进行了一系列的组合调整，铁前站系统在经济运行模式下，基本实现了母线新的分列运行，各配电室独立的双电源点得到保证；发电和用电两类负荷合理搭配，各子系统主体设备负荷波动幅度大、设备长期频繁过载问题，都得到了有效缓解；在系统出故障时，备用主变能够随时投入，可以抵御较大的系统性风险。

（6）系统的均衡化配置，减轻了主变和母线段的冲击性，有利于电力系统的稳定；在反送电控制、功率因数补偿等调节上，以及应对发电机突发停机故障时，系统调节手段灵活，提高系统的稳定性的同时，增加了系统的经济运行参数的优化。系统的运行方式更加灵活，系统内设备故障率进一步降低。

（7）使铁前系统的总体运行方式灵活性加强，系统平衡度变好。主变总体负荷有效波动范围限制在35%以内，约2 万kW。

（8）在正常运行方式下，系统通过机组均匀配置，控制同母线段的并网机组数量，减少系统内短路电流容量约8 000 A（1.8 万kW机组的短路电流），可以确保系统短路电流远离限值。

（9）系统内不发生故障时，能够避免多台机组联锁跳机性故障，同时消除了原料站内越级跳闸问题，缩小了故障影响范围，保证了系统的供电平稳。

5 结束语

以上各项安全经济运行措施科学有序实践应用后，电气事故率降低了80%以上，全面提高了钢铁企业的供电质量控制和供电经济可靠性，保障了企业“电力大动脉”的畅通无阻和发供用电电力系统的综合效益最大化。