启备变改冷备用.doc

大型发电厂节约厂用电方式实践及新技术应用
林跃 余智 贺国刚
（纳雍发电总厂    贵州 纳雍 553303）
[摘要]：重点介绍了抑制涌流的原理，这一原理打破了对变压器励磁涌流成原的传统认识，并将对电力系统节能降耗及继电保护带来深刻的变化。本文以纳雍发电总厂为例，阐述了通过改变厂用电运行方式来达到节约厂用电费用的目的，通过抑制启备变空投时的励磁涌流来保证厂用电事故切换的安全可靠。大型发电厂厂用电量很高，在厂用电典型设计中通常采用启备变热备用方式，很不经济。[关键词]：厂用电、微机快切装置、涌流抑制器、备自投

一、引言：
   大型火力发电厂既是电的生产者同时也是用电大户，由于安全和生产流程的需要，发电厂用的电不完全是自己生产的电，特别是厂网分家后，下网电同发电厂自己生产的电价格差异巨大，造成生产成本加大，纳雍发电总厂2005年一年的下网电费高达近2000万元人民币，启备变空载损耗电费近80万元人民币。节能降耗也是电力企业必须解决的问题，直接体现在对厂用电电量及电费的节约上，即如何降低综合厂用电率上。为此，纳雍发电总厂在原来典型设计基础上兼顾安全性和经济性花费月80余万元做相应技术改造，将启备变热备用改为冷备用，配合灵活的运行方式，来达到降低厂用电费用的目的。仅启备变空载损耗一项，1年左右就可收回成本。
二、节约厂用电运行方式的探讨：
1、典型6kV及以上厂用电系统评估及改造（以纳雍发电总厂1,2#机组为例）：
 图1
如图1，1,2#机组各设置一台40MVA的高压厂用变压器，高压厂用变压器低压侧为分裂绕组接带两段6KV厂用工作段。1,2#机组共设置一台40MVA的高压启动/备用变压器，高压启动/备用变压器低压侧为分裂绕组，与6KV厂用工作段对应，高压启动/备用变压器低压侧设置四个6KV厂用工作段备用分支，两个6KV厂用公用段备用分支6KV厂用工作段备用分支。高厂变高压侧为发电机出口20kV电压，启备为110kV系统电压。对于110kV系统，一、二厂均为内桥式接线，两条线路开关通过桥开关110连接，#2号启备变对应3、4号机（图1未画）。由于启备变采用的是热备用方式，高厂变与启备变通过厂用电快切装置在分支侧实现事故切换。
1.1、启备变热备用方式的安全性和经济性：由图1可知，启备变热备用的安全性很高，主要体现在机组事故时投入启备变低压侧开关即可，实现起来简单方便，对于启备变本身来讲也可避免变压器空投时励磁涌流对继电保护的影响，但由于启备变长期处于热备用状态，对变压器使用寿命有很大影响，同时对启备变的预试、保护装置的定检及漏油等诸多工作带来安全影响，甚至无法开展，这对厂用电来说也是很大的安全隐患。
经济上，启备变处于热备用，用的是下网电价，下网电价是电厂销售电价的2倍。两台机组正常运行时，启备变处于空载，如果为冷备用方式，就完全节省这笔空载损耗；在一台机检修时，尤其是大修阶段，该机组的厂用电均由启备变带，如果这时的厂用电是电厂自己生产的，电价将降为1/3左右，节约的厂用电费用就更加可观了。
1.2、启备变热备用转冷备用实现方法：从实现技术上来说并不难，改变原厂用电切换方式，利用微机快切装置，机组事故时把合低压侧分支开关改为合启备变高低压侧开关。关键问题是如何解决启备变空投时产生的励磁涌流带来的危害，让备用电源能安全可靠地投入。纳雍发电总厂采取的技术保障措施为：A、利用励磁涌流抑制装置，抵消合高压侧时启备变产生的励磁涌流，以防启备变差动误动。B、利用多微机同期快切复用装置，捕捉最佳厂用电切换时机合高低压侧开关，以保证厂用电备用电源的可靠投入。
1.3、启备变冷备用下的节电运行方式：由上述可知，启备变冷备用的实现在技术上是没有问题的，如果配合上灵活的运行方式，节电的效果更加明显，厂用电更加可靠。纳雍发电总厂采取的方法为：
1.3.1、单元集控下的两台机组正常运行时：启备变高低压侧开关处于断开位置，当某台机事故时启动对应的微机快切装置配合涌流抑制器合启备变高低压侧开关投入备用电源。如图1，在＃1、2发电机正常运行方式下，启备变为冷备用时，110KV线路107、内桥110开关断开备用，6KV厂用电备用电源进线开关6103、6104、6203、6204、6011、6012断开备用，当1号机（以1号机为例）事故切换厂用电时，微机快切装置将投上110KV线路107开关，6KV工作I段备用电源开关6103、6104，因在合107开关时启备为空载投入状态，将产生很高的励磁涌流，所以快切装置必须配合涌流抑制器。
1.3.2、单元集控下一台机运行一台机检修时：将检修机组的厂用电通过两台机组6kV工作段的备用电源进线开关作为联络由运行机组带，运行机组事故时启动微机快切装置通过涌流抑制器合启备变高压侧开关即可，再配合该运行方式下的继电保护定值，以保证安全切除6kV分支不同故障下的故障点；这种运行方式下，400V侧厂用部分由备自投装置通过明备用方式进一步对厂用电的安全和效率进行完善。如图1, （以1号机为例）在1号机运行，2号机检修时，110KV线路107开关断开备用， 6KV工作IIA段6203开关合闸，6KV工作IA段、6101、6103开关合闸，6KV工作IIB段6204开关合闸，6KV工作IA段6102、6104开关合闸，当一号机事故切厂用电时，微机快切装置发指令合线路107开关即可。即实现了2号机厂用电通过1号机厂用电带，这样2号机检修时的厂用电均为1号机发的电，节约了下网电价。这样方式下将出现这样的问题：A、由图1知＃1、2高厂变，启备变低压分支是通过100Ω电阻阻接地，厂用电系统为中阻接地系统，如果将＃1、2高厂变和启备变低压分支并联的话，其零序阻抗将发生变化，变为原来的1/3了，这样厂用系统变成大电流接地系统了，原来的零序保护定值将不能满足要求；B、如果6KV厂用段相互带的话，进线开关负荷也发生变化，高厂变和工作电源进线开关容量是否满足要求，继电保护定值选择性如何调整，必须做详细的方案。通过对纳雍电厂厂用负荷的计算和继电保护装置功能的考查，通过保护定值之间的配合可以安全地解决上诉存在的问题。
1.3.3、当调度安排110kV某条线路检修时：冷备用实现起来就要复杂化，降低了可靠性，从本厂厂用电和系统的安全角度出发，这种运行方式下，两台启备变通过一条线路由桥开关110连接，处于热备用状态。
1.4、厂用电正常切换时的补充：机组在启停机工程中需要倒换厂用电，为了保证厂用的可靠运行通常采用并联半自动方式，即同期合上备用（或工作）电源开关后，手动拉开工作（或备用）开关，这样厂用部分合环时间过长，对系统及厂用负荷都有影响，故益采用并联全自动方式，和环时间控制在500mS。
2、400V公用段及辅助厂房段备自投方式评估及改造（以纳电二厂为例）：
  二厂400V段均采用暗备用方式如图2：

图2
正常运行时，#1消谐器带400VI段运行、#2变压器带400VII段运行，联络开关热备用，两台变压器形成暗备用运行方式。当某一台变压器故障时，由BZT装置自动合上联络开关，由另一台变压器带两段400V运行。
2.1、暗备用方式的安全性：从400V厂用电安全稳定来说很理想，不论400V段母线I段还是II段失电，另一段均正常运行不受影响，BZT动作合上联络开关后失电段就可以恢复正常供电。
2.2、暗备用方式的经济性：A、由于400V段负荷在正常运行时并不完全是满负荷运行，两台变压器带两段母线效率很低，在两台机满负荷运行情况下，对400V公用段及辅助厂房段变压器负荷率统计计算为30~40%Ue；B、对于辅厂房400V段，在一台机组停运时，6kV公用段的其中一段就得由启备变带，对应的400V段也就是由启备变带了，由于电价的巨大差异就很明显地影响厂用电的经济性；
2.3、暗备用方式下改变运行方式的经济性和安全性：如果暗备用方式下，在一台发电机运行，另一台发电机检修的状况下，辅厂房400V段为提高经济性，要通过改变运行方式来完成，即：把由启备变经6KV公用段带的辅厂房400V段，倒换到由厂高变经6kV公用带的400V段运行，在这种运行方式下，由于BZT为暗备用，BZT不再起作用。当高厂变带6kV公用段厂用电事故失电时，400V段将全部失电，而且只能人工恢复，对厂用电安全性构成威胁，所以在暗备用方式下不宜改变运行方式，只能牺牲变压器效率，影响经济性。
2.4、暗备用改为明备用的最佳方法：为兼顾400V运行的安全性和经济性，同时节约改造成本，立足于纳电二厂400V备自投装置的运行实际，采用变压器热备用方式，通过修改装置逻辑的方法达到图2的明备用方式： 

A、DL3、DL5合闸，DL4分闸时
DL3跳闸        合DL4   DL5跳闸     合DL4
I、II段母线失电，跳开DL3，合上DL4。   II段母线失电，跳开DL5，合上DL4。
B、DL4、DL5合闸，DL3分闸时
DL4跳闸         合DL3  DL5跳闸       合DL3 
I、II段母线失电，跳开DL4，合上DL3。  I段母线失电，跳开DL5，合上DL3。
经过试验，纳电二厂未花1分钱的情况下，开创了国内的第九种备自投方式（目前国内只有8种备自投方式），实现了有备自投装置的400V侧电源的安全经济运行方式。

三、保证启备变冷备用安全可靠的新技术介绍：
1、  变压器励磁涌流抑制原理：
变压器励磁涌流不仅导致继电保护误动，由其衍生的电网电压骤降、谐波污染、和应涌流、铁磁谐振过电压等都给电力系统运行带来不可低估的负面影响。数十年来人们通过识别励磁涌流特征的方法来减少继电保护的误动率，但并未获得良好的回报，误动率仍居高不下。至于对电压骤降、谐波污染、和应涌流等的消除更一筹莫展。究其原因是人们认为励磁涌流的出现不可抗拒，只能采用“识别”的对策，即“躲”的对策。其实，换个思路——“消灭”，是完全可以实现的，而且已经实现了。
变压器励磁涌流产生的成因是：当变压器任何一侧发生电压骤增时，基于磁链守恒定律引起的瞬变过程产生偏磁导致铁心过度饱和，进而使变压器励磁电流急剧增大，其数值可达正常运行空载电流的近百倍。由于变压器绕组电阻R的存在，因此励磁涌流会按时间常数τ=L/R衰减，L为绕组的电感，大容量变压器的衰减速度慢于小容量变压器。励磁涌流的出现增加了变压器继电保护装置误动的概率，这是因为保护装置难以正确识别励磁涌流和故障电流的差别。尤其是差动保护在变压器空载投入（差动区内无故障）、差动区外故障切除后穿越电流及过激磁都可能引起误动。尽管长期以来人们使用了诸如二次谐波制动判据、五次谐波制动判据、低电压加速判据、波形对称制动判据、三相差流及差流导数比值制动判据、间断角原理及其他数学物理方法等等对策，至今仍无法彻底解决保护误动问题，这是因为不论何种数学和物理方法都难以应对多变的励磁涌流形态。因此，重新调整思路就成为必然要面对的选择。
在最经典的变压器论著中都可找到关于变压器瞬变过程的理论分析，人们早就证明不论是变压器空载合闸到电源上，或是变压器出线发生突然短路，所引发的励磁涌流或短路电流与合闸或短路时的电压初始相角有关，而且都是在电压初始相位α=π/2或3/2π时，励磁电流或短路电流的暂态分量都为零，即此时变压器的工况直接进入稳态。而当电压初始相位α=0或α=π时，励磁电流暂态分量经过半周期后将达最大值，这就是励磁涌流。显然，这给人们一个明确的提示，即如果选择空投变压器的时刻落在α=π/2或3/2π瞬间，将可彻底抑制励磁涌流，对于三相变压器，由于A、B、C三相电压的相位各相差2/3π，当使用分相操作断路器时，通过分相分时操作也可彻底抑制励磁涌流，但由此会引起短暂的非全相运行。当使用三相联动操作断路器时，靠捕捉电源电压α=π/2或α=3/2π相位合闸已不可能。为了实现对三相励磁涌流的完全抑制，且采用三相联动操作断路器，通过理论分析及大量试验，我国研究人员获得了完全抑制三相励磁涌流的控制算法，按此算法构造的励磁涌流抑制器通过对变压器剩磁及空投角的精确控制，实现了在电压骤增时变压器平稳进入稳态运行。
2、  变压器励磁涌流抑制方法：
励磁涌流是空投变压器瞬变过程中产生的偏磁导致磁路饱和诱发的，因此，在变压器空投时，如能使偏磁与原磁路剩磁抵消即可实现对涌流的抑制。前已述及，可以通过获取切除运行变压器电源电压相位角的方法测算磁路剩磁的极性及数值，再在下次投入变压器电源时选择恰当的合闸相位角，使瞬变过程产生的偏磁去抵消原来的剩磁。这样磁路将不进入饱和区，从而实现涌流被彻底根除的目的。
将变压器切除时的相位角所产生的剩磁ФRes与变压器空投时相同相位角所产生的偏磁Фp的相关性列入表1。
表1在切除角及投入角相同时剩磁与偏磁列表电气公司
切除/投入角α
0
π/2
π
3π/2
2π
剩磁Фres
负最大
0
正最大
0
负最大
偏磁Фp
正最大
0
负最大
0
正最大

由此得出一个具有重要意义的结论：当变压器合上电源的相位角与前次切除电源的相位角相同时励磁涌流被彻底消除。此时在三相磁路中的剩磁被偏磁抵消，因而磁路不会饱和。理论和大量试验证明这一结论对任意相位角分、合都适用，且对单相和多相变压器也都适用。
从表1中也可看出，如采取单相变压器在α=π/2时切断电源，此后在α=π/2时空投充电，这是一个最理想的操作，因这是在剩磁为零且偏磁也为零时完成空投操作的。
应该特别指出，变压器断电后磁路中的剩磁数值会受到一些因素的影响而减少，例如对铁心加温，使铁心中的部份磁畴的磁效应抵消；铁心受到严重撞击；变压器周边有运动的导磁体旁路磁力线等。但安装在电站中的电力变压器一般不会发生前述情况。尤其应强调的是：不论何种因素都不可能改变剩磁的极性。在消除励磁涌流的机理中重要的是用偏磁抵消剩磁，而剩磁的数值不可能大于总磁通的幅值Фm。但偏磁的最大值则可等于Фm，只要偏磁极性与剩磁相反，就一定能抵消剩磁，磁路就不会进入饱和区，励磁涌流当然不会出现
3、变压器励磁涌流抑制方法的应用：
励磁涌流抑制器由微处理器及相应控制电路组成，系统原理框图如图3所示
    励磁涌流抑制器随时对变压器电源的三相电压进行相位角采样，以实现在规定合闸相位角合闸，断路器的分闸时间及合闸时间均预先作为整定参数输入抑制器。由人工或保护装置发来的分闸指令，直接对三相断路器实行分闸操作，抑制器通过对电压、电流及辅助接点的采样获取分闸瞬间的电源相位角。此后，当人工或自动装置发来合电源指令时，抑制器根据此前记录的分闸相位角及整定的断路器合闸时间，通过计算捕捉首次出现的相同于前次分闸相位角的相位角实现合闸操作，完成无涌流空投变压器。在分、合闸时通过断路器辅助接点的变位信号自动测量出断路器的分闸及合闸时间，作为修改整定参数的依据。考虑到断路器主触头与辅助接点的动作存在时间差。励磁涌流抑制器还附有专供测量辅助接点与主触头时间差的附件，在主触头脱离高压电源时进行测量，此时间差测量值可输入涌流抑制器修正原设置的合闸及分闸时间。更多资料请访问电力知识问答。
3、 变压器励磁涌流抑制方法应用的实践：
励磁涌流抑制器抑制涌流波形图
图4：未抑制励磁涌流的合闸波形

图5 抑制励磁涌流后的合闸波形

四、结束语：
   大型发电厂通过启备变冷备用运行方式节电是必然趋势，全国新投运机组超过30%的电厂采用启备变冷备用方式，如何合理科学地结合自身运行方式和技术条件，是发电厂要认真思考和论证的问题，新电厂可以通过设计施工一次性完成，已投运电厂则要充分利用现有条件安全可靠地进行改造，以最小的投入获得最大的效益。技术人员应主动掌握应用新技术，使之结合实际敢于实践，让新技术真正转化为企业的生产力。

作者介绍：林跃，男，硕士，纳雍发电总厂生产副厂长。
          余智，男，本科，纳雍发电总厂电热分场主任
          贺国刚，男，中专，纳雍发电总厂电热分场二次班班长