廠用電增設啟動備用變壓器的選型及仿真分析

肖海鵬

(中山嘉明電力有限公司，廣東 中山 528437)

廠用電增設啟動備用變壓器的選型及仿真分析

肖海鵬

(中山嘉明電力有限公司，廣東 中山 528437)

廠用電系統的穩定可靠是發電廠安全穩定運行的基礎。通過對某電廠升壓站及廠用電接線方式的分析，結合實際情況，針對廠用電系統所存在的問題和隱患，提出了增設啟動備用變壓器的改造方案，以解決廠用電供電系統存在的缺陷，保證廠用電系統供電的可靠性。

廠用電；主變壓器；啟動備用變壓器；改造

0 引言

某電廠2期項目裝備2臺390 MW燃氣-蒸汽聯合循環發電機組，發電機出口電壓為19 kV，經發電機出口斷路器GCB與主變壓器相連接，以單元制形式接入220 kV系統。2期項目設獨立的220 kV升壓站，采用雙母線接線方式。廠用電正常運行狀態下由主變壓器-高壓廠用變壓器倒送，并與鄰機互做備用。

1 方案的提出

廠用電系統采用6 kV和400 V 2級電壓。每臺機組設置1臺高壓廠用變壓器，其高壓側由主變壓器低壓側引接。機組正常啟停時，通過主變壓器-高壓廠用變壓器倒送廠用電源。高壓廠用變壓器低壓側分為2個分支，分別作為本機6 kV段工作電源及鄰機的備用電源，2路6 kV電源之間由快切裝置實現備用。當1臺主變壓器或高壓廠用變壓器故障，或主變壓器及高壓廠用變壓器需停運檢修時，2臺機組廠用電將只有1路電源供電，機組處于無備用電源狀態。此時如果工作電源出現故障，將直接導致全廠停電事故發生。

針對此種情況，現提出加裝1臺啟動備用變壓器作為廠用電備用電源，以解決鄰機主變壓器或高壓廠用變壓器檢修造成運行機組廠用電單電源問題，提高機組廠用電供電的可靠性。

2 變壓器的選型

改造前，電廠6 kV廠用電2路電源均引自220 kV升壓站，每一路都經由1臺主變壓器及1臺高壓廠用變壓器接至6 kV母線?，F有主變壓器為強迫油循環風冷雙繞組變壓器，型號為SFP10-480 000/220，額定容量Sn=480 000 kVA，額定電壓Un=229.9 kV，聯接組別YNd11，負載損耗Pk=869 kW，空載損耗P0=153.6 kW，阻抗電壓Uk=14.14 %，空載電流Ik=0.06 %?，F有高壓廠用變壓器為油浸自冷雙繞組變壓器，型號為SZ10-25 000/19，額定容量Sn=25 000 kVA，額定電壓Un=19/6.3 kV，聯接組別Dd0，負載損耗Pk=90.9 kW，空載損耗P0=14.7 kW，阻抗電壓Uk=8.03 %，空載電流Ik=0.07 %。

現計劃加裝啟動備用變壓器，改造后的工作電源與備用電源來自同一升壓站系統(當母聯斷路器合閘運行時)，考慮到6 kV自投切換方式的串聯切換問題：串聯切換斷路器先分后合，使6 kV母線失電，可能使一些輔機跳閘，不能保證負荷的安全；若串聯切換時工作電源斷開后，備用斷路器拒動，將造成6 kV母線失電事故。因此，在有條件的情況下，應盡量在正常手動切換廠用電過程中，使用并聯切換方式。廠用電并聯切換過程，相當于電磁環網的短時合環。合環時，2路電源之間存在相位差，導致合環點產生功率潮流。功率潮流過大，會損傷變壓器，也可導致保護動作。由于線路的電阻及阻抗相對較小，現設電阻為0，即線路只有電抗，則合環時功率潮流為：

其中：U1為工作電壓；U2為備用電壓；δ為U1與U2之間的相角差；X為整個環網的阻抗和；P為有功潮流；Q為無功潮流。

從式(1)可知，為減小工作電源電壓與備用電源電壓之間的相位差，應盡可能減小合環過程中的有功潮流。根據電廠情況，當升壓站母聯斷路器合閘時，啟動備用變壓器與主變壓器的電源一致。主變壓器聯接組別為YNd11，二次側線電壓在相位上超前一次側線電壓30°；高壓廠用變壓器聯接組別為Dd0，二次側線電壓與一次側線電壓同相位，則工作電源6 kV側線電壓在相位上超前220 kV側線電壓30°。因此，在進行啟動備用變壓器選型時，應選擇二次側線電壓在相位上超前一次側線電壓30°，選定其聯接組別為YNd11。

升壓站母聯斷路器分閘，雙母線分裂運行，當2段母線供電分別引自不同升壓站時，由于6 kV工作電源及備用電源來自不同系統，工作電源電壓與備用電源電壓相位差大，若采取并聯切換將產生較大的有功潮流。因此，在此種運行方式下時，6 kV廠用電的切換方式應定為串聯切換。

從式(2)可知，無功潮流的大小取決于工作電源與備用電源的電壓差，減小工作電源與備用電源的電壓差，可使合環點的無功潮流盡可能小。因此，可選用加裝的啟動備用變壓器為有載調壓，在切換前先對備用電源電壓進行調整，以減小電壓差。

主變壓器為無載調壓方式，正常運行時其分接頭位置不變；主變壓器分接頭在5檔位置時，主變壓器變比為：

高壓廠用變壓器為有載調壓方式，正常運行時分接頭位置在9b檔，即高壓廠用變壓器變比為：

因此，在正常情況下，啟動備用變壓器應運行的分接頭位置變比為：

當選定啟動備用變壓器時，其額定電壓為230 ±8×1.25 %/6.3 kV，運行檔位應該在9b檔。檔位選定后，當升壓站母線電壓為230 kV時，其6 kV側電壓差為：

式中：｜U1｜為高壓廠用變壓器低壓側電壓，U2為啟動備用變壓器低壓側電壓。

啟動備用變壓器容量可選擇與高壓廠用變壓器容量一致，即25 MVA，備用電源可達到100 %容量備用。啟動備用變壓器選用油浸風冷三相雙繞組有載調壓變壓器，型號為SFZ-25 000/220，額定容量Sn=25 000 kVA，額定電壓為230±8×1.25 %/ 6.3 kV，聯接組別YNd11，負載損耗Pk=101.31 kW，空載損耗P0=24.96 kW，阻抗電壓Uk=10.07 %，空載電流Ik=0.426 %。

3 仿真分析

3.1 仿真模型的建立

根據設計方案，利用Matlab軟件建立仿真模型，如圖1所示。其中：3B為主變壓器，03T為高壓廠用變壓器，05T為計劃增設的啟動備用變壓器，2203斷路器為3B主變壓器高壓側斷路器，2205斷路器為05T啟動備用變壓器高壓側斷路器，6303斷路器為03T低壓側6 kV母線工作進線斷路器，6503斷路器為05T低壓側6 kV母線備用進線斷路器，Load Breaker為6 kV段負荷斷路器。

3.2 仿真分析

將變壓器參數輸入仿真模型中，為方便觀察各相關電氣量的變化，設計了以下仿真方案(設定6 kV段負荷大小為1 MW)。

3.2.1 方案1

(1) 所有斷路器(Breaker)初始狀態均設定為斷開狀態。

(2) 3B主變壓器高壓側斷路器2203、05T啟動備用變壓器高壓側斷路器2205、6 kV段負荷斷路器Load Breaker在系統運行后0.1 s合閘，6 kV工作電源及備用電源三相電壓的大小和相位均相同。

(3) 系統運行0.2 s后，03T低壓側6 kV母線工作進線斷路器6303合閘，此時6 kV系統為正常運行狀態，即6 kV母線由高壓廠用變壓器供電，啟動備用變壓器備用。高壓廠用變壓器帶負荷后，電流波形良好，其相電流幅值為128 A。

圖1 Matlab仿真模型

(4) 系統運行0.5 s后，05T低壓側6 kV母線備用進線斷路器6503合閘；系統運行0.8 s后，03T低壓側6 kV母線工作進線斷路器6303分閘。此0.5～0.8 s的仿真過程即為模擬6 kV電源并聯切換的過程。

觀察6 kV電源并聯切換的模擬結果，05T低壓側6 kV母線備用進線斷路器6503合閘后，負荷從高壓廠用變壓器向啟動備用變壓器轉移，至0.15 s后基本穩定。此時高壓廠用變壓器低壓側相電流幅值為69 A，啟動備用變壓器低壓側相電流幅值為62 A，2臺變壓器負荷分配為高壓廠用變壓器占約53 %，啟動備用變壓器占約47 %，負荷分配基本均衡，未出現大的環流。系統運行0.8 s后，并聯切換完成，負荷轉由啟動備用變壓器供電，整個切換過程電流波形未出現畸變。

3.2.2 方案2

(1) 所有斷路器(Breaker)初始狀態均設定為斷開狀態。

(2) 3B主變壓器高壓側斷路器2203、05T啟動備用變壓器高壓側斷路器2205在系統運行后0.1 s合閘。

(3) 系統運行0.2 s后，03T低壓側6 kV母線工作進線斷路器6303合閘；系統運行0.3 s后，05T低壓側6 kV母線備用進線斷路器6503合閘，6 kV母線未帶負荷。在0.2～0.3 s期間，工作電源斷路器6303合閘而備用電源斷路器6503分閘時，高壓廠用變壓器及啟動備用變壓器低壓側電流為0；在0.3～0.4 s期間，工作電源斷路器6303和備用電源斷路器6503均合閘時，此時高壓廠用變壓器低壓側電流與啟動備用變壓器低壓側電流大小相等，方向相反，存在環流。環流大小約為10 A，相對較小。

(4) 系統運行0.4 s后，6 kV段Load Breaker合閘，6 kV段帶負荷，原來的環流在合閘瞬間電流方向一致，2臺變壓器共同分擔6 kV段所帶負荷。03T高壓廠用變壓器低壓側電流約70 A，05T啟動備用變壓器低壓側電流約60 A，即高壓廠用變壓器03T所帶負荷約占54 %，啟動備用變05T所帶負荷約占46 %，負荷分配基本均衡。

(5) 系統運行0.8 s，05T低壓側6 kV母線工作進線斷路器6503分閘，系統運行0.8 s后，啟動備用變壓器05T退出運行，原啟動備用變壓器05T所帶負荷轉由高壓廠用變壓器03T供電，電流波形未出現畸變。

分析可知，通過選用適當型號的啟動備用變壓器，當啟動備用變壓器與主變壓器電源來自同一系統時，可實現6 kV電源的并聯切換，不會在系統中形成大的環流；當啟動備用變壓器與主變壓器電源來自不同系統時(母聯斷路器2056分閘運行且啟動備用變壓器與主變壓器電源取自不同母線)，只能進行6 kV電源的串聯切換。

4 總結

當1臺主變壓器或高壓廠用變壓器故障需停運，2臺機組的廠用電將只有1路電源供電，存在無備用電源狀態的廠用電安全隱患?，F提出了加裝1臺啟動備用變壓器作為廠用電備用電源，以解決鄰機主變壓器或高壓廠用變壓器檢修時造成的運行機組廠用電單電源問題。

通過對變壓器合環條件分析，確定啟動備用變壓器的技術參數，并通過建立仿真變壓器模型，對啟動備用變壓器投運進行仿真曲線分析。仿真結果表明：加裝1臺啟動備用變壓器的方案是可行的。

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5 郭 剛．一起廠用電切換不成功導致的跳機事故分析[J].電力安全技術，2011(2)．

2014-11-30。

肖海鵬(1985-)，男，工程師，主要從事燃氣輪機發電廠運行工作，email：13590768562@163.com。