第一章 緒論第一節 火力發電廠的廠用電系統及負荷分類任一較現代化的工礦企業在進行生產時，必然要使用一些用電動機械。工廠越現代，這些電動機械一般就越多，向其供電的系統也越復雜。在設計與生產中，我們稱這些電氣負荷為“廠用負荷”，而將供電系統稱為“廠用電系統”，而組成這套廠用電供電系統的設備則稱之為“廠用電設備”。火力發電廠也一樣，發電機需汽輪機來拖動，而驅動汽輪機的蒸汽又來自鍋爐，圍繞著這個主系統，有許多的子系統為其服務，這些子系統又都是由成百上千的電動機機械組成的。例如電廠的鍋爐在運行時，需燃料系統為其服務，這系統就由翻車機系統、堆料取料機系統、碎煤機系統及皮帶輸送機系統組成。而翻車機系統又由重車拖動機械、空車拖動機械、空車平臺移動機械及翻轉機械等組成。這些大大小小的廠用機械需有機地結合起來一起工作，才能保證發電機組正常運行，并輸出電力。這些為保證電廠安全運行的全部電動負荷，都統歸在發電廠的廠用電范圍中。人們習慣地將廠用電負荷分類，以便于統一管理并分類供電，由于使用的角度不同，分類的方法也不相同，常用的分類方法有以下幾類。一、 按電源的種類分類根據廠用電負荷所用電源的種類，可分為交流廠用電負荷（以下簡稱廠用負荷）及直流廠用負荷，由此對其供電的電源也按其種類分為交流電源和直流電源。絕大部分的廠用負荷使用交流電源，因為該電源可從發電機出口及電力系統經降壓獲得，運行、維護都是很方便。而那些必須用直流電源或在全廠各種交流電源消失后仍需繼續運行的負荷，則由另設的直流電源供電，如各種控制、保護、通信系統及直流電機等。有一種負荷，雖然也運行在交流電壓下，但究其電源，卻是由直流電源供電，經逆變器或不停電電源（UPS）將其轉換為交流電源后使用的。這種負荷我們按其實際使用的電壓，仍稱其為交流負荷。將負荷按電源種類分類，可以使設計者了解負荷的電源要求，以及計算交直流各電源的容量，并將負荷按其電壓性質分別接入不同系統，而運行人員據此可很容易地找到該負荷的供電系統。二、 按電源的電壓等級分類廠用負荷按其供電電壓可分為高壓廠用負荷和低壓廠用負荷。在我國的火力發電廠中，一般高壓廠用電壓有10kV、6kV及3kV三種，其中6kV最常見。在少數老電廠或從國外引進的大機組電廠中，也存在10kV及3kV的電壓等級。老電廠的3kV系統是由解放前延續而來，現已基本改造完畢。而個別與國外聯合設計的新型大容量電廠，因考慮發電機進相運行時大電動機的自啟動電壓要求，也出現過10kV及3kV兩個高壓廠用電系統。發電廠的低壓廠用電應包括交流廠用電和直流廠用電，但習慣上人們將低壓交流廠用電系統稱為“低壓廠用電系統”，而將直流廠用電系統單獨劃為“直流系統”。電廠的低壓廠用電電壓等級，一般為380/220V。如果電廠采用的是中性點不接地系統，那么其低壓廠用電電壓為380V；如果電廠采用的是中性點直接接地系統，那么其電壓則為380/220V。為減小短路電流水平，節約銅等有色金屬的消耗，近來有人提出增加660V這一級電壓，但至今響應者不多。在廠用電系統中設計中，將根據廠用負荷的容量大小來決定此負荷應接入高壓系統還是低壓系統。如把較小的負荷接入6kV廠用高壓系統，那么其繞組將極細而絕緣又極厚，不僅工藝較難，且不經濟。反之也同樣。根據我國的制造工藝及經濟比較，把高低壓廠用負荷的界限定于200kW，即當負荷容量大于及等于200kW時，應將其接于6kV系統；而小于200kW時，則接于380/220V系統。當然，在就地沒有6kV系統，而低壓廠用電系統的容量又足夠大時，也允許將略高于200kW的負荷接于低壓廠用電系統中。當廠用電壓為3kV時，與低壓廠用電系統的負荷容量分界線定在100kW較為合適。直流廠用電的電壓一般為220V及110V，在中小型發電機組中，直流動力及控制為一個供電系統，所以常用220V一級直流電壓。在大型機組中，要求將直流的動力和控制系統分開供電，所以往往采用220V和110V兩種電壓，前者為動力系統電源，后者為控制系統電源。也有個別的直流設備電壓要求為75V、15V或其他電壓等級，這類負荷的容量一般較小，常單獨設一組蓄電池供電。也可從上述廠用直流的蓄電池組中抽頭分壓獲得，由于這種方法會影響電池的壽命，故現在已很少采用了。將廠用負荷按其電壓分類的方法，常用于高低壓廠用負荷的計算及進行廠用負荷的配置等等。三、 按負荷的工藝系統分類一個大型電廠中，廠用負荷可達上千臺，而這上千的廠用負荷，又相對按其用途集中在一個或幾個工藝系統中，所以設計中也常常采用按負荷的工藝系統分類的方法。這樣一個電廠大致可分為汽水系統、制粉系統、燃燒系統、開式和閉式冷卻水系統、潤滑油系統、循環水和供水系統、輸煤系統、燃油或點火油系統、水預處理和代化學水系統、除灰系統、控制系統及電氣、修配、暖通等公用負荷系統。由于這種方法與專業分工及電廠目前的運行體制對應，所以使用很廣，設計成品常按上述方法分卷分冊，而廠用電供電系統也常按此設置電源，如化學變壓器，輸煤變壓器等等，都直接表明了該變壓器的主要用途。四、 按負荷重要性分類各廠用負荷在電廠正常生產中的性質不相同，所以對它的供電方式也不盡相同。按其在生產過程中的不同重要性，可將廠用負荷分為如下幾類。I類負荷：這類負荷對于電廠的生產極其重要，即便是在瞬時斷電而由手動恢復供電前的短時停電中，也可能危及人身及設備的安全，使生產停頓或發電量大幅度下降，如送、引風機及給水泵等負荷。類負荷：這類負荷允許短時停電，但如停電時間過長，有可能損壞設備或影響正常生產，如鋼球磨煤機、碎煤機等負荷。類負荷：這類負荷一般與生產工藝過程無直接關系，即便較長時間停電，也不會直接影響到正常運行，如油處理設施及中央修配廠設備等負荷。隨著機組容量加大及自動化水平的不斷提高，有些負荷對電源可靠性的要求也越來越高，如機組的計算機控制系統就要求電源的停電時間不超過5ms，否則將造成數據遺失或失控。這類負荷過去常稱為“不停電負荷”，現由國家有關部門規定，統一稱為“0I類負荷”，由不停電電源供電，而相應地將直流負荷稱之為“0類負荷”。還有一類負荷，在機組啟停中起極為重要的作用，而在正常運行工況時，只相當于上述I類負荷乃至類負荷。如發電機的盤車電動機及交流潤滑油泵等，如在停機時失去電源，將造成發電機大軸彎曲和軸瓦燒損的事故。這類負荷正常時由低壓廠用電系統供電，一旦全廠停電時，由一不受本廠廠用電系統及本區域電力系統影響的獨立電源供電，以保障發電機組順利停機，不致造成設備損壞，并能很快地再啟動。此電源稱為“保安電源”，這部分負荷常被稱為“事故保安負荷”，在設計中將其定為“0類負荷”。火力發電廠內主要負荷按其運行重要性的分類見表A。以上僅是幾種常用的負荷分類方法，它們相對獨立而又互為交叉，各有特點而又互為補充，沒有一個分類方法能全面地概括負荷的性質，所以在實際應用中，應根據自己的使用特點采用較合適的分類方法。在一項較復雜的工作中，往往需要幾種方法并用才能得出結果。如廠用電系統設計中，需先按各負荷的電源、電壓及用途性質將其分類并計算，然后才按其重要性接線，這將在以后章節分別論述。第二節 廠用負荷的供電雖然廠用負荷的分類方法很多，但對廠用負荷的供電方式卻主要是由它在運行中的重要性來決定的。（1）I類負荷。對I類負荷，常常要求將其接于供電可靠性較高的母線上。對于接有這類負荷的供電母線，要求系統可靠，且一旦工作電源故障后，應有備用電源自動投入。而設備配置方面，往往采用專門配置備用設備的方式，一旦工作設備故障停運，則備用設備自動投入，如凝結水泵、循環水泵等。但也有個別I類負荷不配置備用設備，而是要求對這些負荷作雙電源供電，并設自動切換裝置，以確保設備運行的安全，如發電機勵磁用的硅整流盤通風機及主變壓器的強油循環泵電源等。（2）類負荷。類負荷與I類負荷的供電方式差不多，接有該負荷的母線也應電源可靠并具有備用電源，所不同的僅是備用電源不用自動投入，而用手動投入即可。類負荷往往也設有備用設備，互為備用的方式與I類負荷一樣。（3）類負荷。類負荷的供電系統可靠性要求可略低些，允許只有一個電源。如有可能，最好仍設有備用電源，以便在工作電源長時停電時，設備也能夠運行。這類負荷一般沒有備用設備。（4）0I類負荷。對于0I類負荷（即不停電負荷）的供電，一般的電源自動切換系統已不能滿足要求，所以專門采用不停電電源（筒稱UPS）或逆變機組對其供電。正常時由廠用交流電源供電，一旦電源消失，UPS內無觸點靜態快速開關將電源在極短時間內（3ms）切換至直流系統，改由直流供電并逆變為交流輸出，繼續維持0I類負荷的運行。而0類負荷（即直流負荷），則自始至終一直由直流系統供電。（5）0類負荷。在大機組電廠中，一般采用柴油發電機作為保安電源向0類負荷（即事故保安負荷）供電，因為它基本不受外界系統的影響。當電力系統停電或全廠事故停機時，柴油發電機便快速啟動，向0類負荷供電。有些電廠認為柴油發電機有維護、檢修、保養等諸多不便，因而從與本廠相對獨立的當地電網中拉一回線路作為保安電源。這種方式做為柴油發電機的備用電源還可以，但如僅靠這一個電源來保證事故時的安全停機，卻不能做到萬無一失。因為如果遇到系統解裂及區域性的系統停電故障，上述電源是沒有保障的。在200MW機組中，也曾用交直流逆變機組作為保安電源。這種機組由一臺交流電動機/發電機及一臺直流電動機/發電機同軸耦合而成。正常運行時交流廠用電系統向交流電動機供電，交流電動機呈電動機狀態運行，拖動同軸的直流電動機。此時直流電動機呈發電機運行，向蓄電池充電。一旦廠用電消失，直流電動機立即成為電動機狀態，并拖動呈發電機運行的交流電動機，向0類負荷供電。當然，由于蓄電池組的容量有限，逆變機組容量不可能作得太大，一般僅為1530kW，所以它僅用于200MW機組，且應適當限制保安負荷的容量。保安電源一般設置在200MW及以上的機組中，這是因為在小機組中0類負荷容量很小。一些小負荷，如潤滑油泵可用直流電動機驅動等；而盤機電動機等較大容量的設備，可用手動盤車等裝置代替，就不用再設置價格昂貴的保安電源了。要指出的是，保安電源并不是非常可靠的，它的職責是保證發電機組能安全地停機。在全廠停電時，不可排除柴油發電機有數次啟動才能成功的可能性。即便一次投入成功，也要數秒鐘才能逐步帶上負荷。因此，有人以為保安電源能夠永遠有效，將不允許短時停電的設備也接在其上，是很錯誤的。隨著技術水平的提高以及新一代的高可靠性設備的出現，上述接線原則也發生了較大的變化。尤其是采用了PC（動力中心）MCC（電動機控制中心）的接線方式后，它以高可靠性的設備和清晰的接線，代替了原來的低參數設備和復雜的接線。I類負荷也被允許接在低一級的母線（MCC）上，并在電源的切換上也采用了手動切換，這在第三章中將予以細述。第二章 高壓廠用電系統第一節 高壓廠用電接線一、 對高壓廠用電系統的接線要求在設計一個發電廠的高壓廠用電接線時，首先應了解各工藝系統在電廠中的作用及區域，并結合運行、檢修及施工的要求，對各類負荷設計合理的供電方案。對于I、類負荷，應考慮其電源有較高的可靠性，并配有備用電源自動投入裝置。兩個互為備用的負荷，則應盡量從不同的母線段引接。而對那些供電距離較遠的負荷，則應對其供電方案作經濟技術比較。當經濟合理、技術可靠時，也可考慮用電纜或架空線路將廠用電源升壓后送去。高壓廠用電的接線方案可以各有不同，但首先應遵循如下幾點原則：（1）各機組的高壓廠用電系統應該相對獨立，這一條對200MW及以上的機組尤為重要。這主要是為了防止某一臺機組的廠用電母線故障時，不致影響其他機組的正常運行。200MW及以上的機組是電力系統的主力機組，一旦幾臺機組同時停機，極有可能造成電力系統的崩潰和解裂。同時，由于事故被限制在一個較小的范圍，也便于事故處理，并使機組在短時內恢復運行。（2）高壓廠用電系統應設有啟動/備用電源，該電源的設置方式根據機組容量的大小和它在系統中的重要性而異，但必須是可靠的，在機組起停及事故時的切換操作要少，并且與正常的工作電源能短時并列運行，以滿足機組在啟動和停運過程中的供電要求。（3）要考慮全廠的發展規劃，各高壓廠用電系統的布置應留有充分的擴充余地，當規劃容量能看得準時，在高壓廠用電系統的容量上應考慮足夠的裕度，以免在擴建時造成不必要的重復性浪費。（4）由于大多數電廠均是一次設計分期建設，所以應充分考慮在這種施工情況下的高壓廠用電系統運行方式。尤其是對公用負荷的供電，既要保證已建成機組的運行，也要考慮到在建機組建成后便于過渡。應盡量減少在數臺機組連續施工過程中多次停電改變接線和更換設備的機率。二、 各種容量機組的高壓廠用電接線在單機容量為25MW、50MW，甚至100MW的供熱電廠或小型電廠中，往往機爐的數量是不對應的，鍋爐產生的蒸汽進入母管，然后向汽輪機供汽。大容量的負荷主要集中于鍋爐房及輸煤系統，如送風機、引風機、磨煤機及輸煤皮帶等。因此在小容量機組的設計概念中，高壓廠用母線應按爐分段，如圖2-1所示。隨著發電機容量的不斷增大，汽機輔機的容量也越來越大，如射水泵、凝結水泵等設備都進入了高壓負荷的范圍。由于汽機房內的高壓負荷逐漸增多，加之在大容量機組中機、爐都成單元制運行，以爐分段的概念逐漸淡薄。當單機容量為200MW以上時，實際已是按機組分段了。因為廠用電系統一般均可隨機組檢修時一起停電檢修，加之高壓廠用母線的故障機率極小，所以無論大小機組，絕大部分的高壓廠用電系統都采用單母線接線。高壓廠用母線大都設有工作及備用兩個電源，當工作電壓故障失去時，備用電壓應能自動投入。1 小機組的高壓廠用電接線在小容量機組中，高壓廠用母線是以爐分段的。一般情況下，當鍋爐容量為65t/h及以下時，兩臺爐可合用一段母線；鍋爐容量達到120220t/h時，則一臺爐設一段母線。當發電機接在一段較低電壓的母線上，而此母線與系統連接時，由于這段母線的可靠性較高，高壓廠用電源一般從此母線上通過高壓廠用變壓器引接。當母線電壓與廠用電壓等級一致時，可直接由母線相接。為限制廠用母線上的短路電流，也可通過電抗器限流，如圖2-2（a）所示。這樣，不僅機組間可互為備用，而且與系統電源連接的也能作為備用/啟動電源，在全廠機組停運間將電力反饋回電廠。如機組通過升壓變壓器直接送入較高的電力電網，則從發電機的出口引線處直接引取高壓廠用電源，如圖2-2（b）所示。2 大中容量機組的高壓廠用電接線大部分100MW機和125MW及以上的機組，其高壓廠用電源都是從發電機出口母線處通過廠用變壓器引接的，廠用電系統的備用電源另設。機組啟動時，先由備用電源向廠用電系統供電，待運行正常后，則手動切換至工作電源。國外有些大機組的高壓廠用變壓器也采用了有載調壓變壓器，這樣可以很好的保證廠用電的質量，尤其是對存在進相運行可能的發電機組，更是如此。因為發電機進入進相運行工況時，其功率因數呈超前狀態，勵磁電流較正常運行時小，發電機的端電壓也低，如廠用變壓器為有載調壓變壓器，廠用電的電壓質量可以很好地得到保持，否則一旦發電機進相運行，廠用系統便出現低電壓工況，這不僅使大電動機的啟動特別困難，而且對于一般電動機的壽命也極為不利。另外，有些電廠采用了有載調壓變壓器后，在發電機的出口再加裝斷路器，如圖2-2（c）所示。這樣，機組啟動時，可先斷開此斷路器，廠用變壓器由電力系統反送電，待發電機投入后，便自動由發電機供給電源。這種接線方式，可不用再另設啟動電源。高壓負荷一般都比較重要，大多設有備用設置，當工作設備故障時，備用設備會自啟動接替工作。為使工作與備用設備不會因母線故障而全部停運，設計中又將母線分為兩段，把互為備用的設備接于不同段上，以達到上述目的，如圖2-3（a）所示。隨機組及高壓廠用變壓器容量的不斷增長，高壓廠用電系統中的短路電流也在加大，為限制短路電流水平，除適當加大廠用變壓器的阻抗外，還采用了低壓為分裂繞組的分裂變壓器，并將一臺機組的兩段高壓母線接于不同的繞組上，如圖2-3（b）所示。這種分裂變壓器由于兩個低壓繞組間的分裂電抗很大，在短路時不僅可有效地阻止另一繞組的電動機反饋電流的流入，與雙繞組變壓器相比較少了短路電流水平，同時也能極大地減少故障繞組對非故障繞組母線電壓的影響，使在另一段母線上運行的高壓負荷能較正常地運行。在我國，分裂變壓器一般用于200MW及以上的機組。三、 高壓公用負荷的接線1 設置高壓公用段的目的發電廠中有些負荷是不以機組為單元，而是為全廠服務的公用系統，如輸煤系統、化學水處理系統及修配廠、污水處理場等等。對這類負荷的供電要避免僅依靠某個電源或某一臺機組，以防止因某電源或某臺機停運而使公用負荷不能運行，從而造成全廠停運的事故。在設計公用負荷的接線時，還要特別注意其與連續施工的適應性。一般在建設的第一臺機組投運前，公用負荷就必須建成投運，以保證第一臺機在建成后便能投產。在小機組的高壓廠用電中，公用負荷的容量不大，且大半為低壓負荷，因此如有高壓負荷直接接于高壓廠用母線上，而其他低壓負荷就通過接在高壓廠用母線上的降壓變壓器供電。從200MW機組開始，公用負荷的容量增加了，并且其中高壓負荷的成分也在增加，所以有必要就是否設專門的高壓公用段作經濟技術研究。在小機組電廠中，高壓的公用負荷非常少，僅影響某一二段廠用接線，當全廠停電檢修時可一并檢修帶有公用負荷的廠用段。在大型區域性電廠中，是極少允許全廠停運檢修的。如還像小電廠那樣將高壓公用負荷接于一個或幾個廠用段上，那么只要有機組在運行，接有公用負荷的母線就極難停運行檢修。如公用負荷又分接于多臺大機組的廠用段上，則問題就更突出了。所以，在大容量機組中設置高壓公用段是很必要的。這不僅加強了機組的單元性，同時也有利于全廠公用負荷的集中管理。2 公用段的接線方式公用段一般也分為兩段，以便將互為備用的負荷接于不同的公用段上。公用段應設有工作與備用兩個電源，可分別由高壓廠用系統引4個不同電源，如圖2-4（a）、（b）所示。也可僅引兩回電源，而兩段公用段互為備用，如圖2-（c）4所示。要注意的是，如采用專門的公用段，那么作為其電源的上一級高壓廠用段的負荷容量將大幅度增加。如采用圖2-4（a）、（b）所示的接線方式，一旦公用段失去某一電源，顯而易見的是兩段公用段負荷將全部作用在作為另一電源的高壓廠用段上，這極易引起某一電源的過負荷。所以在設計中應特別注意負荷的合理分配。不僅在事故情況下不使電源過負荷，在正常運行及切換時，也不應因公用與工作負荷疊加在一起時引起電源過負荷。如不能避免上述現象時，應提出在這種情況時，通過啟動某些互為備用的設備將部分負荷轉移到另一高壓廠用段上。3 公用段的設置地點當公用負荷距離廠房較近時，可將公用段設在廠房內；如距離較遠時，則可將公用段設在公用負荷較為集中心的地區，以減少電纜的長度及供電網絡產生的電容電流。我們知道，一般大型火力發電廠的范圍比小型電廠要大很多，廠區內的公用負荷與高壓廠用配電裝置的距離也較遠，如從主廠房內的高壓配電裝置至煤場、化學區域的電纜長度，可以達數百米。這不僅使電纜數量增加，并勢必將增加高壓廠用電系統的電容電流。在我國的設計規程中要求：如采用中性點不接地系統，當由一個電源供電的高壓廠用電系統的電容電流大于5A時，在該電源應設單相接地保護設施，一旦該系統有接地時，向運行人員發出報警信號。如這個系統的電容電流大于10A時，則應在該系統的每個回路上加裝單相接地保護。這要求無論對于施工、運行及維護，都是比較困難的，所以我們希望將每個電源的電容電流能限制在10A以下，而分裂變壓器的使用又為此創造了條件。因為分裂變壓器的兩個分裂繞組間不傳遞零序電流，所以電容電流的計算范圍可僅限制在一個繞組的負荷中，相應減小了電容網絡。因此，將公用段就地設置是減少電容電流最有效的方法。一個電廠一般只設一個高壓公用段，也可設視情況設幾個公用段，此時按工藝的作用命名公用段，如輸煤段、化學段等等。四、 高壓廠用啟動/備用電源為給發電機組正常啟動時提供電源，必須提供一啟動電源。保證高壓廠用電系統的運行安全，設置廠用備用電源也是非常必要的。然而在現在設計中，一般將上述兩種功能的電源合二為一，統稱為“啟動/備用電源”。由于啟動/備用電源所具備的功能，要求該電源應從與廠用電源相對獨立的系統引接，所引接的系統應有兩個以上的電源，并具有足夠的容量。為保障電壓質量，當啟動/備用變壓器的阻抗大于10.5%或所接電力系統的電壓波動超過5%時，還應考慮采用有載調壓設施。1 啟動/備用電源的引接在小機組電廠中，數臺機組常接于同一發電機電壓母線上，此時啟動/備用電源常直接從該電壓母線引接。如電源的短路電流太大，則加裝限流電抗器加以限制。當廠內還有與電力系統連接的更高一級電壓母線，而系統的反饋容量又足夠大時，為在全廠停電時能迅速取得備用電源，也可從此母線引接。圖2-5為大中型電廠高壓廠用啟動/備用電源引接方式。在大中型機組中，由于基本都是發電機主變壓器單元制接線，因此啟動/備用電源一般從廠內最低一級的升高電壓母線引接，但先決條件是該母線與系統電源相連并具有足夠的容量，如圖2-5（a）、（b）所示。作為較少的一種接線方式，也有將啟動/備用電源從兩個系統間的聯絡變壓器的第三繞組引接的。這種接線方式固然可降低啟動/備用變壓器的造價，且可分別由兩個系統引接啟動/備用電源。但一旦聯絡變壓器故障，則啟動/備用電源也隨此消失。因此這種接法使用不多，常見于變電所的所用電接線中，如圖2-5（c）所示。當大型發電廠內只有一級超高壓母線時，從技術經濟諸方面分析，啟動/備用電源從此電壓引接是不合適的。這種情況下，可從附近具有足夠容量的較低級電壓系統用專用線路引入電廠所需電源，如圖2-5（d）所示。由第一節所述，當發電機出口母線上加裝斷路器后，廠用電源有可能同時兼作機組的啟動電源，不另設啟動/備用電源。這在原蘇聯設計的大型電廠中較多見，但需另設一臺同參數的高壓廠用變壓器作為“倉庫備用”，一旦運行時的高壓廠用變壓器故障，則將機組停運并立即換上備用變壓器，然后再并網發電。由于大型機組的高壓廠用變壓器事故率很低，因此這種方式也可作為啟動/備用電源的一種方式。啟動/備用電源的接線方式還有幾種，但因實用性不大，故不一一敘述。2 啟動/備用電源的數量根據實際調查及研究分析，我國對啟動/備用電源的數量做如下規定：（1）在單機容量為100MW以下的電廠中，當設置第六個高壓廠用電源時配置第二個啟動/備用電源。第二個啟動/備用電源最好從與第一個啟動/備用電源相對獨立的電源系統引接。（2）在單機容量為100125MW時，設置第五個高壓廠用電源配置第二個啟動/備用電源。（3）在單機容量達200300MW時，每兩臺同型機組可設一個啟動/備用電源。、（4）當單機容量達600MW及以上時，一般每兩臺機組設一個高壓啟動/備用電源。但由于我國對于此容量等級發電機的廠用電設計剛起步不久，為安全起見，在有關的設計技術規程中要求：在發電機出口不裝設斷路器或負荷開關時，“應考慮一臺高壓用啟動/備用變壓器檢修時，不影響任一臺機組的啟停”。為了履行這條規定，國內設計的600MW機組每一啟動/備用電源都由兩臺較小容量的啟動/備用變壓器組成，以滿足一臺高壓廠用啟動/備用變壓器檢修時，另一臺啟動/備用變壓器仍能滿足機組啟停的要求，如圖2-5（e）所示。3 啟動/備用電源間的連接圖2-6為兩個啟動/備用電源與各廠用母線段連接方式。在小機組電廠中，兩個啟動/備用電源的二次側（變壓器、電抗器或直接從母線引接時的廠用電源斷路器）往往相互連接，以便在其中一個電源故障時能互為備用，如圖2-6（a）、（b）所示。在大中型機組中，這種互為備用的連接方式就顯得力不從心了，如圖2-6（c）中互連線L。這主要是因為此連線兩側的斷路器與正常工作的啟動/備用電源的斷路器間的連鎖太繁瑣，以致使各元件的連鎖要求互相抵觸。而為解決此問題設置的復雜的二次回路，反過來又增加了回路的故障率。考慮到大中型機組中啟動/備用電源本來便是備用元件，其運行可靠性相對較高，再設置備用的備用意義不大，故在大中型機組中一般不設置兩個啟動/備用電源間的再次互為備用。4 啟動/備用電源的運行方式啟動/備用電源的運行方式有兩種。從提前發現問題，保證投入成功率方面講，在正常運行時將啟動/備用電源投入空載運行，使其處于“熱備用”狀態是有利的，設計中常常按這種工況進行設計。但從節約能源方面考慮，正常時將啟動/備用電源不投入，在“冷備用”工作狀態，以減少空載損耗，也是可行的。在80年代以前，考慮節約更多些，當時的啟動/備用電源大都運行在冷備用狀態，而如今考慮機組的安全更多一些，所以有相當多的電廠已是采用了熱備用的方式。從及時發現啟動/備用電源故障，更好地保障安全運行的前提出發，在電廠還是應提倡熱備用的運行工況。關于啟動/備用電源的容量選擇，將在本章第三節中詳細闡述。五、 200300MW機組的高壓廠用電系統 一般來講，200300MW機組的高壓廠用電接線方式基本相同，僅是廠用變壓器的容量有所改變而已。其接線如圖2-4（a）、（b）所示。由圖可見，高壓廠用電源由發電機的出口引接，經一臺分裂變壓器降壓后，分別向兩段高壓廠用母線供電，兩段母線間無聯絡開關。高壓廠用母線的啟動/備用電源來自高壓啟動/備用變壓器，與廠用變壓器一樣，高壓啟動/備用變壓器也采用分裂變壓器，兩個低壓繞組分別向兩個廠用母線供給啟動/備用電源。所不同的是，由于系統電壓變動范圍較大，一般高壓啟動/備用變壓器多采用有載調壓器，而發電機的出口電壓穩定，高壓廠用變壓器多采用無載調壓變壓器。另設的兩段高壓公用段，其工作電源及備用電源引接，有如下兩個常用的方案。（1）從高壓啟動/備用變壓器引接正常工作電源，而其備用電源自1號機的高壓廠用段引接，如圖2-4（a）所示。這是目前較常見的接線方式，其優點是公用段隨1號機一次建成后便不受其他擴建機組的影響；（2）正常電源及備用電源分別自1、2號機高壓廠用段引接，如圖2-4（b）所示。其優點是接于高壓廠用段上的啟動/備用電源可使公用段又得到一個安全運行的保障。遺憾的是這種接線方式不能隨1號機一次建成，因此在2號機未投運前，公用段的另一電源得先暫由高壓啟動/備用變壓器過渡引接，待2號機正常投運后，再將接線改接過來。因此，雖然理論上此方案可行，實際中極少使用。也有一些設計將公用負荷分散在各臺機組高壓廠用段上，急用的先上，以后再投的接于后幾臺機組上。但是一旦有一臺機組停運，就必然影響公用負荷的正常運行，這對正在運行的機組是很不安全的。六、 600MW的高壓廠用電接線當機組容量增大至600MW及以上等級時（包括500MW），對于高壓廠用變壓器的設置有以下兩種方式。1 采用一臺大容量分裂變壓器這種方式是采用一臺大容量的分裂變壓器，由于變壓器供給的短路電流也大，需將廠用系統的斷路器開斷電流提高到50kA及以上，兩個分裂低壓繞組的電壓按設計需要可以相同，也可不同。這種接線大多見于由國外引進的機組。如元寶山電廠由法國引進的600MW機組，采用了一臺63/35-35MVA（高壓繞組容量為63MVA，低壓分裂繞組容量各為35MVA）的分裂變壓器作為高壓廠用變壓器，其阻抗百分數為14%（以高壓側容量為基準）。2 采用兩臺較小相同容量的分裂變壓器國產600MW機組的廠用變壓器設置，從一開始就采用了較小的兩臺同容量分裂變壓器并列運行的方式。這即可降低廠用電系統的短路電流水平以及每個低壓繞組出口斷路器的額定電流，提高廠用電源的運行可靠性，又與高壓廠用啟動/備用電源的設置相銜接。由于每臺600MW機組使用了兩臺高壓廠用分裂變壓器并列運行，因此高壓廠用段也分成了四段，其所需四個備用電源分別從兩臺啟動/備用變壓器引接。目前國內600MW機組的高壓廠用電壓等級有103kV及6kV兩個方案，其高壓廠用電系統主要接線如圖2-7所示。圖2-7（a）、（b）兩種方案的電壓等級均為103kV。圖2-7（a）方案的10、3kV系統分別由獨立的廠用變壓器供電，為保證在一臺備用變壓器檢修時不影響任一機組的啟停，高壓啟動/備用變壓器采用兩臺低壓側為10kV、3kV的三繞組變壓器。這種接線方式廠用變壓器總容量小，投資較省。但任一臺廠用變壓器事故停運時都必須投入兩臺啟動/備用變壓器，并將另一臺廠用變壓器也停下來。圖2-7（b）方案為平圩電廠的接線方式，廠用變壓器為兩臺相同容量的三繞組變壓器。這種方式雖然投資較高，但啟動/備用變壓器與廠用變壓器為一對一的接線方式。任一廠用變壓器事故停運時只投入相應的啟動/備用變壓器既可。圖2-7（c）圖2-7（e）方案的電壓等級均為6kV，而圖2-7（c）、（e）方案的不同僅在于備用負荷的引接。圖2-7（e）方案將互為備用的高壓負荷接于同一臺廠用變壓器的兩個低壓分裂繞組上，在計算其高壓側容量時可只計工作負荷，因此廠用變壓器的高壓繞組容量的相應減少，能降低一些投資。但出于與圖2-7（a）方案同樣的理由，兩臺啟動/備用變壓器不能與廠用變壓器形成一對一的備用，而是交叉接入，因此在任一臺廠用變壓器故障停運時都必須將兩臺啟動/備用變壓器投入。圖2-7（c）方案將互為備用的負荷分開接入兩臺廠用變壓器的低壓側，使高壓繞組的容量增大，投資增加。但它可與啟動/備用變壓器形成一對一的接線方式，任一臺廠用變壓器停運，只要投入相應的啟動/備用變壓器既可。圖2-7（d）方案采用了一臺廠用變壓器，但為滿足“一臺啟動/備用變壓器檢修而不影響任一機組的啟停”的要求，啟動/備用變壓器為兩臺，分別對廠用變壓器的兩個分裂機組作備用。此方案的高壓廠用系統短路電流很大，一般應采用50kA等級的斷路器，致使投資加大。但此方案接線清晰，運行操作方便。當啟動/備用變壓器也僅采用一臺時，便是在國外大機組廠用電中采用較多的方案。還有一種接線方式，每臺機設置兩臺雙繞組變壓器作為一組廠用變壓器，啟動/備用變壓器也同樣處理。這種接線方式更清晰，操作方便。但由于事故時每段上的電動機反饋電流幾乎增加一倍，所以需采用50kA開斷電流的斷路器，這在價格上較為昂貴。但如輔以50kA開斷F-C回路（詳見第四章），其設計思想是很可取的。無論以上哪個方案，高壓公用段仍只有兩段，其兩個電源的連接與200300MW機組公用段的引接基本一樣。第二節 高壓廠用電壓一、 高壓廠用電壓的等級如上面一章所述，目前國內高壓廠用電的電壓等級為3、6、10kV。在其他一些國家，由于各自沿用的慣例及標準不一，采用的電壓等級也不相同。這在進出口電廠的技術談判中要特別注意，否則將因電壓等級與國內不一致而使電動機設備無法自行配套。有一些論點認為，在滿足技術要求的前提下，應優先采用較低的電壓等級，經獲得較高的經濟效益。從理論上講，這是正確的，但還應考慮國內高壓電動機的系列配套情況。電廠的高壓電動機品種多、定貨面廣且每種的數量都不多，如特殊訂貨不僅價格高、時間長，能接受定貨的廠家也極少。因此在考慮采用哪種電壓等級時，不僅要進行技術上研究，同時也應顧及到國內的電工產品結構。國內現今適用于電壓的高壓電氣設備基本都為6kV，經過數十年的生產，品種系列都比較齊全。因此，在可能的條件下，電廠的高壓廠用電系統應盡量采用6kV。例如當機組容量在60MW及以下，發電機電壓為10.5kV時，由于其輔機中超過200kW容量的極少，因此經濟分析表明將高壓廠用電的電壓等級定在3kV是合理的，這樣可以降低廠用系統的投資。但實際中由于國內3kV的電動機系列不全，上述電廠往往還是采用了6kV作為高壓廠用電的電壓等級。當機組為100MW及以上時，則應采用6kV作為高壓廠用電的電壓等級。一般，將200kW及以上的負荷接于6kV，將200kW以下的負荷接在低壓系統。二、 600MW機組的高壓廠用電電壓等級當機組容量到達600MW時，電壓等級須引起重視。本節試通過對600MW機組高壓廠用電電壓等級的研究，給讀者提供一個分析廠用電電壓等級的方法。確定機組高壓廠用電系統的電壓等級涉及到的因數有很多，而最主要的有以下幾點。1 電動機啟動時的電壓校驗電動機在啟動瞬間，會出現57倍于正常運行電流的啟動電流。此電流在廠用變壓器和饋電線路中將形成很大的壓降，從而使母線電壓降低。選擇合適的電壓等級，可以最終使上述壓降被限制在允許的范圍內，使母線電壓滿足安全運行的要求。我國對單臺電動機啟動及成組電動機自啟動時的母線最低電壓要求見表2-1。（1）成組電動機自啟動時的母線最低電壓。成組電動機自啟動狀態有三種：表 2-1 單臺電動機及成組電動機啟動時母線允許最低電壓名稱類型母線最低電壓/母線額定電壓（%）單臺電動機啟動時母線電壓80電動機成組自啟動時高壓廠用母線電壓高溫高壓電廠中電廠65706065電動機成組自啟動時低壓廠用母線電壓低壓母線單獨自啟動低壓母線與高壓母線串聯自啟動6055注 對于高壓廠用母線，失壓或空載自啟動電壓取上限值；帶負荷自啟動電壓取下限值。1）空載自啟動。當高壓廠用電系統的正常工作電源因各種原因突然失去時，自動保護裝置將立即投入備用電源，此時母線所接電動機將因瞬時斷電再接通而形成成組自啟動。備用電源此時如未帶其它負荷，就呈現“空載自啟動”狀況。2）帶負荷自啟動。在上述工況中，如備用電源在自動投入前已帶部分負荷（如公用負荷等），則稱為“帶負荷自啟動”。3）失壓自啟動。在運行中因其他非正常原因使母線電壓的瞬間降低，但隨即事故消除電壓又恢復正常，這種工況所形成的電動機群自啟動，是“失壓自啟動”。為保證I類負荷電動機自啟動成功，要求在上述各種成組自啟動狀況下的母線電壓應保持在65%70%額定電壓。（2）最大電動機啟動時的母線最低電壓。按有關設計規定的要求：“當高壓廠用系統中最大一臺電動機正常啟動時，廠用母線的電壓不低額定電壓的80%。容易啟動的電動機啟動時，電動機的端電壓應不低于額定電壓的70%，當制造廠有明確合理的啟動電壓要求時，應滿足制造廠的要求。”在對大多數電廠的廠用電設備中，給水泵的電動機是容量最大，200MW及以下容量機組中，給水泵電動機大多數為20003000kW，極個別為4000kW。如果滿足了上面（1）的要求，給水泵電動機啟動時的母線電壓基本都能滿足。300MW機組中，給水泵的電動機容量為5500kW，600MW機組時給水泵電動機容量為6300kW。由于大機組的廠用電系統都采用了快速動作的真空斷路器或SF6斷路器，實現了備用電源快速切換，可以滿足電動機成組自啟動時的最低電壓要求，因此給水泵電動機正常啟動時的母線電壓就顯得非常突出。大量的計算證明，當機組容量為300MW及以上時，給水泵電動機的容量將成為影響高壓廠用電參數（電壓、變壓器阻抗和短路電流等）的選擇的主要因素。（3）電動機串接自啟動時的低壓廠用母線最低電壓。在高壓電動機成組自啟動時，有部分低壓負荷要隨之自啟動，要求在這種串接自啟動的工況下，低壓廠用母線的電壓至少應維持在55%的額定電壓以上。（4）遠距離供電的負荷的自啟動最低電壓。大中型發電廠中，往往需要向距廠區很遠的廠用負荷供電，而這類負荷的容量也較大，如補給水泵房、中繼水泵房、灰水回收泵房等等。這些遠距離負荷成組自啟動或單臺自啟動時，其母線電壓均應滿足上述的各項要求。2 短路電流水平三相短路電流周期分量的起始值為 （2-1） （2-2） （2-3） （2-4）以上四式中 短路電流周期分量的起始有效值（kA）； 廠用電源短路電流周期分量的起始有效值（kA）；電動機反饋電流周期分量的起始有效值（kA）；In基準電流（kA）；系統電抗（標么值）；廠用變壓器的電抗（標么值）；KM電動機反饋電流倍數；IM計及反饋的電動機額定電流之和（A）；Sn基準容量（MVA）；Un基準電壓（kV）。 由式（2-1）、式（2-2）和式（2-4）可見，對于同一個電廠和同一臺機組來講，系統電抗XS及電動機反饋電流是一個常數。因此，基準電壓Un（即高壓廠用電系統的電壓）越高，則基準電流In越小，從而將導致三相短路電流周期分量起始值的降低。反過來說，當要求值一定時，所取的電壓等級Un越高，則允許采用的廠用變壓器電抗便越小，從而電動機自啟動時的母線電壓也就越高，而這恰恰是上一節所需要的。當然，對于上述公式也可以有另一個解釋的方法，即不改變電壓等級，只要降低廠用變壓器的電抗，也同樣可以達到提高電動機自啟動時母線電壓的目的。但這樣一來，勢必將增大三相短路電流周期分量起始值I，從而給廠用系統中斷路器的選擇造成困境。因為短路電流數值加大后，必然要提高斷路器的開斷容量，這不僅使工程費用大幅增加，并且由于制造技術的限制，并不是可以任意提高的。3 高壓廠用斷路器的開斷電流高壓廠用斷路器的開斷容量間接地限制了變壓器阻抗的任意下降，因此與電壓等級的選取也有極大的關系。根據目前我國的斷路器制造水平，無論是3kV，還是6kV或10kV電壓，斷路器的開斷電流一般限制在40kV（周期分量、有效值）以內。當需采用50kA的開斷電流時，斷路器的大部分主要元件都需進口，而當短路電流水平達到63kV及以上時，世界上只有很少廠家能制造。所以，從國內實際技術水平出發，將高壓廠用電系統的短路電流水平限制在40kA及以下，是比較合適的。在短路電流確實較高的情況下，可將高壓廠用系統分為兩個電壓等級，在必須的系統中采用少量開斷電流為50kA的斷路器，另一系統仍為40kA開斷等級，以降低整個廠用系統的造價。4 國內電氣設備的配套情況在確定一個高壓廠用電系統的電壓等級時，還應認真考慮除斷路器外的其他電氣設備配套情況，如電動機、電纜、互感器及所有必需的輔助設備。當大部分設備無法系列配套時，設計再好，計算結果再佳，也是很難實現的。例如電動機，按計算結果可能10kV電壓等級最佳，但國內適用于電壓的10kV電動機系列并不配套，致使電壓內的大多數電動機需特殊定貨，而各新建電廠間的電動機容量并不相同，再建另一新電廠時又需特殊定貨。在這種貨源、工期都沒有保障的情況下，就應將配套情況也輸入計算中，從而得到一個與國情符合的電壓等級。三、 600MW機組高壓廠用電壓的選擇在我國自行設計制造600MW機組前，國內所裝進口的600MW機組高壓廠用電壓為6kV，短路電流水平在50kA等級。每臺機組使用一臺分裂變壓器作為高壓廠用變壓器，其容量為60/35-35MVA、電壓變比為20/6.3kV其接線如圖2-3（b）所示。由于在本章第一節中所述的原因，國內每臺600MW機組的高壓廠用系統采用2臺分裂變壓器并列運行的接線方式。下面，就國產第一臺600MW機組高壓廠用電壓選擇和國內自行設計的第一臺國產600MW機組高壓廠用電壓選擇的比較，介紹一下高壓廠用電壓等級的選擇。1 國產第一臺600MW機組的高壓廠用電壓等級在中外聯合設計第一臺600MW機組時，曾分別對高壓廠用電壓等級做了1030kV、6kV及63kV三個方案的技術經濟比較，其中63kV的方案因在技術上明顯不合理而被放棄。103kV方案中，每臺機組配2臺容量是40/20/15MVA、電壓變比是20/10.5/3.15kV的三繞組變壓器作為高壓廠用變壓器。6kV方案則采用每臺機組配2臺容量為40/20-20MVA（高壓繞組容量為40MVA，分裂繞組的容量分別各為20MVA，以下同）、電壓變比為20/6.3-6.3kV（高壓繞組的額定電壓為20kV，分裂繞組的額定電壓分別同為6.3kV，以下同）的分裂變壓器。兩方案的接線圖見圖2-7（b）、（c）。發電機電壓經主變壓器升壓至500kV送出。因500kV線路長度近200km，電廠側又未裝并聯電抗器，為調節線路小負荷時中端的電壓，發電機有時將處于進相欠勵磁運行的狀態。經計算，發電機功率因數可達0.95（標么值）長期運行。結合上述情況，由外方進行了經濟技術比較。認為從經濟上分析，無論是設備投資還是年運行費用，兩方案都相差不多。而技術分析結果顯示103kV方案更合適，其計算結果見表2-2。在計算中，已經考慮各廠用變壓器空載時其低壓側電壓與高壓側電壓1.05：1.00的變比升壓。分析表2-2，設計部門認為103kV方案較6kV在最大電動機啟動時的母線電壓高4%左右。因此其結論為：“由于6kV方案的裕度相當小，電動機的清單還不完善，電纜的阻抗亦未考慮。而103kV方案較多裕度，故103kV方案為推薦方案。”該電廠的高壓由此定為103kV等級。1800kW及以上的高壓電動機接入10kV系統，1800kW以下的高壓電動機接入3kV系統，低壓廠用變壓器則分別從10kV、3kV系統引接。由表2-2可見，6kV方案中的3kV系統的斷路器開斷電流采用了50kA等級。價格是比較貴的。表 2-2 國產第一臺600MW機組高壓廠用電電壓方案計算結果接線方式圖2-7（b）圖2-7（c）電壓（kV）10366高壓廠用變壓器容量（MVA）高壓側4040低壓側25152020廠用母線短路電流（kA）31.2844.893838高壓廠用變壓器阻抗（40MVA為基準，%）8.5522.9613.6813.42最大啟動電動機容量（kW）給水泵6000凝結水泵1600給水泵6000引風機4000母線電壓（%，標么值）1發電機進相運行時，發電機母線電壓為95%正常運行時廠用高壓96.2