火電廠微機(jī)型廠用電快速切換方式及其應(yīng)用分析

付育穎，王 浩

(1.石家莊供電公司，石家莊 050091；2.華能國(guó)際電力股份有限公司上安電廠，石家莊 050310)

1 概述

目前，火力發(fā)電廠的主流設(shè)計(jì)為每臺(tái)機(jī)組采用單元接線，風(fēng)機(jī)、磨煤機(jī)、電動(dòng)給水泵、凝結(jié)水泵等機(jī)組大容量設(shè)備由廠用電中壓段供電(一般為6 kV或10 kV)。機(jī)組廠用變壓器及啟動(dòng)備用變壓器分別作為廠用電中壓段的工作及備用電源。上述設(shè)備的啟停需在爐膛壓力、風(fēng)量、給水溫度、流量等相關(guān)參數(shù)調(diào)整后有計(jì)劃地進(jìn)行，否則會(huì)引起設(shè)備參數(shù)的大幅波動(dòng)，進(jìn)而影響發(fā)電機(jī)組、電廠乃至整個(gè)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，因此，廠用電中壓段電源切換時(shí)應(yīng)盡量減少母線電壓波動(dòng)，以減少對(duì)上述設(shè)備的影響。

機(jī)組在啟動(dòng)和停機(jī)過(guò)程都必須帶負(fù)荷進(jìn)行廠用電切換[1]。另外，當(dāng)機(jī)組或廠用工作電源發(fā)生故障時(shí)，為了保證廠用電不中斷及機(jī)組安全有序地停機(jī)，必須盡快把廠用電電源從工作電源切換到備用電源。因此廠用電切換方式的選擇及切換裝置的性能對(duì)機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重大意義。廠用電切換的啟動(dòng)模式包括手動(dòng)并聯(lián)切換和手動(dòng)串聯(lián)切換的正常切換，事故串聯(lián)切換和事故并聯(lián)切換的事故切換及母線低電壓和工作電源開關(guān)偷跳的非正常工況切換3種。

2 廠用電手動(dòng)切換方式存在的安全隱患

微機(jī)型備用電源快速切換裝置投入運(yùn)行以前，廠用電切換大都采用工作電源的輔助接點(diǎn)直接(或經(jīng)低壓繼電器、延時(shí)繼電器)啟動(dòng)備用電源投入[1]，即手動(dòng)切換方式。這種切換方式受操作人員的水平和經(jīng)驗(yàn)影響較大，開關(guān)狀態(tài)、備用電壓等參數(shù)均需運(yùn)行人員人為確認(rèn)，自投產(chǎn)以來(lái)已多次造成切換失敗導(dǎo)致單段廠用電失電的事故。主要有以下安全隱患。

2.1 對(duì)設(shè)備絕緣的沖擊

手動(dòng)切換時(shí)，若備用電源投入時(shí)機(jī)不當(dāng)，會(huì)造成母線處于短時(shí)無(wú)源狀態(tài)。由于高壓電機(jī)本體及其負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性，電動(dòng)機(jī)將在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)持續(xù)旋轉(zhuǎn)，且將轉(zhuǎn)變?yōu)楫惒桨l(fā)電機(jī)運(yùn)行工況，因此廠用電母線電壓不會(huì)迅速且大幅衰減，而是在一段時(shí)間內(nèi)會(huì)維持一定的殘壓并緩慢衰減，頻率也會(huì)隨著轉(zhuǎn)速降低而緩慢下降。母線電壓衰減曲線見圖1。

Vs為用電源電壓；Vd為廠用母線殘壓； U為差拍壓；與為不同負(fù)荷情況下允許電源切換的邊界

由圖1可以看出，在廠用電工作電源中斷瞬間，母線殘壓的有效值還未出現(xiàn)大幅衰減，但由于以異步發(fā)電機(jī)工況持續(xù)運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速迅速下降，導(dǎo)致母線殘壓的頻率迅速降低，殘壓與備用電源電壓的矢量角差已開始拉開，如果備用電源投入的時(shí)機(jī)不當(dāng)，使得在備用電壓投入瞬間與母線殘壓存在較大的矢量角，將對(duì)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生較大的沖擊電流，進(jìn)而損傷電動(dòng)機(jī)絕緣，影響電機(jī)的使用壽命，甚至可能造成備用進(jìn)線保護(hù)誤動(dòng)作導(dǎo)致切換失敗，廠用電失電，造成嚴(yán)重后果。

2.2 切換時(shí)間過(guò)長(zhǎng)

進(jìn)行手動(dòng)切換時(shí)，若備用電源進(jìn)線投入過(guò)晚，母線電壓經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間衰減至較低水平，易造成以下后果：

a. 母線低電壓保護(hù)動(dòng)作，本段母線上所帶磨煤機(jī)、引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)等重要?jiǎng)恿μl，鍋爐工況急劇變化，負(fù)壓波動(dòng)，鍋爐燃燒不穩(wěn)，嚴(yán)重時(shí)造成鍋爐滅火，機(jī)組跳閘。

b. 多數(shù)電廠給煤機(jī)、空氣預(yù)熱器電機(jī)、各主要設(shè)備的潤(rùn)滑油泵電機(jī)等容量較小的重要設(shè)備普遍使用接觸器供電，特別是運(yùn)行年限較長(zhǎng)的電廠，由于更新改造過(guò)多，接觸器型號(hào)、品牌過(guò)多，性能不統(tǒng)一，加之大多沒有失壓自啟動(dòng)功能，當(dāng)母線電壓過(guò)低時(shí)，接觸器失壓釋放，給機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)較大影響。

c. 大型機(jī)組廠用電快速切換期間，其電磁暫態(tài)過(guò)程可能引發(fā)部分電動(dòng)機(jī)電磁特性的畸變，特別是低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量高阻尼的大容量電動(dòng)機(jī)可能發(fā)生保護(hù)誤動(dòng)。

3 微機(jī)型廠用電快速切換方式的提出

微機(jī)型備用電源快速切換裝置是專門為解決廠用電的安全運(yùn)行而研制的。采用該裝置后，可避免備用電源電壓與母線殘壓在相角、頻率相差過(guò)大時(shí)合閘而對(duì)電機(jī)造成沖擊，如快速切換無(wú)法進(jìn)行，則裝置自動(dòng)轉(zhuǎn)為同期判別或判殘壓及長(zhǎng)延時(shí)的慢速切換，提高廠用電切換的成功率。

3.1 外部條件

a. 有2個(gè)獨(dú)立的供電電源：工作電源和備用電源。正常運(yùn)行情況下2個(gè)電源電壓之間允許有一定的相角差，但一般不宜大于20 。

b. 工作電源及備用電源進(jìn)線應(yīng)采用快速斷路器，避免由于斷路器分合閘時(shí)間過(guò)長(zhǎng)造成較大的差拍電壓。目前廣泛使用的真空斷路器，其合、分閘時(shí)間一般在40～80 ms，適用于廠用電系統(tǒng)的切換[2]。

c. 工作電源及備用電源進(jìn)線上級(jí)保護(hù)出口均應(yīng)采用快速繼電器，動(dòng)作時(shí)間不應(yīng)大于15 ms。

3.2 切換模式

為適應(yīng)廠用電母線可能出現(xiàn)的上級(jí)電源故障、開關(guān)偷跳等故障，微機(jī)型廠用電切換裝置應(yīng)能實(shí)現(xiàn)以下4種切換模式：快速切換、同期判別切換、殘壓切換及長(zhǎng)延時(shí)切換。

3.2.1 快速切換

廠用電快速切換是指在廠用電母線電源中斷后，在母線殘壓和備用電源電壓之間的相位差拉開不超過(guò)40°范圍內(nèi)進(jìn)行的切換，可以保障母線電壓在殘壓與備用工作電壓間順利切換，不會(huì)引起大的電壓波動(dòng)，殘壓也不會(huì)過(guò)度降低。對(duì)保護(hù)電動(dòng)機(jī)具有重要意義，同時(shí)由于廠用電中壓段電壓的穩(wěn)定過(guò)渡，可保障廠用電中壓段設(shè)備運(yùn)行的安全性，對(duì)重要系統(tǒng)的運(yùn)行提供了保障。

3.2.2 首次同相切換

若快速切換未能實(shí)現(xiàn)，母線殘壓持續(xù)衰減，當(dāng)母線殘壓和備用電源電壓相對(duì)旋轉(zhuǎn)一周后，角差再次為0，即同期點(diǎn)，差壓則較小，若在這一時(shí)刻合上備用電源，電氣設(shè)備受到的沖擊也較小，這種切換稱為首次同相切換。

現(xiàn)代微機(jī)快速切換裝置對(duì)工作電源進(jìn)線電壓、備用電源進(jìn)線電壓、母線殘壓的采樣普遍采用頻率跟蹤技術(shù)，使得上述電壓幅值計(jì)算和相角計(jì)算的準(zhǔn)確性、可靠性得到有效的保障，首次同相切換也得以實(shí)現(xiàn)。切換裝置根據(jù)采集的電壓可計(jì)算母線殘壓向量相對(duì)于備用電源電壓向量旋轉(zhuǎn)到第一個(gè)同期點(diǎn)的時(shí)間，并根據(jù)合閘繼電器動(dòng)作時(shí)間及開關(guān)動(dòng)作時(shí)間設(shè)定備用電源合閘的導(dǎo)前時(shí)間，使得備用電源開關(guān)在首次同相合閘。首次同相切換沖擊電流比快速切換大，但尚在系統(tǒng)可接受的范圍內(nèi)。

3.2.3 殘壓切換

根據(jù)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)差拍電壓分析可知，母線電壓(殘壓)下降到額定電壓的20%～40%時(shí)進(jìn)行切換，電動(dòng)機(jī)是安全的。因此，在快速切換及首次同相切換未能實(shí)現(xiàn)時(shí)，在母線殘壓降低到額定電壓的20%～40%時(shí)進(jìn)行殘壓切換，作為快速切換及首次同相切換的后備，以提高廠用電切換的成功率。

3.2.4 長(zhǎng)延時(shí)切換

在某些情況下，母線殘壓可能不易衰減，如果此時(shí)母線殘壓設(shè)置不當(dāng)，可能造成切換時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或切換失敗，為故障后機(jī)組設(shè)備的恢復(fù)帶來(lái)困難，因此，需設(shè)置長(zhǎng)延時(shí)切換作為切換過(guò)程的總后備。在切換過(guò)程啟動(dòng)后，如果快速切換、首次同相切換、殘壓切換均未完成，則經(jīng)長(zhǎng)延時(shí)時(shí)間定值后，不再判斷電壓條件，直接跳開工作電源進(jìn)線，合上備用電源進(jìn)線。

3.2.5 綜合分析

綜合分析以上4種切換模式，切換裝置設(shè)計(jì)的基本原則是盡量減小切換過(guò)程產(chǎn)生的沖擊電流,其中最主要而且最理想的是快速切換，所以機(jī)組正常啟停的切換以及故障時(shí)必須首先采用快速切換，除非快速切換失敗，才繼續(xù)執(zhí)行備用切換模式。需要特別指出的是，切換裝置的4種切換模式是在同一時(shí)刻同時(shí)啟動(dòng)的，即4種不同的邏輯程序同時(shí)運(yùn)行。

廠用電失電重新合上電源，母線重新帶電后，電動(dòng)機(jī)上的電壓Um為：

Um=ΔU×Xm∥(Xm+Xs)

(1)

式中：Xm為母線上電動(dòng)機(jī)組和低壓負(fù)荷折算到高壓廠用電壓后的等值電抗；Xs為電源的等值電抗；ΔU為電源電壓和殘壓之間的差拍電壓。

令Um等于電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的允許電壓，即為1.1倍電動(dòng)機(jī)的額定電壓Ude：

Um=ΔU×Xm∥(Xm+Xs)=1.1Ude

(2)

由式(1)、式(2)可得：

ΔU/Ude=1.1×(Xm+Xs)∥Xm

(3)

令電動(dòng)機(jī)的分壓系數(shù)為K，則有：

K=Xm∥(Xm+Xs)

(4)

由此可得出：

ΔU/Ude=1.1∥K

(5)

在殘壓特性曲線的AB段，實(shí)現(xiàn)的電源切換稱為“快速切換”，即在圖1中B點(diǎn)(0.3 s)以前進(jìn)行切換，對(duì)電機(jī)是安全的。延時(shí)至C點(diǎn)(0.47 s)以后進(jìn)行同期判別實(shí)現(xiàn)的切換稱為“首次同期切換”，此時(shí)對(duì)電機(jī)也是安全的。等殘壓衰減到20%～40%時(shí)實(shí)現(xiàn)的切換，即為“殘壓切換”。為確保切換成功，當(dāng)事故切換開始時(shí)，裝置自動(dòng)啟動(dòng)“長(zhǎng)延時(shí)切換”作為事故切換的總后備。

4 應(yīng)用分析

4.1 應(yīng)用實(shí)例

華能國(guó)際電力股份有限公司上安電廠(簡(jiǎn)稱“華能上安電廠”)一期廠用電切換在設(shè)計(jì)初期采用手動(dòng)切換的方式,為消除手動(dòng)切換中的不穩(wěn)定因素，提高廠用電切換的穩(wěn)定性及成功率，將一期機(jī)組每段廠用電中壓段(共計(jì)六段)切換裝置更換為SUE-3000型微機(jī)式快速切換裝置，每套切換裝置對(duì)一段廠用電母線的切換進(jìn)行控制。經(jīng)調(diào)試試驗(yàn),新型微機(jī)式快速切換裝置可滿足廠用電切換需要，試驗(yàn)結(jié)果如下：

a. 快速切換：在電壓、開關(guān)狀態(tài)條件滿足的條件下，由外部指令啟動(dòng)切換?？焖偾袚Q裝置快速完成切換。采用并聯(lián)切換模式，裝置同時(shí)發(fā)出工作進(jìn)線開關(guān)跳閘指令及備用進(jìn)線開關(guān)合閘指令，切換過(guò)程中母線電壓幾乎無(wú)擾動(dòng)，切換時(shí)間僅與開關(guān)和跳閘固有時(shí)間有關(guān)，若采用快速斷路器，可在100 ms內(nèi)完成切換。

b. 首次同相切換：切換啟動(dòng)時(shí)母線電壓與備用進(jìn)線電壓角差過(guò)大，裝置無(wú)法完成快速切換，則裝置先跳開工作電源進(jìn)線，待母線電壓與備用進(jìn)線電壓角差再次滿足切換條件時(shí)合備用進(jìn)線開關(guān)，一般能在500 ms內(nèi)完成切換。

c. 殘壓切換：殘壓定值為40%UN，啟動(dòng)切換后，若不滿足快速切換條件，且母線電壓與備用進(jìn)線電壓角差過(guò)大，頻率相近，長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法滿足首次同相切換條件，則在母線電壓降至定值以下時(shí)，快速切換裝置自動(dòng)合入備用進(jìn)線開關(guān)，完成殘余電壓切換。

d. 長(zhǎng)延時(shí)切換：長(zhǎng)延時(shí)切換定值為2 s，在快速切換、首次同相切換、殘壓切換均未完成的情況下，裝置將啟動(dòng)長(zhǎng)延時(shí)切換，不再判斷母線電壓，在經(jīng)長(zhǎng)延時(shí)時(shí)間定值后，合上備用進(jìn)線開關(guān)。

4.2 注意事項(xiàng)

為保證快速切換可靠性，中壓段的工作進(jìn)線及備用進(jìn)線應(yīng)取自電網(wǎng)聯(lián)系較緊密的電網(wǎng)，如華能上安電廠一期機(jī)組220 kV系統(tǒng)，備用變壓器也取自220 kV系統(tǒng)，則工作進(jìn)線電壓與備用進(jìn)線電壓角差很小，幾乎可以忽略不計(jì)，工作電壓與備用電壓較容易滿足切換時(shí)的角差條件，華能上安電廠二、三期機(jī)組工作電壓取自500 kV系統(tǒng)，備用電壓取自220 kV系統(tǒng)，則其角差較大，不利于快速切換的可靠進(jìn)行，角差不滿足快速切換且有條件的電廠可考率在兩系統(tǒng)間加裝聯(lián)絡(luò)變壓器。應(yīng)使用固有分合閘時(shí)間分別為40～60 ms和50～80 ms的真空斷路器，而不能使用固有分合閘時(shí)間較長(zhǎng)的少油斷路器。防止開關(guān)的合跳閘時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，開關(guān)合閘瞬間超越同期條件引起環(huán)流過(guò)大，進(jìn)線保護(hù)誤動(dòng)作，進(jìn)而導(dǎo)致切換失敗。

5 結(jié)束語(yǔ)

廠用電切換出現(xiàn)的問(wèn)題具有較大的普遍性，這與現(xiàn)有切換方式和切換裝置有關(guān)。隨著機(jī)組容量的增大和電廠自動(dòng)化水平的提高，對(duì)廠用電切換提出了更高的要求，即便是快速切換，也不能避免對(duì)廠用電電壓的沖擊，因此，快速切換裝置靈活、合理的啟動(dòng)方式有待于更深入的研究。

參考文獻(xiàn)：

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[2] DL/T 1073-2007，電廠廠用電源快速切換裝置通用技術(shù)條件[S].