廠用電互聯(lián)模式下備用/檢修電源快速切換探討

【摘要】為減少下網(wǎng)電量，降低生產(chǎn)成本，越來(lái)越多的火力發(fā)電廠采用6kV廠用電互聯(lián)方式，即一臺(tái)機(jī)組運(yùn)行，另一臺(tái)相鄰機(jī)組檢修時(shí)，由運(yùn)行機(jī)組向檢修機(jī)組提供檢修電源。但常規(guī)廠用電快切裝置只實(shí)現(xiàn)6kV工作電源與備用電源之間的快速切換。備用電源與檢修電源之間采用手動(dòng)切換，需倒換380V負(fù)荷，操作步驟多。本文以湖南省某火力發(fā)電廠為例，探討通過(guò)廠用電快切裝置及BZT裝置實(shí)現(xiàn)備用電源與停機(jī)檢修電源快速切換的可行性。

【關(guān)鍵詞】廠用電；互聯(lián)；備自投；廠用電快切

1、湖南省某火力發(fā)電廠電氣一次主接線

湖南某火力發(fā)電廠機(jī)組容量為2×310MW，采用發(fā)-變-線路組接入附近220kV變電站，兩臺(tái)機(jī)組機(jī)端分別接掛一臺(tái)高壓廠用變壓器和高壓脫硫變壓器（只給脫硫系統(tǒng)供電），起動(dòng)/備用電源從I期110kV母線接入。每臺(tái)機(jī)組都取消了一臺(tái)電動(dòng)給水泵，因此高壓廠用變壓器裕量較大。3號(hào)機(jī)6kV廠用工作IIIA段與4號(hào)機(jī)6kV廠用工作IVA段互聯(lián)，3號(hào)機(jī)6kV廠用工作IIIB段與4號(hào)機(jī)6kV廠用工作IVB段獨(dú)立運(yùn)行，未進(jìn)行互聯(lián)。

2、備用電源與檢修電源相互手動(dòng)切換

停機(jī)后，全廠公用的循環(huán)水泵電機(jī)由運(yùn)行機(jī)組母線或停機(jī)機(jī)組的6kV工作B段供電，該停備機(jī)組6kV廠用電A段高壓電機(jī)全部停止運(yùn)行，但低壓廠用變壓器處于運(yùn)行狀態(tài)，繼續(xù)向照明、公用及直流保安等系統(tǒng)供電，不能中斷。由于起動(dòng)/備用變壓器接于110kV系統(tǒng)，運(yùn)行機(jī)組接入220kV系統(tǒng)，若采用先合停機(jī)檢修電源開(kāi)關(guān)后拉備用電源開(kāi)關(guān)，必然會(huì)造成110kV系統(tǒng)與220kV系統(tǒng)通過(guò)6kV廠用母線合環(huán)，危及運(yùn)行機(jī)組6kV廠用系統(tǒng)安全，甚至造成系統(tǒng)振蕩，威脅系統(tǒng)和機(jī)組安全。

停機(jī)時(shí)由工作電源通過(guò)廠用電快切裝置切換到備用電源，待停機(jī)各項(xiàng)工作完成，高壓電機(jī)全部停運(yùn)，機(jī)組進(jìn)入檢修狀態(tài)后，3號(hào)機(jī)6kV廠用IIIA段或4號(hào)機(jī)廠用IVA段由備用電源手動(dòng)切換至停機(jī)檢修電源。檢修恢復(fù)開(kāi)機(jī)時(shí)，6kV廠用IIIA段或IVA段先由停機(jī)檢修電源手動(dòng)切換至備用電源，由備用電源提供機(jī)組起動(dòng)電源，待機(jī)組并網(wǎng)后，再通過(guò)廠用電快切裝置切換至工作電源。

因此，只能騰空廠用電互聯(lián)的停機(jī)機(jī)組6kV工作A段母線負(fù)荷，由該機(jī)6kV工作B段或運(yùn)行機(jī)組向其380V負(fù)荷供電。

下面以3號(hào)機(jī)為例，說(shuō)明由備用電源向停機(jī)檢修電源切換時(shí)的操作步驟。

3號(hào)機(jī)停機(jī)時(shí)，6kV廠用工作IIIA段在騰空母線時(shí)需要切除的設(shè)備有#1照明變、#1斗輪機(jī)變、#1公用變、#3A鍋爐變、#3A電除塵變、#3A汽機(jī)工作變、#3輸煤變、干灰電源，共8個(gè)低壓廠用變壓器，并需將6kV廠用工作IIIA段母線所有設(shè)備置禁操位，斷開(kāi)照明和加熱電源及操作電源。根據(jù)該電廠操作票統(tǒng)計(jì)，每個(gè)低壓廠用變壓器由“運(yùn)行”轉(zhuǎn)“熱備用”檢查、操作項(xiàng)目約為60項(xiàng)，6kV廠用工作IIIA段變壓器轉(zhuǎn)熱備用約需檢查、操作項(xiàng)目約480項(xiàng)；#3機(jī)組停機(jī)后6KVⅣA段向6KVⅢA段供電操作票檢查、操作項(xiàng)目453項(xiàng)，因此，騰空6kV廠用工作IIIA段母線約需檢查和操作項(xiàng)目約930余項(xiàng)。騰空母線后，手動(dòng)斷開(kāi)備用電源開(kāi)關(guān)，合上6kV工作IV A段停機(jī)檢修電源開(kāi)關(guān)、III A段停機(jī)檢修電源開(kāi)關(guān)，使6kV廠用工作IIIA段恢復(fù)帶電。再逐一恢復(fù)該段母線上變壓器運(yùn)行。檢修結(jié)束準(zhǔn)備開(kāi)機(jī)時(shí)，又需反向重復(fù)上述工作。由此可見(jiàn)，在一個(gè)檢修周期內(nèi)，因備用電源與停機(jī)檢修電源之間導(dǎo)致增加的檢查和操作約1860余項(xiàng)，工作量非常大，不但工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且誤操作的幾率相應(yīng)較高。

并且，一旦停機(jī)檢修電源出現(xiàn)問(wèn)題，不能自動(dòng)切換至備用電源，6kV廠用工作IIIA段只能斷電，只能通過(guò)運(yùn)行人員手動(dòng)合備用電源開(kāi)關(guān)恢復(fù)供電，給3號(hào)機(jī)安全檢修及設(shè)備安全帶來(lái)隱患。

3、備用電源與檢修電源雙向快速切換改造方案

3.1采用廠用電快速切換裝置

3.1.1廠用電快速切換裝置簡(jiǎn)介

眾所周知，廠用電快速切換裝置是保證廠用電事故工況或正常手動(dòng)操作對(duì)母線電源快速切換的自動(dòng)控制裝置。當(dāng)工作電源發(fā)生故障時(shí)，在廠用電母線電壓衰減的過(guò)程中，尋找合適的機(jī)會(huì)投入備用電源，以保證6kV廠用系統(tǒng)的正常運(yùn)行。目前市面上的產(chǎn)品主要以母線電壓與備用電源電壓間的頻差和相角差為切換判據(jù)[1-4]，其余還有預(yù)測(cè)沖擊電流[5]和中速切換[6]等原理。切換裝置一般包括快速切換、同期捕捉切換、殘壓切換和長(zhǎng)延時(shí)切換四種切換方法[7-9]，根據(jù)生產(chǎn)廠家的不同，還有耐受電壓切換等；快切啟動(dòng)判據(jù)主要有事故、非正常工況（開(kāi)關(guān)偷跳/母線失壓）、手動(dòng)。切換模式有串聯(lián)切換、同時(shí)切換、并聯(lián)自動(dòng)切換、并聯(lián)半自動(dòng)切換、并聯(lián)失敗轉(zhuǎn)串聯(lián)/同時(shí)切換等。

（1）快速切換。在工作電源保護(hù)動(dòng)作（根據(jù)一次系統(tǒng)接線方式確定，一般為線路保護(hù)、發(fā)電機(jī)、變壓器保護(hù)出口接點(diǎn)）時(shí)啟動(dòng)快切裝置，并自動(dòng)斷開(kāi)工作電源，不經(jīng)延時(shí)自動(dòng)合備用電源開(kāi)關(guān)。但有閉鎖條件，一般為母線電壓與備用電源進(jìn)線電壓的角差、頻差在定值范圍之內(nèi)，母線電壓合格。

（2）同期捕捉切換：快速切換未成功后，實(shí)時(shí)跟蹤殘壓的角差和頻差變化，當(dāng)相角差越過(guò)不安全區(qū)后，工作母線殘壓和備用電源電壓第一次相位重合時(shí)合閘。此時(shí)工作母線殘壓約在 65%-70%額定電壓，對(duì)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)很有利，同時(shí)沖擊電流、沖擊電壓都最小[10]。

（3）殘壓切換。同期捕捉切換失敗后，就自動(dòng)轉(zhuǎn)入殘壓切換。殘壓切換時(shí)殘壓衰減到20%-40%額定電壓時(shí)，投入備用電源，是實(shí)現(xiàn)廠用電源切換。殘壓切換雖可保證電動(dòng)機(jī)安全，但停電時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。

（4）長(zhǎng)延時(shí)切換。當(dāng)快速切換、同期捕捉切換、殘壓切換均失敗后，經(jīng)長(zhǎng)延時(shí)合備用電源開(kāi)關(guān)。

3.1.2正常手動(dòng)切換說(shuō)明

手動(dòng)切換是手動(dòng)啟動(dòng)切換，而后通過(guò)邏輯判斷自動(dòng)進(jìn)行的。在檢測(cè)到外部（就地/遠(yuǎn)方）手動(dòng)切換信號(hào)時(shí)，啟動(dòng)停機(jī)檢修電源與備用電源之間的快速切換操作。切換模式可以選擇串聯(lián)、同時(shí)、并聯(lián)自動(dòng)、并聯(lián)半自動(dòng)等切換中任意一種模式。

進(jìn)入停機(jī)檢修狀態(tài)后，6kV工作IIIA段上高壓電機(jī)全停，負(fù)載主要為照明、UPS、直流浮充電等阻性負(fù)載及少量380V低壓電機(jī)，但低壓電動(dòng)機(jī)由于磁場(chǎng)能量、機(jī)械慣量都很小，電壓下降很快，一般經(jīng)過(guò)數(shù)百毫秒（甚至更短）就能降至25%額定值以下[1]，因此斷電后電壓衰減很快。

由圖1、圖2、圖3可見(jiàn)，低壓廠用變壓器高低壓側(cè)斷路器在6kV母線失電時(shí)不會(huì)跳閘，380V電動(dòng)機(jī)二次控制回路有動(dòng)合延時(shí)返回繼電器，其定值一般設(shè)置為2s，因此，只要快切裝置在2s內(nèi)完成自投，380V電動(dòng)機(jī)仍可完成自啟動(dòng)。由此可見(jiàn)，機(jī)組安全停機(jī)后對(duì)切換速度要求并不高。但要盡量避免非同期合閘和合環(huán)運(yùn)行，防止危及相鄰工作機(jī)組6kV廠用電系統(tǒng)。因此，宜采用串聯(lián)切換，檢測(cè)母線無(wú)壓后才合備用電源開(kāi)關(guān)。

3.1.3事故/非正常工況下切換

由于開(kāi)關(guān)偷跳或檢修電源故障等工況下，快切裝置進(jìn)行事故或非正常工況切換，切換模式可選擇串聯(lián)或同時(shí)，統(tǒng)計(jì)西門(mén)子、ABB、伊頓、GE等幾大品牌高壓真空斷路器的動(dòng)作時(shí)間，合閘時(shí)間一般為50-70ms，分閘時(shí)間一般為20-50ms，分閘速度快于合閘速度，但為了檢修電源跳閘失敗造成合環(huán)，因此，宜采用串聯(lián)切換。

3.2采用備用電源自投裝置

3.2.1備用電源自投裝置簡(jiǎn)介

備用電源自動(dòng)投入裝置是電力系統(tǒng)故障或其他原因使工作電源被斷開(kāi)后，能迅速將備用電源或備用設(shè)備或其他正常工作的電源自動(dòng)投入工作，使原來(lái)工作電源被斷開(kāi)的用戶(hù)能迅速恢復(fù)供電的一種自動(dòng)裝置，簡(jiǎn)稱(chēng)BZT裝置[10]。

為確BZT裝置不自投到故障點(diǎn)和避免合環(huán)，且防止誤動(dòng)作，BZT裝置一般要滿(mǎn)足五個(gè)條件：

（1）工作電源必須先斷開(kāi)后再合上備用電源，防止BZT裝置自投到故障上或工作電源與備用電源非同期合閘或合環(huán)運(yùn)行。

（2）備用電源電壓、頻率等參數(shù)滿(mǎn)足要求。

（3）檢測(cè)母線無(wú)壓，防止母線殘壓過(guò)高，合閘沖擊電流過(guò)大，造成設(shè)備損壞或?qū)е伦酝妒　?/p>

（4）BZT裝置接收到外部閉鎖信號(hào)時(shí)，BZT裝置應(yīng)可靠不動(dòng)作。

（5）正常運(yùn)行時(shí)，人工切除工作電源或備用電源時(shí)，BZT裝置應(yīng)可靠不動(dòng)作。

3.2.2BZT裝置正常手動(dòng)切換說(shuō)明

正常手動(dòng)切換，主要是在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)工作電源與備用電源的人為干預(yù)的互相切換，如設(shè)備輪換運(yùn)行、試驗(yàn)、檢修等。通過(guò)對(duì)目前市面上的幾款品牌BZT裝置的研究，BZT裝置均具有在正常運(yùn)行情況下，通過(guò)外部手動(dòng)切換信號(hào)或遠(yuǎn)方切換命令，實(shí)現(xiàn)工作電源與備用電源間切換的功能，并且正常手動(dòng)切換模式具備“檢同期”功能。

手動(dòng)切換功能可以投退，并且是雙向的，既可以由工作電源切向備用電源，也可由備用電源切向工作電源。且切換方式可根據(jù)不同需要進(jìn)行設(shè)置，可通過(guò)對(duì)手切定值的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)各種場(chǎng)合下手切功能的靈活配置，主要有：

同快切裝置一樣，為了避免廠用電系統(tǒng)非同期合閘和合環(huán)運(yùn)行，防止危及工作機(jī)組6kV廠用電系統(tǒng)，宜采用串聯(lián)模式。

3.2.3事故情況下切換

由于停機(jī)檢修電源進(jìn)線開(kāi)關(guān)偷跳或電源故障，在備用電源有壓，且無(wú)閉鎖信號(hào)的條件下，當(dāng)母線電壓小于母線失壓定值，且持續(xù)時(shí)間超過(guò)失壓?jiǎn)?dòng)時(shí)間；或工作電源開(kāi)關(guān)變分位，且保持誤跳啟動(dòng)時(shí)間。滿(mǎn)足以上任一條件，且停機(jī)檢修電源進(jìn)線無(wú)電流，即跳停機(jī)檢修電源開(kāi)關(guān)，滿(mǎn)足母線無(wú)壓檢測(cè)條件，且在延時(shí)定值到時(shí)后，自動(dòng)合備用電源的開(kāi)關(guān)，投入備用電源，使6kV工作IIIA段恢復(fù)正常。

4、方案選擇

4.1BZT裝置與廠用電快切裝置性能比較

早期BZT裝置與廠用電快切裝置最大的區(qū)別一是快切是雙向的，正常工況下備用電源與工作電源間可雙向切換，事故/非正常工況下工作電源向備用電源的單向切換；而備自投是單向的，只能由工作電源切至備用電源。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，BZT裝置與與快切裝置的的功能越來(lái)越相近，BZT裝置不但能雙向切換，甚至廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品動(dòng)輒就有十幾種備投方案可供選擇，甚至能根據(jù)客戶(hù)要求自定義備投方案。二是快切裝置在事故/非正常工況下通過(guò)快速切換、同期捕捉切換實(shí)現(xiàn)廠用電源快速切換，對(duì)電動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)有利，特別是對(duì)維持大型機(jī)組鍋爐的穩(wěn)定大有裨益。而B(niǎo)ZT裝置在事故/非正常工況下只能實(shí)現(xiàn)殘壓或無(wú)壓切換，切換速度慢。

4.2方案選擇

4.2.1裝置性能

湖南某電廠的停機(jī)檢修電源對(duì)切換速度要求不高，但要盡可能避免非同期合閘及合環(huán)對(duì)相鄰工作機(jī)組6kV廠用電系統(tǒng)的影響，因此，在設(shè)備性能上，BZT裝置與快切裝置都能滿(mǎn)足要求。

4.2.2裝置價(jià)格

通過(guò)對(duì)市面上幾大BZT裝置和快切裝置生產(chǎn)廠家的調(diào)研，同一品牌產(chǎn)品，快切裝置比BZT裝置價(jià)格約高3-5萬(wàn)元/臺(tái)，其他改造費(fèi)用如電纜、人工基本一致。

綜上，在廠用電在設(shè)備性能上，快切裝置與BZT裝置都能滿(mǎn)足要求，但BZT裝置改造費(fèi)用更省，根據(jù)性?xún)r(jià)比，建議備用電源與停機(jī)檢修電源快速切換裝置采用BZT裝置。

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