廠用電快切失敗的原因分析及處理

陳海云

摘要：在大容量發(fā)電廠，廠用電連續(xù)可靠供電是保證發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行的基本條件，廠用工作電源與備用電源間的切換是實(shí)現(xiàn)廠用電可靠供電的重要手段。本文對6kV快切裝置切換失敗的原因進(jìn)行分析，并提出處理方法。

關(guān)鍵詞：廠用電;快切裝置;切換失敗;原因分析;處理方法

一般電廠廠用電系統(tǒng)設(shè)有工作電源及備用電源，正常運(yùn)行時(shí)由工作電源供電，停機(jī)及事故時(shí)由備用電源供電。由正常工作電源到備用電源的切換，需要裝設(shè)電源切換裝置，由于快切裝置在啟動(dòng)方式及切換時(shí)間上具備明顯的優(yōu)勢，使得廠用電快切裝置在供配電系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

1 廠用電切換必須具備的外部條件

廠用電源切換的條件包括：正常運(yùn)行備用電源與工作電源之間的電壓相位差一般≤20 °;用于快速切換的斷路器必須具有快速閉合性能，要求斷路器的閉合時(shí)間不超過0.1 s，一般采用真空斷路器，其時(shí)間一般在40～80 ms;發(fā)電機(jī)和廠用電保護(hù)裝置必須快速動(dòng)作，目前廣泛使用微機(jī)型保護(hù)繼電器。

2 廠用電系統(tǒng)切換方式

廠用電系統(tǒng)的切換方式，按照裝置啟動(dòng)的原因可分為：正常手動(dòng)切換，事故切換及非正常工況切換;按照斷路器的動(dòng)作順序可分為：并聯(lián)切換、串聯(lián)切換及同時(shí)切換。并聯(lián)切換即先合上備用電源，然后跳開工作電源。這種切換方式兩電源會有短暫的并列時(shí)間，如果在切換過程中，機(jī)組或工作電源發(fā)生故障，由于電源的并列，將加劇故障，擴(kuò)大事故范圍，因此，并聯(lián)切換禁止使用于事故切換。

串聯(lián)切換即先斷開工作電源，確認(rèn)工作開關(guān)斷開后，再合上備用電源，串聯(lián)切換時(shí)間長，一般都在150 ms 以上，因此切換對系統(tǒng)和設(shè)備造成的沖擊較大，而且由于允許切換的條件之一是工作電源的成功斷開，其輔助接點(diǎn)的可靠性是切換成功的關(guān)鍵因素之一。

快速切換即同時(shí)發(fā)出斷路器的指令，快速切換時(shí)間極短，能滿足系統(tǒng)對沖擊電流的要求，切換成功率高，安全性好?？焖偾袚Q一般有兩種啟動(dòng)方式：手動(dòng)啟動(dòng)和保護(hù)啟動(dòng)。機(jī)組起停機(jī)過程的廠用電切換采用手動(dòng)啟動(dòng)方式;事故情況下的切換采用保護(hù)啟動(dòng)方式，由機(jī)組或廠用工作電源的主保護(hù)發(fā)送啟動(dòng)命令。特殊條件下，廠用電系統(tǒng)的切換也可由失壓信號啟動(dòng)。

3 切換裝置原理

手動(dòng)正常切換是指在系統(tǒng)正常工況時(shí)，由于運(yùn)行需要廠用母線從一個(gè)電源切換到另一個(gè)電源，這種方式可由工作電源切換至備用電源，也可由備用電源切換至工作電源。它主要用于發(fā)電機(jī)起、停機(jī)時(shí)的廠用電切換。手動(dòng)切換分為并聯(lián)切換及串聯(lián)切換，切換速度沒有特殊要求，只需滿足兩個(gè)電源并聯(lián)的條件就可以實(shí)施。事故切換指由發(fā)變組、廠變保護(hù)接點(diǎn)啟動(dòng)，單向操作，只能由工作電源切向備用電源。事故切換有兩種方式可供選擇，即事故串聯(lián)切換和事故同時(shí)切換。串聯(lián)切換和同時(shí)切換的共同點(diǎn)都是由保護(hù)接點(diǎn)啟動(dòng)，所不同的是串聯(lián)切換是先斷開工作電源開關(guān)，在確認(rèn)工作電源開關(guān)已斷開且切換條件滿足時(shí)，合上備用電源開關(guān)。

快速切換是當(dāng)母線電源中斷后，立刻同時(shí)發(fā)出斷路器的閉合指令，若快切的邏輯條件滿足要求，立即執(zhí)行快切功能，跳開工作電源，同時(shí)合上備用電源。廠用電快速切換時(shí)，母線殘壓和備用電源電壓之間的相位差拉開不超過30°，快速切換時(shí)間極短，切換全過程一般不超過100 ms，實(shí)際應(yīng)用中，快速切換的成功率很高，完全能滿足系統(tǒng)對沖擊電流的要求，安全性好。

4 廠用電切換失敗的原因分析

4.1 廠用電快切失敗案例

某電廠兩臺機(jī)組，出線電壓等級為35KV，廠用電電壓等級為6KV，接線方式均為單母分段方式，沒有高廠變。兩臺機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，廠用電采用單母分段運(yùn)行方式，每臺機(jī)組各帶本機(jī)組廠用電;一臺機(jī)組檢修時(shí)，廠用電采用單母不分段運(yùn)行方式，由檢修機(jī)組的主變通過倒送電方式帶機(jī)組廠用電。兩條進(jìn)線開關(guān)和母聯(lián)開關(guān)之間的正常倒閘，采用先合后分的方式;事故情況下，采用備自投裝置進(jìn)行切換。機(jī)組投運(yùn)后，廠用電切換一直正常。在一次廠用電切換時(shí)進(jìn)線開關(guān)跳閘，廠用電全部失去。

某日，該電廠運(yùn)行人員進(jìn)行廠用電切換倒閘操作，當(dāng)時(shí)運(yùn)行方式如下：#2發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行，#1機(jī)組在檢修期間，1號發(fā)電機(jī)出口開關(guān)、刀閘在斷開位置，35KV母線單母分段運(yùn)行，母聯(lián)開關(guān)開關(guān)在分位。6KV母線單母不分段運(yùn)行，6123開關(guān)在合位。廠用電由#1主變倒送電供給，6111開關(guān)在合位，6211開關(guān)在分位。廠用電系統(tǒng)如圖2所示。

4.2 導(dǎo)致此次廠用電切換失敗的原因分析

倒廠用電前，6111開關(guān)帶所有6KV廠用負(fù)荷，通過1號主變的電流方向是由高壓側(cè)流向低壓側(cè);合上6211開關(guān)之后、斷開6111開關(guān)之前，即合環(huán)時(shí)6211開關(guān)除了要帶6KV所有廠用負(fù)荷外，還要帶通過1號主變送往35KV系統(tǒng)的負(fù)荷，流過1號主變的電流方向變?yōu)橛傻蛪簜?cè)流向高壓側(cè)，此負(fù)荷電流與6KV廠用負(fù)荷電流之和大于6211開關(guān)過流保護(hù)整定值，使6211開關(guān)過流保護(hù)動(dòng)作，經(jīng)延時(shí)（5s）出口跳閘。

此次進(jìn)行廠用電切換操作時(shí)，運(yùn)行人員合上6211開關(guān)后，立刻手動(dòng)斷開6111開關(guān)，在斷開6111開關(guān)的同時(shí)，6211開關(guān)過流保護(hù)動(dòng)作跳閘，造成6KV母線失壓。6211開關(guān)過流保護(hù)延時(shí)5秒跳閘，由于合環(huán)時(shí)間超過了5秒，所以保護(hù)得以出口動(dòng)作，使開關(guān)跳閘?？梢?，單靠運(yùn)行人員手動(dòng)操作來控制合環(huán)時(shí)間，存在很大的偶然性，是不可靠的。

5 進(jìn)行技術(shù)改造的必要性

5.1 廠用線開關(guān)狀態(tài)分析

該電廠接線方式為6KV單母分段，6KV廠用電的運(yùn)行方式一般是6KV母聯(lián)6123開關(guān)合位，6111開關(guān)合位或6211開關(guān)合位，6KV母線由一條廠用線供電，另一條廠用線開關(guān)熱備用狀態(tài)。在切換廠用電時(shí)，先合上熱備用的廠用線開關(guān)，再斷開工作的廠用線開關(guān)，如果此時(shí)廠用電是通過主變反送電，短時(shí)的合環(huán)將可能使回路電流突然增大，大于廠用線進(jìn)線開關(guān)過流保護(hù)定值，使保護(hù)動(dòng)作跳閘，造成6KV母線失壓，嚴(yán)重影響機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。

5.2 備自投裝置的使用效果并不理想

原因是從失電到失壓進(jìn)而無壓（65V），備自投完成動(dòng)作的過程持續(xù)時(shí)間長達(dá)1-2 秒，甚至更長，此時(shí)電動(dòng)機(jī)已經(jīng)被分批切除。即使是延遲時(shí)間較長的高壓重要電動(dòng)機(jī)沒被切除，由于母線已經(jīng)無壓，轉(zhuǎn)速已經(jīng)嚴(yán)重下降，直接影響生產(chǎn)過程的連續(xù)性。而且此時(shí)恢復(fù)供電將造成較大的電動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)電流，對供電網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生沖擊。而對400V系統(tǒng)而言，低電壓將造成接觸器脫扣，變頻器停止工作。總之備自投實(shí)際上并沒有真正起到保障供電連續(xù)性的作用。

5.3 啟動(dòng)條件

在啟動(dòng)條件上，備自投裝置僅僅采用失壓啟動(dòng)，并沒有考慮把有關(guān)的保護(hù)動(dòng)作、失電作為啟動(dòng)條件以縮短啟動(dòng)時(shí)間;在合閘（合備用電源）條件上，采用延時(shí)（0.5S）和無壓（65V）判據(jù)，沒有采用在廠用電切換中已經(jīng)獲得巨大成功的母線電壓、頻率、相位實(shí)時(shí)跟蹤技術(shù)，實(shí)現(xiàn)“快速切換”。

5.4 風(fēng)險(xiǎn)分析

在6KV廠用電系統(tǒng)運(yùn)行方式倒換時(shí)，運(yùn)行人員只能手動(dòng)操作切換廠用電，備自投裝置單一的失壓啟動(dòng)方式不能保證6KV母線在切換過程中不出現(xiàn)失壓的風(fēng)險(xiǎn)。

6 避免廠用電切換失敗，提高備用電源自動(dòng)投入可靠性的解決方案

《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》GB14285規(guī)定“自動(dòng)投入裝置在條件可能時(shí)，宜采用帶有檢定同步的快速切換方式，并采用帶有母線殘壓閉鎖的慢速切換方式及長延時(shí)切換方式作為后備;條件不允許時(shí)，可僅采用帶有母線殘壓閉鎖的慢速切換方式及長延時(shí)切換方式?！备鶕?jù)該廠的運(yùn)行方式，增加快切裝置將大大提高6KV 廠用電源的可靠性。

6.1 快切裝置的啟動(dòng)方式

快切裝置提供手動(dòng)啟動(dòng)、保護(hù)啟動(dòng)、斷路器變位啟動(dòng)（即斷路器誤跳啟動(dòng)）、無流啟動(dòng)、頻壓異常啟動(dòng)、逆功率起動(dòng)和欠壓啟動(dòng)（傳統(tǒng)的備自投功能）方式。手動(dòng)啟動(dòng)：快切裝置接受到“手動(dòng)啟動(dòng)”的指令后，可以進(jìn)行手動(dòng)切換，用于系統(tǒng)恢復(fù)或正常不停電倒閘操作。保護(hù)啟動(dòng)：將線路、線路變壓器組等電源側(cè)保護(hù)設(shè)備的快速主保護(hù)接點(diǎn)引入到快切裝置中，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，一旦檢測到電源側(cè)主保護(hù)動(dòng)作信號，快切裝置立即啟動(dòng)，動(dòng)作于斷開故障電源線路斷路器，投入備用電源。斷路器變位啟動(dòng)：當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，若原本處于合位的進(jìn)線斷路器跳開，包括非進(jìn)線保護(hù)動(dòng)作引起的跳閘、手動(dòng)操作斷路器或遙控?cái)嗦菲饕鸬奶l（將斷路器的手跳和遙跳接點(diǎn)接入快切裝置的“閉鎖切換”開關(guān)量輸入口），并且進(jìn)線無流，則啟動(dòng)快切裝置。欠壓啟動(dòng)：當(dāng)檢測到母線三相電壓均低于欠壓啟動(dòng)整定值且進(jìn)線無流，經(jīng)整定延時(shí)裝置啟動(dòng)切換功能。

6.2 快切裝置的切換方式

裝置在啟動(dòng)后，會按照一定的順序操作工作電源斷路器和備用電源斷路器。自動(dòng)切換方式包括串聯(lián)切換方式和同時(shí)切換方式。手動(dòng)切換方式包括：并聯(lián)切換方式、串聯(lián)切換方式和同時(shí)切換方式。

各種切換方式說明如下：并聯(lián)切換方式——裝置啟動(dòng)后，若并聯(lián)條件滿足，裝置先合上母聯(lián)斷路器，此時(shí)進(jìn)線1、進(jìn)線2兩個(gè)電源短時(shí)并列，經(jīng)整定延時(shí)（并聯(lián)跳閘延時(shí)）后裝置再跳開規(guī)定的進(jìn)線斷路器;串聯(lián)切換方式——裝置啟動(dòng)后，先跳開相應(yīng)的進(jìn)線斷路器，在確認(rèn)進(jìn)線跳開后，再根據(jù)合閘條件發(fā)出合母聯(lián)斷路器命令;同時(shí)切換方式——裝置啟動(dòng)后，先發(fā)出跳相應(yīng)進(jìn)線斷路器的指令，不確認(rèn)進(jìn)線斷路器是否已經(jīng)跳閘，然后經(jīng)整定的同時(shí)切換合閘延時(shí)，再根據(jù)合閘條件發(fā)出合母聯(lián)斷路器的命令。事故自動(dòng)切換方式一般選擇串聯(lián)切換方式，當(dāng)上級線路、電源出現(xiàn)事故異常情況時(shí)，快切裝置發(fā)出跳開工作斷路器指令，并在檢測到工作斷路器確已跳開后，才允許合備用斷路器。

6.3 快切裝置的實(shí)現(xiàn)方式

快切裝置提供的實(shí)現(xiàn)方式包括：快速切換、同期捕捉切換（以下簡稱“同捕”）、殘壓切換，裝置通過自身判斷選擇用哪種方式實(shí)現(xiàn)。各種實(shí)現(xiàn)方式如下：快速切換——快速切換是最理想的一種合閘方式，既能保證電動(dòng)機(jī)安全，又不使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降太多。在并聯(lián)切換方式下，實(shí)現(xiàn)快速切換條件為：母線和待并側(cè)電源壓差|du|<“并聯(lián)切換壓差”，且頻差|df|<“并聯(lián)切換頻差”，且相差|dq|<“并聯(lián)切換相差”。在串聯(lián)或同時(shí)切換方式下，實(shí)現(xiàn)快速切換的條件為：母線和待并側(cè)電源頻差|df|<“快速切換頻差”且相差|dq|<“快速切換相差”?？焖偾袚Q是速度最快的合閘方式;同期捕捉切換——當(dāng)快速切換不成功時(shí)，同期捕捉切換是一種最佳的后備切換方式。同期捕捉切換的原理是實(shí)時(shí)跟蹤母線電壓和備用電壓的頻差和角差變化，以同相點(diǎn)作為合閘目標(biāo)點(diǎn);殘壓切換——當(dāng)母線電壓衰減到20%-40%實(shí)現(xiàn)的切換稱為殘壓切換。殘壓切換雖能保證電動(dòng)機(jī)安全，但由于停電時(shí)間過長，電動(dòng)機(jī)自起動(dòng)成功與否、自起動(dòng)時(shí)間等會受到較大限制。殘壓切換的實(shí)現(xiàn)條件為：母線電壓<“殘壓切換電壓幅值”。

6.4 快切裝置的配置方案

通過改造將原來的6KV 備自投裝置改為快切裝置（圖3）。共配置1臺快切裝置，可以實(shí)現(xiàn)兩段母線分列運(yùn)行，任一電源進(jìn)線故障時(shí)，進(jìn)線開關(guān)向母聯(lián)開關(guān)的切換;母聯(lián)在合位運(yùn)行時(shí)，單進(jìn)線供電，快切裝置也可實(shí)現(xiàn)雙進(jìn)線之間的切換。本方案中，手動(dòng)切換采用并聯(lián)切換方式;故障情況下切換采用串聯(lián)切換。

在2臺機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，6KV廠用電采用單母分段運(yùn)行方式。正常切換廠用電時(shí)，快切裝置可以實(shí)現(xiàn)6123和6111，6123和6211之間來回切換;6111和6211任一開關(guān)無論是保護(hù)動(dòng)作跳閘還是開關(guān)偷跳，都可以實(shí)現(xiàn)快速合上6123開關(guān)。

在任一機(jī)組檢修期間，6KV廠用電采用單母不分段運(yùn)行方式。正常切換廠用電時(shí)，快切裝置可以實(shí)現(xiàn)6111和6211之間來回切換;工作進(jìn)線開關(guān)無論是保護(hù)動(dòng)作跳閘還是偷跳，備用進(jìn)線開關(guān)快速合上。

在手動(dòng)切換廠用電時(shí)，快速切換實(shí)現(xiàn)方式時(shí)間非常短，在300ms左右，相比較原來的由運(yùn)行人員手動(dòng)合、跳開關(guān)時(shí)間大大縮短，保證了切換廠用電的安全可靠;在故障時(shí)，相比較備自投裝置采用的失壓起動(dòng)由了大大縮短，并且更加可靠、穩(wěn)定，合閘電壓沖擊幾乎沒有。同時(shí)，相比于備自投裝置，增加了保護(hù)動(dòng)作啟動(dòng)和閉鎖快切的功能，并在開關(guān)偷跳時(shí)也能可靠動(dòng)作。改造結(jié)束至今，該電廠廠用電系統(tǒng)一直運(yùn)行穩(wěn)定，并且可靠的在幾次開關(guān)誤跳的情況下，保證了廠用電的穩(wěn)定運(yùn)行。

7 結(jié)論

通過對該電廠6KV廠用電備自投裝置改造為快切裝置。消除了該電廠在廠用電切換時(shí)存在的巨大風(fēng)險(xiǎn)，提高了在出現(xiàn)故障、開關(guān)誤跳、保護(hù)動(dòng)作等情況下廠用電的動(dòng)作可靠性。保證了發(fā)電機(jī)經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行。

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