某冶煉廠小電源接入系統(tǒng)的保護設(shè)計與優(yōu)化

宮仁仕

(銅陵有色金冠銅業(yè)有限公司，安徽銅陵 244000)

隨著工業(yè)化程度的不斷發(fā)展， 企業(yè)對能源的綜合利用要求越來越高， 因此節(jié)能環(huán)保的余熱發(fā)電系統(tǒng)備受青睞。而對于大型冶煉廠而言，供電系統(tǒng)的安全可靠是企業(yè)生命的重要保證， 因此應急供電系統(tǒng)是此類企業(yè)建設(shè)過程中的必備配置[1]。

某大型冶煉廠供電系統(tǒng)由多路不同電壓等級（110 kV、10 kV 等）的小電源接入。 這些小電源接入系統(tǒng)對企業(yè)的供電安全造成了一定的影響， 因此對小電源接入系統(tǒng)的保護設(shè)計與優(yōu)化顯得至關(guān)重要。本文以該廠多路不同電壓等級的小電源接入系統(tǒng)為例，闡述了此類系統(tǒng)的保護設(shè)計與優(yōu)化。

1 備自投裝置

備自投是備用電源自動投入使用裝置的簡稱。許多工廠備用柴油發(fā)電機組采用備自投控制十分普遍。 該裝置自動監(jiān)測運行，不需人為干預。 當工廠主電網(wǎng)失電時， 備自投控制系統(tǒng)自動控制備用回路電源合閘，自動投入運行[2]。

備自投控制一般分為進線備自投和母線備自投：1）進線備自投就是兩路進線斷路器之間的投切，沒有母聯(lián)斷路器。 當主線沒電、備線有電時，先切主電斷路器，然后投備電斷路器。2）母線備自投則是指設(shè)置有母聯(lián)斷路器，兩路進線斷路器分段運行，兩段母線之間通過母聯(lián)斷路器連接。 當有一路進線沒電時，切斷沒電這一路進線斷路器，然后母聯(lián)斷路器會自動投入。

2 電源系統(tǒng)

根據(jù)供電系統(tǒng)性質(zhì)不同， 針對用戶的取電源頭分為以下幾種電源系統(tǒng)：1）主供電源，指能夠正常有效且連續(xù)為全部用電負荷提供電力的電源， 如從國家電網(wǎng)送入的電源系統(tǒng)。2）備用電源，指根據(jù)客戶在安全、業(yè)務和生產(chǎn)上對供電可靠性的實際需求，在主供電源發(fā)生故障或斷電時， 能夠有效且連續(xù)為全部或部分負荷提供電力的電源。3）自備應急電源，指由客戶自行配備的， 在正常供電電源全部發(fā)生中斷或者部分發(fā)生中斷的的情況下，至少能夠滿足對客戶保安負荷不間斷供電的獨立電源，如柴油發(fā)電等。4）自備發(fā)電電源，指由客戶自行配備的，在正常供電電源正常情況下，根據(jù)工廠性質(zhì)自建的小發(fā)電系統(tǒng),并且并入到正常供電回路上。

3 某冶煉廠供電系統(tǒng)情況

某大型有色冶煉廠2010 年建廠，2012 年投產(chǎn)，建立有110 kV 總降壓站，兩路主電源系統(tǒng)，均是110 kV 進線。 設(shè)計之初該廠有2 套柴油發(fā)電自備應急電源系統(tǒng)，裝機容量2 489 kW×2，電壓等級10 kV；1 套背壓式發(fā)電機組（1# 余熱發(fā)電）自備發(fā)電電源，裝機容量3 000 kW，電壓等級10 kV。 2014 年，根據(jù)生產(chǎn)需要增設(shè)1 套飽和凝汽式發(fā)電機組自備發(fā)電系統(tǒng)（2# 余熱發(fā)電），裝機容量7 000 kW，電壓等級10 kV。2015 年，該廠根據(jù)節(jié)能需求，引入集團內(nèi)第三路自備發(fā)電電源， 熱電110 kV 進線， 裝機容量50 MW。正常發(fā)電滿負荷運行情況下，1#余熱發(fā)電功率較小，會直接在地里1# 線路上消耗；但2# 發(fā)電功率較大，會返送到總降10 kV 母線上，供其余廠區(qū)負荷使用，詳見圖1。

圖1 冶煉廠電源接入示意

由圖1 中所示， 該冶煉廠共計3 段110 kV 進線，其中1#、2# 進線取自國家電網(wǎng)，屬于常用電源，正常情況下一用一備，110 kV 母聯(lián)斷路器處于合閘狀態(tài)，第3 路110 kV 自備發(fā)電進線建于后期，直接并入110 kV 母線。

經(jīng)過110 kV 母線后， 兩路出線分別帶有2 臺110 kV/10 kV 變壓器；變壓器出線分別送入兩段10 kV 母線段。 此母線段分別帶各車間負荷，兩段母線間有10 kV 出線母聯(lián)，正常情況下分開運行。

總降10 kV 母線的每段帶均有不同工段出線，其中1# 動力出線在1# 變壓器母線段上，2# 動力中心出線在2#變壓器母線段上。此兩路母線分別送至對應的動力出線。

動力1#、2# 出線分別帶不同負荷，同時通過10 kV 動力段母聯(lián)連接。此母聯(lián)正常通過母聯(lián)斷路器斷開：在動力10 kV 一段上接有10 kV1#余熱發(fā)電、10 kV柴油發(fā)電1#進線；在動力10 kV 二段上接有10 kV2#余熱發(fā)電、10 kV 柴油發(fā)電2# 進線。 正常生產(chǎn)時，1#余熱發(fā)電、2#余熱發(fā)電并網(wǎng)運行， 柴油發(fā)電處于分斷運行狀態(tài)；當發(fā)生全廠停電時，柴油發(fā)電自起接入動力中心段供車間應急負荷用電。

4 系統(tǒng)設(shè)計

上述小電源系統(tǒng)全部建立后，2016 年曾出現(xiàn)過一次全廠停電事故。 110 kV1# 進線因外部故障停電。 停電后1#發(fā)電、2# 發(fā)電非正常停車， 以及110 kV 自備50 MW 發(fā)電接入系統(tǒng)后也非正常停車。 這是由于線路負載過大而導致的跳車，整個時間約10 s，且2#進線備自投未投入運行。此種非正常跳車故障嚴重影響了該廠供電系統(tǒng)及設(shè)備安全。

經(jīng)過分析，認為此供電系統(tǒng)存在以下安全隱患：1）110 kV1#線跳閘后，110 kV 自備發(fā)電進線未立即跳閘，母線電壓持續(xù)約11 s，備自投裝置未達到投切條件。而在110 kV 自備發(fā)電進線因負載過大低電壓跳車后，雖然110 kV 母線沒有電壓，滿足備自投條件， 但此時備自投裝置已超出一般5 s 左右的充電后動作時間， 導致備自投裝置異常。 2）10 kV1#、2#余熱發(fā)電未能及時跳閘， 同樣因動力車間線路負載過大而出現(xiàn)低電壓跳車， 所幸未造成發(fā)電機燒毀重大設(shè)備故障。

綜上分析，認為在發(fā)生全廠停電時，主要是因為小電源發(fā)電系統(tǒng)未能聯(lián)鎖跳車而造成供電系統(tǒng)及設(shè)備的隱患， 因此如何協(xié)調(diào)各路小電源接入系統(tǒng)是對全廠供電安全的至關(guān)重要的方面，

5 設(shè)計與優(yōu)化

根據(jù)此次停電故障分析， 為了避免發(fā)電機被動拖垮故障的發(fā)生， 同時為了保證備用電源的及時投入，保證公司用電的可靠性，對公司供電系統(tǒng)存在的問題進行了相應的完善優(yōu)化，主要優(yōu)化措施如下：

1）備自投的無故障投入。 優(yōu)化前，該廠110 kV 1#進線、2#進線互為熱備。當發(fā)生單邊線路故障，導致全廠停電時，熱電線未能立即跳閘，母線電壓持續(xù)約11 s，備自投裝置達不到投切條件；而11 s 后，備自投裝置已超出充電后動作時間， 從而導致備自投投入失敗。針對這種問題，對備自投增加系統(tǒng)聯(lián)跳功能，見圖2。

圖2 備自投無故障投入優(yōu)化

如圖2 所示，當出現(xiàn)單邊線路故障時，增加系統(tǒng)聯(lián)跳功能，保證2#進線、熱電線聯(lián)跳1 次，動作時間0 s，聯(lián)跳后備自投裝置投入，這樣可以保障在出現(xiàn)進線故障后， 不會有任何小電源系統(tǒng)的干擾導致備自投投入條件不滿足， 從而保證了系統(tǒng)備用電源的安全可靠投入。

2）余熱發(fā)電的故障切除、應急柴油發(fā)電系統(tǒng)的安全介入。 應急柴油發(fā)電系統(tǒng)主要作用于在發(fā)生停電事故時給應急負荷供電， 對供電時間及供電安全也同樣需要較高的要求。 該廠現(xiàn)有系統(tǒng)中因接入有2 套余熱發(fā)電系統(tǒng)， 會對柴油發(fā)電的安全及時介入造成了一定的影響。 為此增加設(shè)計見圖3。

圖3 完善保護后的電網(wǎng)聯(lián)跳邏輯順序

如圖3 所示，在余熱發(fā)電系統(tǒng)中增加接入柜，當發(fā)生全廠性停電或單個高配停電時，要求接入柜立刻跳車，同時動力中心1#、2# 進線也立即斷開，以便于應急柴油發(fā)電系統(tǒng)的及時介入。 此設(shè)計一方面避免了1#、2# 余熱發(fā)電系統(tǒng)低電壓跳車，另一方面避免了余熱發(fā)電和柴油發(fā)電兩種不同小電源系統(tǒng)同時接入母線后引起的短路故障，保證了供電系統(tǒng)的安全性。

6 結(jié)論

通過對上述系統(tǒng)的設(shè)計及實際改造增加了小電源系統(tǒng)的聯(lián)跳功能。通過斷電測試，證實改造后可以實現(xiàn)在主供電電網(wǎng)出現(xiàn)故障后，把外接余熱發(fā)電小電源切除的功能，有效地避免了各類小電源系統(tǒng)被線路負載拖垮，甚至造成發(fā)電機燒毀等嚴重故障，同時也可以保證備用電源系統(tǒng)的及時介入。 此次改造優(yōu)化保證了工廠供電的及時可靠，在同時也保障了工廠供電系統(tǒng)的安全。