火电厂微机型厂用电快速切换方式及其应用分析

2012-11-14付育颖

河北电力技术 2012年6期

付育颖，王浩

(1.石家庄供电公司，石家庄 050091；2.华能国际电力股份有限公司上安电厂，石家庄 050310)

1 概述

目前，火力发电厂的主流设计为每台机组采用单元接线，风机、磨煤机、电动给水泵、凝结水泵等机组大容量设备由厂用电中压段供电(一般为6 kV或10 kV)。机组厂用变压器及启动备用变压器分别作为厂用电中压段的工作及备用电源。上述设备的启停需在炉膛压力、风量、给水温度、流量等相关参数调整后有计划地进行，否则会引起设备参数的大幅波动，进而影响发电机组、电厂乃至整个电力系统的安全运行，因此，厂用电中压段电源切换时应尽量减少母线电压波动，以减少对上述设备的影响。

机组在启动和停机过程都必须带负荷进行厂用电切换[1]。另外，当机组或厂用工作电源发生故障时，为了保证厂用电不中断及机组安全有序地停机，必须尽快把厂用电电源从工作电源切换到备用电源。因此厂用电切换方式的选择及切换装置的性能对机组安全稳定运行具有重大意义。厂用电切换的启动模式包括手动并联切换和手动串联切换的正常切换，事故串联切换和事故并联切换的事故切换及母线低电压和工作电源开关偷跳的非正常工况切换3种。

2 厂用电手动切换方式存在的安全隐患

微机型备用电源快速切换装置投入运行以前，厂用电切换大都采用工作电源的辅助接点直接(或经低压继电器、延时继电器)启动备用电源投入[1]，即手动切换方式。这种切换方式受操作人员的水平和经验影响较大，开关状态、备用电压等参数均需运行人员人为确认，自投产以来已多次造成切换失败导致单段厂用电失电的事故。主要有以下安全隐患。

2.1 对设备绝缘的冲击

手动切换时，若备用电源投入时机不当，会造成母线处于短时无源状态。由于高压电机本体及其负载的转动惯性，电动机将在较长时间内持续旋转，且将转变为异步发电机运行工况，因此厂用电母线电压不会迅速且大幅衰减，而是在一段时间内会维持一定的残压并缓慢衰减，频率也会随着转速降低而缓慢下降。母线电压衰减曲线见图1。

Vs为用电源电压；Vd为厂用母线残压； U为差拍压；与为不同负荷情况下允许电源切换的边界

由图1可以看出，在厂用电工作电源中断瞬间，母线残压的有效值还未出现大幅衰减，但由于以异步发电机工况持续运行的电动机转速迅速下降，导致母线残压的频率迅速降低，残压与备用电源电压的矢量角差已开始拉开，如果备用电源投入的时机不当，使得在备用电压投入瞬间与母线残压存在较大的矢量角，将对电动机产生较大的冲击电流，进而损伤电动机绝缘，影响电机的使用寿命，甚至可能造成备用进线保护误动作导致切换失败，厂用电失电，造成严重后果。

2.2 切换时间过长

进行手动切换时，若备用电源进线投入过晚，母线电压经长时间衰减至较低水平，易造成以下后果：

a. 母线低电压保护动作，本段母线上所带磨煤机、引风机、送风机等重要动力跳闸，锅炉工况急剧变化，负压波动，锅炉燃烧不稳，严重时造成锅炉灭火，机组跳闸。

b. 多数电厂给煤机、空气预热器电机、各主要设备的润滑油泵电机等容量较小的重要设备普遍使用接触器供电，特别是运行年限较长的电厂，由于更新改造过多，接触器型号、品牌过多，性能不统一，加之大多没有失压自启动功能，当母线电压过低时，接触器失压释放，给机组安全稳定运行带来较大影响。

c. 大型机组厂用电快速切换期间，其电磁暂态过程可能引发部分电动机电磁特性的畸变，特别是低转动惯量高阻尼的大容量电动机可能发生保护误动。

3 微机型厂用电快速切换方式的提出

微机型备用电源快速切换装置是专门为解决厂用电的安全运行而研制的。采用该装置后，可避免备用电源电压与母线残压在相角、频率相差过大时合闸而对电机造成冲击，如快速切换无法进行，则装置自动转为同期判别或判残压及长延时的慢速切换，提高厂用电切换的成功率。

3.1 外部条件

a. 有2个独立的供电电源：工作电源和备用电源。正常运行情况下2个电源电压之间允许有一定的相角差，但一般不宜大于20 。

b. 工作电源及备用电源进线应采用快速断路器，避免由于断路器分合闸时间过长造成较大的差拍电压。目前广泛使用的真空断路器，其合、分闸时间一般在40～80 ms，适用于厂用电系统的切换[2]。

c. 工作电源及备用电源进线上级保护出口均应采用快速继电器，动作时间不应大于15 ms。

3.2 切换模式

为适应厂用电母线可能出现的上级电源故障、开关偷跳等故障，微机型厂用电切换装置应能实现以下4种切换模式：快速切换、同期判别切换、残压切换及长延时切换。

3.2.1 快速切换

厂用电快速切换是指在厂用电母线电源中断后，在母线残压和备用电源电压之间的相位差拉开不超过40°范围内进行的切换，可以保障母线电压在残压与备用工作电压间顺利切换，不会引起大的电压波动，残压也不会过度降低。对保护电动机具有重要意义，同时由于厂用电中压段电压的稳定过渡，可保障厂用电中压段设备运行的安全性，对重要系统的运行提供了保障。

3.2.2 首次同相切换

若快速切换未能实现，母线残压持续衰减，当母线残压和备用电源电压相对旋转一周后，角差再次为0，即同期点，差压则较小，若在这一时刻合上备用电源，电气设备受到的冲击也较小，这种切换称为首次同相切换。

现代微机快速切换装置对工作电源进线电压、备用电源进线电压、母线残压的采样普遍采用频率跟踪技术，使得上述电压幅值计算和相角计算的准确性、可靠性得到有效的保障，首次同相切换也得以实现。切换装置根据采集的电压可计算母线残压向量相对于备用电源电压向量旋转到第一个同期点的时间，并根据合闸继电器动作时间及开关动作时间设定备用电源合闸的导前时间，使得备用电源开关在首次同相合闸。首次同相切换冲击电流比快速切换大，但尚在系统可接受的范围内。

3.2.3 残压切换

根据电动机启动差拍电压分析可知，母线电压(残压)下降到额定电压的20%～40%时进行切换，电动机是安全的。因此，在快速切换及首次同相切换未能实现时，在母线残压降低到额定电压的20%～40%时进行残压切换，作为快速切换及首次同相切换的后备，以提高厂用电切换的成功率。

3.2.4 长延时切换

在某些情况下，母线残压可能不易衰减，如果此时母线残压设置不当，可能造成切换时间过长或切换失败，为故障后机组设备的恢复带来困难，因此，需设置长延时切换作为切换过程的总后备。在切换过程启动后，如果快速切换、首次同相切换、残压切换均未完成，则经长延时时间定值后，不再判断电压条件，直接跳开工作电源进线，合上备用电源进线。

3.2.5 综合分析

综合分析以上4种切换模式，切换装置设计的基本原则是尽量减小切换过程产生的冲击电流,其中最主要而且最理想的是快速切换，所以机组正常启停的切换以及故障时必须首先采用快速切换，除非快速切换失败，才继续执行备用切换模式。需要特别指出的是，切换装置的4种切换模式是在同一时刻同时启动的，即4种不同的逻辑程序同时运行。

厂用电失电重新合上电源，母线重新带电后，电动机上的电压Um为：

Um=ΔU×Xm∥(Xm+Xs)

(1)

式中：Xm为母线上电动机组和低压负荷折算到高压厂用电压后的等值电抗；Xs为电源的等值电抗；ΔU为电源电压和残压之间的差拍电压。

令Um等于电动机启动时的允许电压，即为1.1倍电动机的额定电压Ude：

Um=ΔU×Xm∥(Xm+Xs)=1.1Ude

(2)

由式(1)、式(2)可得：

ΔU/Ude=1.1×(Xm+Xs)∥Xm

(3)

令电动机的分压系数为K，则有：

K=Xm∥(Xm+Xs)

(4)

由此可得出：

ΔU/Ude=1.1∥K

(5)

在残压特性曲线的AB段，实现的电源切换称为“快速切换”，即在图1中B点(0.3 s)以前进行切换，对电机是安全的。延时至C点(0.47 s)以后进行同期判别实现的切换称为“首次同期切换”，此时对电机也是安全的。等残压衰减到20%～40%时实现的切换，即为“残压切换”。为确保切换成功，当事故切换开始时，装置自动启动“长延时切换”作为事故切换的总后备。

4 应用分析

4.1 应用实例

华能国际电力股份有限公司上安电厂(简称“华能上安电厂”)一期厂用电切换在设计初期采用手动切换的方式,为消除手动切换中的不稳定因素，提高厂用电切换的稳定性及成功率，将一期机组每段厂用电中压段(共计六段)切换装置更换为SUE-3000型微机式快速切换装置，每套切换装置对一段厂用电母线的切换进行控制。经调试试验,新型微机式快速切换装置可满足厂用电切换需要，试验结果如下：

a. 快速切换：在电压、开关状态条件满足的条件下，由外部指令启动切换。快速切换装置快速完成切换。采用并联切换模式，装置同时发出工作进线开关跳闸指令及备用进线开关合闸指令，切换过程中母线电压几乎无扰动，切换时间仅与开关和跳闸固有时间有关，若采用快速断路器，可在100 ms内完成切换。

b. 首次同相切换：切换启动时母线电压与备用进线电压角差过大，装置无法完成快速切换，则装置先跳开工作电源进线，待母线电压与备用进线电压角差再次满足切换条件时合备用进线开关，一般能在500 ms内完成切换。

c. 残压切换：残压定值为40%UN，启动切换后，若不满足快速切换条件，且母线电压与备用进线电压角差过大，频率相近，长时间无法满足首次同相切换条件，则在母线电压降至定值以下时，快速切换装置自动合入备用进线开关，完成残余电压切换。

d. 长延时切换：长延时切换定值为2 s，在快速切换、首次同相切换、残压切换均未完成的情况下，装置将启动长延时切换，不再判断母线电压，在经长延时时间定值后，合上备用进线开关。

4.2 注意事项

为保证快速切换可靠性，中压段的工作进线及备用进线应取自电网联系较紧密的电网，如华能上安电厂一期机组220 kV系统，备用变压器也取自220 kV系统，则工作进线电压与备用进线电压角差很小，几乎可以忽略不计，工作电压与备用电压较容易满足切换时的角差条件，华能上安电厂二、三期机组工作电压取自500 kV系统，备用电压取自220 kV系统，则其角差较大，不利于快速切换的可靠进行，角差不满足快速切换且有条件的电厂可考率在两系统间加装联络变压器。应使用固有分合闸时间分别为40～60 ms和50～80 ms的真空断路器，而不能使用固有分合闸时间较长的少油断路器。防止开关的合跳闸时间过长，开关合闸瞬间超越同期条件引起环流过大，进线保护误动作，进而导致切换失败。