電源快速切換技術在熱電廠電力系統中的應用

孫東衛，張 濤

（1.新疆輕工職業技術學院 新疆 烏魯木齊 830021；2.新疆昌吉職業技術學院 新疆 昌吉 831100）

一般熱電廠廠用電切換的要求是：切換過程中不能造成設備損壞，盡量減少備用變壓器過流或重要輔機跳閘造成鍋爐汽機停運的事故。廠用電失電后，由于負載存在慣性及系統存儲的磁場能量，電動機在短時間內將繼續旋轉，并將磁場能轉變為電能。由于各電動機的容量、參數不一致，電動機之間將有電磁能與動能的交換，此時部分異步電動機實際上已轉入發電機運行工況，因此廠用母線的電壓即是多臺異步發電機發出的反饋電壓的合成，也稱為母線殘壓。

1 廠用電失電后系統狀態

由于不存在原動力和勵磁，因此殘壓的幅值和頻率將隨時間逐漸衰減，殘壓與備用電源（系統）電壓間的相位差將逐漸增大，如圖1所示，Vs備用電源電壓；Vd母線殘壓；ΔU差拍電壓。

在備用電源投入前，備用電源電壓一般即為系統電壓，電壓幅值和頻率為額定值，因此，備用電壓和殘壓之間的差拍電壓（簡稱為差壓）將呈現差拍形，見圖2所示。

圖1 極坐標形式的殘壓相量圖Fig.1 Residual pressure phase diagram of polar form

控制殘壓與備用電源（系統）電壓間的相位差，縮短時間，降低母線殘壓幅值和頻率的衰減值，是提高切換成功率的關鍵，在圖1中，A′-A″右側為電廠備用電源合閘的安全區，在B點（0.3 s）以前進行切換是最安全的；在C點以后進行的切換對電動機也是安全的；過B點后BC段為不安全區域，因其ΔU過大，不允許切換。

圖2 殘壓與備用電源電壓間差拍電壓Fig.2 Beat voltage between residual voltage and the standby power voltage

2 熱電廠廠用電力系統介紹

熱電廠廠用6 kVⅢ段為A、B兩組單母線分段方式，其特點是：未裝設發電機出口開關，單母線分段共用工作、備用電源等，如圖3所示。

圖3 熱電廠發電機廠用電源系統結構圖Fig.3 Generator power system structure of power plant

熱電廠廠用負荷中大多為電動機，容量較大，使廠用母線發生失電事故后電壓衰減較慢，在實際生產中，機組啟動、停機、消缺、解列及工作電源故障等情況下，必須進行廠用電切換，由于切換存在的諸多安全問題，成功率低，易發生安全生產事故。實際上，廠用電切換過程是一個比較復雜的機電動態過程，特別在事故切換過程中，電流、電壓、頻率、相角等將發生快速變化，要提高切換的成功概率，其思路是：首先應當掌握切換動態過程，改進切換方式，應用先進的切換裝置，從根本上解決廠用電切換存在的問題。

3 廠用電切換出現問題的原因與分析

從原理上講，廠用電能否成功切換，主要取決于廠用電系統所受的沖擊，而所受沖擊的大小，則取決于切換時母線殘壓與備用電源間的差壓；另外，廠用電切換的成功率還受斷電時間、電動機自啟動及機爐系統穩定性等因素的影響。

歷年來出現的與切換有關的問題，其原因很多，而與切換原理有關的主要問題有：

1）無快速切換，僅采用失壓備自投切換。由于少油開關分合閘速度慢、備自投裝置檢測、動作固有時間相對較長，造成整個切換失電時間較長（最短為200 ms，最長可達1 s），對輔機及機爐的運行影響較大，極易造成停爐。因此當工作電源誤跳等情況發生時，將引起機組停運，造成不必要的損失。

2）切換無同期閉鎖，開關合閘時間長。當備用電源合上時，殘壓與備用電源電壓間相位差大，差壓也大，造成合閘沖擊電流大，造成備用分支過流動作，使切換失敗。多次事故說明，由于投切時間不當，備用變壓器沖擊電流過大，造成切換失敗。由于殘壓頻率的衰減速度與廠用負載有關，因此，對同一臺機組，會出現切換有時成功，有時失敗，或一個分支成功，另一個分支失敗的情況。

4 新型切換技術和切換裝置

通過上述分析，可以得出影響廠用電切換的主要因素有設備條件、切換方式、系統結構和運行方式及故障性質等。由于現在廠用電油斷路器已基本被真空斷路器取代，開關動作時間已大大被縮短，系統結構和運行方式的確定則取決于一次系統，廠用電切換只能在既定的情況下進行，不可能按廠用電切換的需要來確定系統結構和運行方式，那么只有對切換方式和切換裝置的改進才是提高廠用電切換的成功率的有效手段。

1）電源快速切換裝置簡介

廠用6 kVⅢ段采用的電源快速切換系統裝置，是由廈門公司生產的SUE3000型微機電源快速切換裝置，在6 kVⅢA段和6 kVⅢB段各設有一臺，SUE3000快切裝置是基于現代多功能保護和控制的REF542plus平臺的微處理系統，其模擬量的測量功能和計算由數字信號處理器執行，控制功能、SOE和通訊界面由微處理器執行，其顯示屏可以進行：測量值顯示、功能投退、定值整定、就地手動切換等操作，正常情況下可顯示：廠用母線三相電壓、工作電源電壓、備用電源電壓、備用電源/工作電源電壓間相角差；工作、備用開關及廠用母線分合閘狀態等信息。

2）快速切換裝置的動作原理

圖4 廠用6 kVⅢA段電源切換裝置示意圖Fig.4 Power switching device 6 kVⅢA for Plant

SUE3000裝置具有快速切換、首次同相切換切換和殘壓切換等功能，裝置由繼電保護裝置動作時同時起動，通過對相角、頻差、備用電源電壓正常和母線電壓四種判據的分析，如圖4所示。確定母線和備用電源在同步的情況下，向工作電源、備用電源各自對應的斷路器同時發出分、合閘命令，從而縮短了裝置檢測、動作時間和斷路器結點返回時間，提高了動作速度。

①快速切換，在合成的母線殘壓特性曲線的安全區域，根據頻差和相角差，判斷是否滿足合閘條件進行切換。系統結線和運行方式決定了正常運行時廠用母線電壓與備用電源電壓間的初始相角，故障類型則決定了從故障發生到工作開關跳開這一期間廠用母線電壓與備用電源電壓的頻率、相角和幅值變化。此外，保護動作時間和各開關的動作時間及順序也將影響頻率、相角等的變化。

②首次同相切換，實時跟蹤殘壓的頻率和角差變化，在反饋電壓與備用電源電壓相量第一次相位重合時合閘。用“恒定越前相角”或“恒定越前時間”原理進行。同相切換時，電動機相當于異步發電機，其定子繞組磁場已由同步磁場轉為異步磁場，而轉子不存在外加原動力和外加勵磁電流。因此，備用電源合上時，若相角差不大，即使存在一些頻差和壓差，定子磁場也將很快恢復同步，電動機也很快恢復正常異步運行。

③殘壓切換，當殘壓衰減到30%額定電壓后實現切換。在圖1中，假設正常運行時工作電源與備用電源同相，其電壓相量端點為A，則母線失電后殘壓相量端點將沿殘壓曲線由A向B方向移動，如能在A-B段內合上備用電源，則既能保證電動機安全，又不使電動機轉速下降太多，切換時間小于0.2 s，就是實現了“快速切換”。如快速切換未成功，則起動“首次同相切換”，它是以頻差和角差來界定合閘區域，盡量做到角差為零時合閘，圖1中為B′-B″右側、約0.6 s區域，對于殘壓衰減較快的系統，該時間會較短。如殘壓衰減較快或首次同相切換仍不成功，則在C點后，母線殘壓衰減到30%時實現的切換，稱為“殘壓切換”，殘壓切換對電動機也是安全的。

5 結 論

SUE3000型微機電源快速切換裝置在6 kVⅢ段電源切換試驗中實測切換全過程為93 ms，對比原電磁型裝置動作時間縮短近50%，由于簡化了裝置和接線，動作成功率達100%，徹底解決了原裝置可靠性低、穩定性差的問題，特別是在遇到主變、發電機、汽輪機、鍋爐故障時，切換廠用電為自動方式，電壓擾動小，可靠性提高，經改造后從未發生誤動，保證了爐機安全連續運行，減少了熱電聯產中因電氣事故引發熱網波動事故的誘因，為煉化裝置安全平穩生產提供了有利地保證[7]。

新型快速切換裝置在切換原理和實現方式上有了重大改進，它具有的動態跟蹤、捕捉同期、追憶錄波等功能，較好地解決了現有電源切換裝置存在的問題，不僅值得在各類發電廠推廣使用，而且應當在煉化區域的總降壓站和重要生產裝置的配電系統上推廣使用。

[1]張林昌.電氣設備狀態監測與故障診斷技術[M].北京:機械工業出版社，2000.

[2]雷國富.高壓電氣設備絕緣診斷技術[M].北京:水利電力出版社，1994.

[3]許珉.發電廠電氣主系統[M].北京:機械工業出版社，2007.

[4]何永華.發電廠及變壓器的二次回路[M].北京:中國電力出版社，2004.

[5]王祥.電廠熱力設備及系統 [M].北京:中國電力出版社，2006.

[6]2010最新熱電廠工程設計規范與工程設計常用數據對照應用手冊[M].北京:中國電力出版社，2010.

[7]錢家驤，王俊鍇，胡堃.陜西電網電壓結構不適合實行輸配電分開[J].陜西電力，2010，38（8）:1-2.

QIAN Jia-xiang，WANG Jun-kai，HU Kun.Shaanxi power grid is in no condition to separate power transmission and distribution in electricity supply for its voltage grade[J].Shaanxi Electric Power，2010，38（8）:1-2.