海門1036MW機組廠用電切換方式優化及試驗

陳飛文，兀鵬越，劉 慶，侯亞飛

(1.華能海門電廠，廣東 汕頭 050310;2.西安熱工研究院有限責任公司，陜西 西安 710032;

3.中國電力工程有限公司，北京 100048)

0 引言

自2006年底華能玉環電廠首臺百萬千瓦機組投產以來，已有數十臺百萬千瓦機組投入運行，火力燃煤機組已經進入百萬千瓦級機組的時代。但目前百萬千瓦機組的設計規程還是參照《DL5000-2000火力發電廠設計技術規程》[1]，該設計規程主要適用范圍是600 MW以下機組，600 MW以上可參照使用。在該規程中，對600 MW機組高壓廠用備用電源的規定，已經存在啟備變容量不夠、廠用電切換方式不明確的問題，給工程設計帶來一定困擾[2];而對于單機容量達到1 000 MW級別機組，尤其是發電機出口裝設斷路器的接線形式，高壓廠用備用電源參考該規定進行設計，在現場更是暴露出許多的問題[3]。

本文通過對華能海門電廠1，2號機組(1 036 MW)高壓廠用備用電源設計問題的分析，指出按照現行設計規程設計存在的問題，以及由此給現場運行帶來的無法進行廠用電快速切換的弊端，并在3號機組建設中，對高壓廠用備用電源切換方式進行了改造和優化，通過現場試驗驗證其可行性、正確性，一定程度上解決了這些弊端，供同型機組參考。

1 海門電廠廠用電切換簡介

華能海門電廠總規劃容量為6×1 036 MW超超臨界燃煤機組，一期共有4臺1 036 MW超超臨界機組，1，2，3號機組已于2009年6月31日、2009年9月27日、2010年12月31日投產發電，4號機組計劃2011年底投產。

海門電廠發電機變壓器組采用單元接線，發電機和變壓器之間設置斷路器，廠用工作電源接于500/27 kV變壓器低壓側，每機設置2臺分裂高廠變，容量均為50 MVA，高壓廠用電壓為6 kV。備用電源接于110 kV系統，根據《DL/T 5153-2002廠用電規范》第4.5.3.3條， “備變容量可為1臺高壓廠用工作變的60%～100%”，容量為600 MW的機組，當發電機出口裝有斷路器或負荷開關時4臺及以下機組可設一臺高壓廠用備用變壓器。因此設置備變容量為50 MVA，4臺機組共用1臺備用變。高壓廠用電源切換方式采用備用廠電源自投 (慢速切換，延時10 s)方式，僅作為機組事故情況下的安全停機用。海門電廠系統圖見圖1;原設計廠用電切換邏輯見圖2。

2 廠用電切換中存在的問題

目前600 MW機組幾乎全部采用廠用電快速切換方式，無論正常切換還是事故切換，成功率已經非常高了。而該廠的1 000 MW級機組反而不能實現快速切換，顯然是不合理的。但現有慢速切換的設計完全符合現行設計規程要求，設計單位系照章辦事。

現行設計規程規定采用慢速切換的一個重要理由是，1 000 MW級別機組在發電機出口裝設斷路器以后，廠用電可靠性非常高，可以不需要廠用電事故切換。然而可靠性高不等于不發生，有發生的可能而不考慮顯然是不妥當的。實際上，裝設了發電機出口斷路器，發生主變、廠變跳閘的事故概率依然很高。

案例1:2009年6月，海門1號機組啟動期間，發電機機端軟連接部分斷裂導致定子接地，發電機跳閘，由于發電機斷路器失靈保護回路接線錯誤保護誤動，導致主變高壓側斷路器跳閘，由于當時未投入備自投裝置，備用電源沒有自動投入，導致廠用電源全失的事故。幸好柴油發動機啟動成功，保安電源恢復，保證了機組安全停機。

案例2:2010年10月12日，與海門電廠同樣設計的某廠6號機組 (1 000 MW)主變發生故障，差動保護和重瓦斯動作跳閘，6 kV廠用電快切裝置延時1.5 s動作 (實際上已經是慢速切換)，將A，B，C，D段廠用電切換到4號啟備變。因大批高壓電動機自啟動，導致啟備變分支過流動作，使得6 kV高壓廠用B、D段失電，這兩段所帶的保安段A、B段也失電。柴油發電機自啟動后，因連鎖邏輯問題未跳開鍋爐段至保安B段的電源開關，柴油機過負荷跳閘，頂軸油泵和盤車因失電未能自動聯啟，導致大軸抱死事故。

而從運行角度來講，采用慢速切換會存在以下問題:

(1)正常運行廠用電的可靠性下降。

在大多數情況下發生6 kV單段失壓的概率是比較大的，如果能夠快速切換，可保證該段6 kV電壓基本正常，廠用負荷平穩切換至備用電源 ，對機組運行無影響;而慢速切換過程中6 kV工作段會失電，該段廠用負荷瞬間全部停運，會對正常運行的機組造成沖擊，必將造成減負荷、甚至機組停運。

(2)嚴重事故時安全停機的可靠性下降。

由于采用慢切，當廠用電源消失，等備用電源投入時 (10 s以上)，所有廠用高、低壓電動機都已跳閘。如果保安電源 (柴油機)不能及時啟動，也很難保證安全停機。無法采取快速切換，相當于減少了一個備用電源，無疑減少了安全停機的一道屏障。

(3)增加廠用電源切換難度。

在一些情況下，如果廠用負荷從備用電源切換到工作電源，或從工作電源切換到備用電源，都必須運行人員手動進行，需要進行大量的倒負荷操作，切換時間長達數小時，不但工作量大，而且誤操作的可能性也隨之增大。

(4)限制了機組啟動的靈活性。

大機組啟動時，需要預先啟動廠用負荷，耗時較長。由于廠用電不能采取快速切換，因此只能在廠高變先受電的情況下才能啟動，無法利用備變提前投入廠用負荷，在許多情況下無法為機組啟動爭取時間，限制了機組啟動的靈活性。

由以上問題可見，原設計的廠用電切換方式雖符合規程要求，但對機組運行安全性、供電可靠性及運行方式的靈活性都有所影響，有必要考慮對此進行優化。

3 切換方式的優化方案

3.1 對切換方式改造優化的可行性

根據實測數據，1～3號機組廠用電率分別是3.21%，3.11%，2.95%，而啟備變容量 50 MVA，完全可以滿足單臺機組的100%熱備用。但是由于是4臺機組共用一臺啟備變，不能滿足2臺及以上機組同時熱備用。因此，在啟備變容量有限的前提下，可以考慮單臺機組單段母線失壓快速切換，多臺機組故障只保證最重要的負荷優先切換，這是實現快切改造方案的關鍵。

在1號、2號機組設計時，僅考慮到慢速切換，切換裝置采用RCS-9629型備自投裝置。為了在后續機組實現快速切換，在3號機設計時，將原來備自投裝置更換為SID-40B快速切換裝置，該裝置具有快切和備自投兩種功能，這是實現快速切換的物質基礎。

優化改造工作首先在3號機組進行，3號機組試驗成功后，再在1、2號機組實施改造。

3.2 各種工況下廠用電切換需求

(1)正常啟停機切換。

當機組由啟備變帶廠用負荷啟動時，主變和高廠變倒送電以后，需要將廠用電由備用電源切換到工作電源。采用并聯方式，高廠變和啟備變短時間合環運行，切換過程廠用電不失電，對負荷無影響。避免了原來人工倒負荷的繁瑣過程。

(2)事故狀態快速切換。

事故狀態切換是優化的難點，既要保證單段失壓時快速切換，又要全廠脫網故障時備用變不至于過負荷。事故狀態切換邏輯如下:

a.任意一段開關偷跳。立即將本段廠用電快速切換到備用電源，保障機組帶負荷正常運行。

b.單機主變或高廠變跳閘。立即啟動63B段廠用電切換，同時閉鎖63A，63C，63D段切換，保證本機組安全停機。

c.500 kV線路全部跳閘，全廠脫網。各機組只啟動6XB段快速切換，同時閉鎖各機組6XA，6XC，6XD段切換，保證4臺機組安全停機。在這種最嚴重工況下，1號啟備變要帶4臺機組的B段廠用電負荷。針對這種工況，統計了已投運的3臺機組滿負荷工況下的B段實際負荷容量，見表1。實際數據表明，4臺機組滿負荷同時跳閘的最嚴重工況下，啟備變負荷不會大于50 MW的額定容量。

表1 全廠滿負荷時備變負荷統計Tab.1 Load data of standby transformer on condition of full load

3.3 廠用電切換方式的優化

目前廠用電快速切換已經是很成熟的技術了，單個切換裝置在正常及事故狀態下的切換成功率也都很高。而本方案的技術難點是事故狀態下只啟動最重要的母線段切換，同時要閉鎖其余各段的切換，即閉鎖邏輯。整個邏輯的實現，是通過修改切換裝置邏輯、修改定值、增加閉鎖繼電器及回路來實現的。

整個切換邏輯見圖3。

由于本項目的特殊要求，快速切換裝置的廠家在常規的邏輯基礎上做了一些特殊修改。

(1)備自投方式和快切方式通過開入量來進行選擇，即由控制按鈕選擇。

(2)每臺機的任一段的快切裝置動作時需要閉鎖其他段的快切裝置。實現方式為:當某段快切裝置執行事故切換或低壓切換或偷跳切換時，同時輸出3對閉鎖接點，閉鎖其余3段切換裝置啟動。

(3)當單機的4段母線同時失壓時，只投63B段快切裝置。分兩種情況:

圖3 優化后的廠用電切換方式Fig.3 Mode of auxiliary supply changeover after optimizing

第1種，單臺機組發變組回路故障。通過本機發變組保護動作去啟動63B段快切裝置，同時，保護動作此信號閉鎖63A，63C，63D其余3段的快切裝置。

第2種，500 kV出線同時跳閘導致本廠4臺機組全停，每臺單機4段母線同時失壓。由于線路保護動作不會啟動廠用電切換，而機組本身保護不會動作，因此機組保護不啟動廠用電切換。針對這種情況，在每臺機組設一低電壓繼電器，監視發電機電壓，當電壓低于70%電壓時 (此電壓值可設)，低電壓繼電器動作，去啟動63B段快切裝置，同時閉鎖信號閉鎖63A，63C，63D段快切裝置。

3.4 對并聯切換環流的計算

海門電廠啟備變接于廠外獨立110 kV線路，因此，在啟備變和高廠變低壓側電壓之間有一定的相位差。對于采取并聯切時的廠用電切換過程而言，相當于電磁環網的短時合環操作，合環時相角差的存在會導致合環點出現功率潮流。功率潮流過大，會損傷變壓器，也可能導致保護動作。鑒于廠用電切換失敗可能對1 000 MW機組安全性的重要影響，在切換試驗前，必須對并聯切換時的環流進行估算。

典型輸電線路電阻與電抗相比較小，假設R=0，即線路只有電抗，則電磁環網合環時功率潮流計算公式如下[4]:

式中:U1為工作電源電壓;U2為備用電源電壓;δ為U1與U2之間相角;X為整個電磁環網的阻抗和;P為有功潮流;Q為無功潮流。

由式 (1)、(2)可見，對于廠內備用電源接線方式，即δ=0°，合環時有功潮流P=0，只有無功潮流，大小主要取決于電壓差，盡可能地減小電壓差 (主要方法是啟備變有載調壓)，即可將無功潮流降低到最小。而對于廠外備用電源接線方式，即δ較大時，合環時既有有功潮流，也有無功潮流。由于δ的存在，不可能完全消除合環時出現的功率潮流，只能利用δ受功率影響的特性，抓住δ較小的時機 (即機組初并網尚未帶負荷的時候)進行廠用電切換，可最大程度減輕功率潮流對變壓器的沖擊。

計算閉鎖角度的依據，是備用變能夠承受的最大電流，這個電流包括負荷電流和環流。將電網看做無窮大系統，由主變、高廠變、啟備變構成的電磁環合環時的合環電流Ic可由下式 (3)計算:

式中:△E為壓差;U1為工作電源電壓;U2為備用電源電壓;X1為高廠變短路阻抗;X2為啟備變短路阻抗，X3為主變短路阻抗。注意計算時要將各短路阻抗折算到6.3 kV的等效阻抗。

海門電廠3號機組6 kV廠用電切換合環前，500 kV母線電壓為538 kV;110 kV母線電壓為110 kV;廠高變低壓側電壓相量超前啟備變低壓側電壓的相角約為11°。各短路阻抗折算到6.3 kV的等效阻抗為:主變電抗0.005 1 Ω;高廠變電抗0.150 8 Ω;啟備變電抗0.150 8 Ω。

500 kV母線電壓經主變、高廠變低壓側6 kV電壓為

110 kV母線電壓經高備變變壓至調到與廠高變電壓最接近，6 kV母線的電壓為

因此，合環電流Ic可計算出來

進一步將該電流與高廠變、備用變保護動作值進行比較核算，確認不會導致備變保護動作，并且有一定裕量，容許廠用電并聯切換。

4 帶負荷工況下的廠用電切換試驗

檢驗以上切換方式的優化方案成功與否的標準，必須是在機組帶負荷運行時，通過不同方式下廠用電切換試驗來驗證。

4.1 正常并聯帶負荷切換試驗

2010年12月25日，海門電廠3號機組帶340 MW負荷的工況下，實際進行了6 kV高壓廠用電63A，63B，63C，63D段廠用電并聯切換試驗。切換試驗過程中，3號機組發變組保護、備用變保護無異常，6 kV各段高壓廠用電平穩無異常，廠用輔機工作正常。

3號機6 kV各段高壓廠用電并聯切換過程中，工作電源進線電流與備用電源進線電流波形見圖4。環流在初始3～4個周波的沖擊電流較大，以后進入穩態環流，此電流流經高廠變和備用變(也包含較小的負荷電流)，穩態值折算到一次側約2 500 A，即證明了 (3)式中δ與合環電流Ic的關系與實際基本相符，估算是基本正確的。

這次并聯切換試驗是該機組首次并網后進行的，試驗過程全部通過DCS遠方操作，整個切換時間不超過5 min，與1號機組需要2個多小時停電倒負荷切換的人工切換過程相比，具有省時、省力、安全、可靠的優點，受到運行人員的一致好評。

4.2 事故狀態下帶負荷切換試驗

圖4 海門電廠并聯切換波形Fig.4 Parallel changeover wave of Haimen Power Plant

由于事故狀態下切換試驗具有一定的風險性，必須選擇適當時機，如正常停機的時候進行。因此，在2011年6月1日，進行了3號機組的廠用電事故切換試驗。

(1)開關偷跳試驗

3號機組計劃停機前，并網運行，6 kV高壓廠用電63A，63B，63C，63D段工作電源開關合位。手動跳開63A斷工作電源進線開關，63A段快切裝置立即啟動，以快速切換方式合上063A備用電源進線開關，切換過程輔機無跳閘。切換過程波形見圖5。

(2)事故切換閉鎖邏輯試驗

圖5 A段開關偷跳試驗Fig.5 Break off test of A section breaker

3號機脫網，3號主變及高廠變掛網運行，6 kV高壓廠用電63A，63B，63C，63D段工作電源開關合位。手動跳開主變高壓側開關5031，3號機全部廠用電失壓，6 kV高壓廠用電4段工作電源開關同時跳閘，5 s后 (5 s設定可以更改)，切換裝置啟動“殘壓切換”方式，合上063 B備用電源進線開關，其余三段備用電源開關未合閘，邏輯正確。事故切換閉鎖邏輯試驗波形見圖6。

圖6 3號機組事故切換閉鎖邏輯試驗Fig.6 No.3 unit logic test of emergency changeover lock

通過這兩次模擬事故切換，驗證了優化后的快切切換方案能夠實現在廠用電單段失壓后快速切換，不影響機組運行;而4段全部失壓后只投B段，防止備用變過負荷跳閘，保證機組安全停機的功能，使得機組廠用電的安全性、可靠性明顯高于原設計，達到了優化的目的。

5 問題探討及建議

5.1 進一步完善事故切換試驗

經過現場試驗，證明正常并聯切換效果良好，而事故切換還存在一些問題，需要繼續調整完善，并且要擇機進行實際切換試驗，驗證最終效果。

(1)事故快速切換時間的調整

盡管在切換過程中，A段負荷無跳閘，機組運行正常，但由切換波形可以看出，斷流時間約為80 ms，當備用開關合閘后，沖擊電流較大且有波動。說明存在廠用輔機轉速下降后再重新回歸正常的過程，對輔機的運行已經有一定的潛在影響。因此，有必要通過調整定值進一步減小斷流時間，提高切換安全性。根據有關資料[5]，此時間可縮短至30 ms。

(2)輕負荷不能快速切換

在事故切換閉鎖邏輯試驗中，063B段備用電源是5 s以后才合閘的，沒有實現預期快速切換的目的。其原因在于當時已經準備停機，B段負荷幾乎全部停運，當63B工作電源開關跳閘后，由于缺乏大電機的反饋電壓支撐，母線電壓迅速下降，快切裝置來不及實現快速切換，延時5 s后實現殘壓切換。

而實際運行的機組，廠用負荷較大，母線殘壓會維持較長時間，有利于實現快速切換。

為防止輕負荷時快切無法自投，將B段殘壓整定為0 s，其余3段不投殘壓，如快切不成功轉入長延時切換，延時分別設為11 s，13 s，15 s。

5.2 對當前設計問題的建議

對于多臺機組共用一臺啟備變的主接線形式，如何實現廠用電源切換，現行規程沒有明確規定。因此設計單位對此可以予以忽視，如常見的“兩機一備”，不設計任何閉鎖;可以趨于保守，如本文所述，采用備自投慢速切換方式，都給生產運行帶來諸多問題。對此，很多電廠都進行了技術改造，采用的方法五花八門[7～10]。建議設計單位對此進行深入研究，設計出一套完善、合理且符合當前技術水平的最優解決方案，消除這個技術“盲點”。

6 結論

現行規程對百萬等級機組廠用電的設計無法實現快速切換，本文對初始設計的備自投慢速廠用電切換方式進行了快速切換改造和優化，實現了廠用電正常切換全部快速切換、事故切換部分快速切換，極大地減輕了運行人員正常切換的工作量，提高了機組廠用電源的安全可靠性。

3號機組優化后的廠用電快速切換功能經實際帶負荷試驗檢驗，實際應用效果良好，可以在1號、2號機組推廣。

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