火電廠微機型廠用電快速切換方式及其應用分析

付育穎，王 浩

(1.石家莊供電公司，石家莊 050091；2.華能國際電力股份有限公司上安電廠，石家莊 050310)

1 概述

目前，火力發電廠的主流設計為每臺機組采用單元接線，風機、磨煤機、電動給水泵、凝結水泵等機組大容量設備由廠用電中壓段供電(一般為6 kV或10 kV)。機組廠用變壓器及啟動備用變壓器分別作為廠用電中壓段的工作及備用電源。上述設備的啟停需在爐膛壓力、風量、給水溫度、流量等相關參數調整后有計劃地進行，否則會引起設備參數的大幅波動，進而影響發電機組、電廠乃至整個電力系統的安全運行，因此，廠用電中壓段電源切換時應盡量減少母線電壓波動，以減少對上述設備的影響。

機組在啟動和停機過程都必須帶負荷進行廠用電切換[1]。另外，當機組或廠用工作電源發生故障時，為了保證廠用電不中斷及機組安全有序地停機，必須盡快把廠用電電源從工作電源切換到備用電源。因此廠用電切換方式的選擇及切換裝置的性能對機組安全穩定運行具有重大意義。廠用電切換的啟動模式包括手動并聯切換和手動串聯切換的正常切換，事故串聯切換和事故并聯切換的事故切換及母線低電壓和工作電源開關偷跳的非正常工況切換3種。

2 廠用電手動切換方式存在的安全隱患

微機型備用電源快速切換裝置投入運行以前，廠用電切換大都采用工作電源的輔助接點直接(或經低壓繼電器、延時繼電器)啟動備用電源投入[1]，即手動切換方式。這種切換方式受操作人員的水平和經驗影響較大，開關狀態、備用電壓等參數均需運行人員人為確認，自投產以來已多次造成切換失敗導致單段廠用電失電的事故。主要有以下安全隱患。

2.1 對設備絕緣的沖擊

手動切換時，若備用電源投入時機不當，會造成母線處于短時無源狀態。由于高壓電機本體及其負載的轉動慣性，電動機將在較長時間內持續旋轉，且將轉變為異步發電機運行工況，因此廠用電母線電壓不會迅速且大幅衰減，而是在一段時間內會維持一定的殘壓并緩慢衰減，頻率也會隨著轉速降低而緩慢下降。母線電壓衰減曲線見圖1。

Vs為用電源電壓；Vd為廠用母線殘壓； U為差拍壓；與為不同負荷情況下允許電源切換的邊界

由圖1可以看出，在廠用電工作電源中斷瞬間，母線殘壓的有效值還未出現大幅衰減，但由于以異步發電機工況持續運行的電動機轉速迅速下降，導致母線殘壓的頻率迅速降低，殘壓與備用電源電壓的矢量角差已開始拉開，如果備用電源投入的時機不當，使得在備用電壓投入瞬間與母線殘壓存在較大的矢量角，將對電動機產生較大的沖擊電流，進而損傷電動機絕緣，影響電機的使用壽命，甚至可能造成備用進線保護誤動作導致切換失敗，廠用電失電，造成嚴重后果。

2.2 切換時間過長

進行手動切換時，若備用電源進線投入過晚，母線電壓經長時間衰減至較低水平，易造成以下后果：

a. 母線低電壓保護動作，本段母線上所帶磨煤機、引風機、送風機等重要動力跳閘，鍋爐工況急劇變化，負壓波動，鍋爐燃燒不穩，嚴重時造成鍋爐滅火，機組跳閘。

b. 多數電廠給煤機、空氣預熱器電機、各主要設備的潤滑油泵電機等容量較小的重要設備普遍使用接觸器供電，特別是運行年限較長的電廠，由于更新改造過多，接觸器型號、品牌過多，性能不統一，加之大多沒有失壓自啟動功能，當母線電壓過低時，接觸器失壓釋放，給機組安全穩定運行帶來較大影響。

c. 大型機組廠用電快速切換期間，其電磁暫態過程可能引發部分電動機電磁特性的畸變，特別是低轉動慣量高阻尼的大容量電動機可能發生保護誤動。

3 微機型廠用電快速切換方式的提出

微機型備用電源快速切換裝置是專門為解決廠用電的安全運行而研制的。采用該裝置后，可避免備用電源電壓與母線殘壓在相角、頻率相差過大時合閘而對電機造成沖擊，如快速切換無法進行，則裝置自動轉為同期判別或判殘壓及長延時的慢速切換，提高廠用電切換的成功率。

3.1 外部條件

a. 有2個獨立的供電電源：工作電源和備用電源。正常運行情況下2個電源電壓之間允許有一定的相角差，但一般不宜大于20 。

b. 工作電源及備用電源進線應采用快速斷路器，避免由于斷路器分合閘時間過長造成較大的差拍電壓。目前廣泛使用的真空斷路器，其合、分閘時間一般在40～80 ms，適用于廠用電系統的切換[2]。

c. 工作電源及備用電源進線上級保護出口均應采用快速繼電器，動作時間不應大于15 ms。

3.2 切換模式

為適應廠用電母線可能出現的上級電源故障、開關偷跳等故障，微機型廠用電切換裝置應能實現以下4種切換模式：快速切換、同期判別切換、殘壓切換及長延時切換。

3.2.1 快速切換

廠用電快速切換是指在廠用電母線電源中斷后，在母線殘壓和備用電源電壓之間的相位差拉開不超過40°范圍內進行的切換，可以保障母線電壓在殘壓與備用工作電壓間順利切換，不會引起大的電壓波動，殘壓也不會過度降低。對保護電動機具有重要意義，同時由于廠用電中壓段電壓的穩定過渡，可保障廠用電中壓段設備運行的安全性，對重要系統的運行提供了保障。

3.2.2 首次同相切換

若快速切換未能實現，母線殘壓持續衰減，當母線殘壓和備用電源電壓相對旋轉一周后，角差再次為0，即同期點，差壓則較小，若在這一時刻合上備用電源，電氣設備受到的沖擊也較小，這種切換稱為首次同相切換。

現代微機快速切換裝置對工作電源進線電壓、備用電源進線電壓、母線殘壓的采樣普遍采用頻率跟蹤技術，使得上述電壓幅值計算和相角計算的準確性、可靠性得到有效的保障，首次同相切換也得以實現。切換裝置根據采集的電壓可計算母線殘壓向量相對于備用電源電壓向量旋轉到第一個同期點的時間，并根據合閘繼電器動作時間及開關動作時間設定備用電源合閘的導前時間，使得備用電源開關在首次同相合閘。首次同相切換沖擊電流比快速切換大，但尚在系統可接受的范圍內。

3.2.3 殘壓切換

根據電動機啟動差拍電壓分析可知，母線電壓(殘壓)下降到額定電壓的20%～40%時進行切換，電動機是安全的。因此，在快速切換及首次同相切換未能實現時，在母線殘壓降低到額定電壓的20%～40%時進行殘壓切換，作為快速切換及首次同相切換的后備，以提高廠用電切換的成功率。

3.2.4 長延時切換

在某些情況下，母線殘壓可能不易衰減，如果此時母線殘壓設置不當，可能造成切換時間過長或切換失敗，為故障后機組設備的恢復帶來困難，因此，需設置長延時切換作為切換過程的總后備。在切換過程啟動后，如果快速切換、首次同相切換、殘壓切換均未完成，則經長延時時間定值后，不再判斷電壓條件，直接跳開工作電源進線，合上備用電源進線。

3.2.5 綜合分析

綜合分析以上4種切換模式，切換裝置設計的基本原則是盡量減小切換過程產生的沖擊電流,其中最主要而且最理想的是快速切換，所以機組正常啟停的切換以及故障時必須首先采用快速切換，除非快速切換失敗，才繼續執行備用切換模式。需要特別指出的是，切換裝置的4種切換模式是在同一時刻同時啟動的，即4種不同的邏輯程序同時運行。

廠用電失電重新合上電源，母線重新帶電后，電動機上的電壓Um為：

Um=ΔU×Xm∥(Xm+Xs)

(1)

式中：Xm為母線上電動機組和低壓負荷折算到高壓廠用電壓后的等值電抗；Xs為電源的等值電抗；ΔU為電源電壓和殘壓之間的差拍電壓。

令Um等于電動機啟動時的允許電壓，即為1.1倍電動機的額定電壓Ude：

Um=ΔU×Xm∥(Xm+Xs)=1.1Ude

(2)

由式(1)、式(2)可得：

ΔU/Ude=1.1×(Xm+Xs)∥Xm

(3)

令電動機的分壓系數為K，則有：

K=Xm∥(Xm+Xs)

(4)

由此可得出：

ΔU/Ude=1.1∥K

(5)

在殘壓特性曲線的AB段，實現的電源切換稱為“快速切換”，即在圖1中B點(0.3 s)以前進行切換，對電機是安全的。延時至C點(0.47 s)以后進行同期判別實現的切換稱為“首次同期切換”，此時對電機也是安全的。等殘壓衰減到20%～40%時實現的切換，即為“殘壓切換”。為確保切換成功，當事故切換開始時，裝置自動啟動“長延時切換”作為事故切換的總后備。

4 應用分析

4.1 應用實例

華能國際電力股份有限公司上安電廠(簡稱“華能上安電廠”)一期廠用電切換在設計初期采用手動切換的方式,為消除手動切換中的不穩定因素，提高廠用電切換的穩定性及成功率，將一期機組每段廠用電中壓段(共計六段)切換裝置更換為SUE-3000型微機式快速切換裝置，每套切換裝置對一段廠用電母線的切換進行控制。經調試試驗,新型微機式快速切換裝置可滿足廠用電切換需要，試驗結果如下：

a. 快速切換：在電壓、開關狀態條件滿足的條件下，由外部指令啟動切換。快速切換裝置快速完成切換。采用并聯切換模式，裝置同時發出工作進線開關跳閘指令及備用進線開關合閘指令，切換過程中母線電壓幾乎無擾動，切換時間僅與開關和跳閘固有時間有關，若采用快速斷路器，可在100 ms內完成切換。

b. 首次同相切換：切換啟動時母線電壓與備用進線電壓角差過大，裝置無法完成快速切換，則裝置先跳開工作電源進線，待母線電壓與備用進線電壓角差再次滿足切換條件時合備用進線開關，一般能在500 ms內完成切換。

c. 殘壓切換：殘壓定值為40%UN，啟動切換后，若不滿足快速切換條件，且母線電壓與備用進線電壓角差過大，頻率相近，長時間無法滿足首次同相切換條件，則在母線電壓降至定值以下時，快速切換裝置自動合入備用進線開關，完成殘余電壓切換。

d. 長延時切換：長延時切換定值為2 s，在快速切換、首次同相切換、殘壓切換均未完成的情況下，裝置將啟動長延時切換，不再判斷母線電壓，在經長延時時間定值后，合上備用進線開關。

4.2 注意事項

為保證快速切換可靠性，中壓段的工作進線及備用進線應取自電網聯系較緊密的電網，如華能上安電廠一期機組220 kV系統，備用變壓器也取自220 kV系統，則工作進線電壓與備用進線電壓角差很小，幾乎可以忽略不計，工作電壓與備用電壓較容易滿足切換時的角差條件，華能上安電廠二、三期機組工作電壓取自500 kV系統，備用電壓取自220 kV系統，則其角差較大，不利于快速切換的可靠進行，角差不滿足快速切換且有條件的電廠可考率在兩系統間加裝聯絡變壓器。應使用固有分合閘時間分別為40～60 ms和50～80 ms的真空斷路器，而不能使用固有分合閘時間較長的少油斷路器。防止開關的合跳閘時間過長，開關合閘瞬間超越同期條件引起環流過大，進線保護誤動作，進而導致切換失敗。

5 結束語

廠用電切換出現的問題具有較大的普遍性，這與現有切換方式和切換裝置有關。隨著機組容量的增大和電廠自動化水平的提高，對廠用電切換提出了更高的要求，即便是快速切換，也不能避免對廠用電電壓的沖擊，因此，快速切換裝置靈活、合理的啟動方式有待于更深入的研究。

參考文獻：

[1] GB/T 50062-2008，電力裝置的繼電保護和自動裝置設計規范[S].

[2] DL/T 1073-2007，電廠廠用電源快速切換裝置通用技術條件[S].