廠用電快切失敗的原因分析及處理

陳海云

摘要：在大容量發電廠，廠用電連續可靠供電是保證發電機組安全運行的基本條件，廠用工作電源與備用電源間的切換是實現廠用電可靠供電的重要手段。本文對6kV快切裝置切換失敗的原因進行分析，并提出處理方法。

關鍵詞：廠用電;快切裝置;切換失敗;原因分析;處理方法

一般電廠廠用電系統設有工作電源及備用電源，正常運行時由工作電源供電，停機及事故時由備用電源供電。由正常工作電源到備用電源的切換，需要裝設電源切換裝置，由于快切裝置在啟動方式及切換時間上具備明顯的優勢，使得廠用電快切裝置在供配電系統中得到廣泛應用。

1 廠用電切換必須具備的外部條件

廠用電源切換的條件包括：正常運行備用電源與工作電源之間的電壓相位差一般≤20 °;用于快速切換的斷路器必須具有快速閉合性能，要求斷路器的閉合時間不超過0.1 s，一般采用真空斷路器，其時間一般在40～80 ms;發電機和廠用電保護裝置必須快速動作，目前廣泛使用微機型保護繼電器。

2 廠用電系統切換方式

廠用電系統的切換方式，按照裝置啟動的原因可分為：正常手動切換，事故切換及非正常工況切換;按照斷路器的動作順序可分為：并聯切換、串聯切換及同時切換。并聯切換即先合上備用電源，然后跳開工作電源。這種切換方式兩電源會有短暫的并列時間，如果在切換過程中，機組或工作電源發生故障，由于電源的并列，將加劇故障，擴大事故范圍，因此，并聯切換禁止使用于事故切換。

串聯切換即先斷開工作電源，確認工作開關斷開后，再合上備用電源，串聯切換時間長，一般都在150 ms 以上，因此切換對系統和設備造成的沖擊較大，而且由于允許切換的條件之一是工作電源的成功斷開，其輔助接點的可靠性是切換成功的關鍵因素之一。

快速切換即同時發出斷路器的指令，快速切換時間極短，能滿足系統對沖擊電流的要求，切換成功率高，安全性好。快速切換一般有兩種啟動方式：手動啟動和保護啟動。機組起停機過程的廠用電切換采用手動啟動方式;事故情況下的切換采用保護啟動方式，由機組或廠用工作電源的主保護發送啟動命令。特殊條件下，廠用電系統的切換也可由失壓信號啟動。

3 切換裝置原理

手動正常切換是指在系統正常工況時，由于運行需要廠用母線從一個電源切換到另一個電源，這種方式可由工作電源切換至備用電源，也可由備用電源切換至工作電源。它主要用于發電機起、停機時的廠用電切換。手動切換分為并聯切換及串聯切換，切換速度沒有特殊要求，只需滿足兩個電源并聯的條件就可以實施。事故切換指由發變組、廠變保護接點啟動，單向操作，只能由工作電源切向備用電源。事故切換有兩種方式可供選擇，即事故串聯切換和事故同時切換。串聯切換和同時切換的共同點都是由保護接點啟動，所不同的是串聯切換是先斷開工作電源開關，在確認工作電源開關已斷開且切換條件滿足時，合上備用電源開關。

快速切換是當母線電源中斷后，立刻同時發出斷路器的閉合指令，若快切的邏輯條件滿足要求，立即執行快切功能，跳開工作電源，同時合上備用電源。廠用電快速切換時，母線殘壓和備用電源電壓之間的相位差拉開不超過30°，快速切換時間極短，切換全過程一般不超過100 ms，實際應用中，快速切換的成功率很高，完全能滿足系統對沖擊電流的要求，安全性好。

4 廠用電切換失敗的原因分析

4.1 廠用電快切失敗案例

某電廠兩臺機組，出線電壓等級為35KV，廠用電電壓等級為6KV，接線方式均為單母分段方式，沒有高廠變。兩臺機組正常運行時，廠用電采用單母分段運行方式，每臺機組各帶本機組廠用電;一臺機組檢修時，廠用電采用單母不分段運行方式，由檢修機組的主變通過倒送電方式帶機組廠用電。兩條進線開關和母聯開關之間的正常倒閘，采用先合后分的方式;事故情況下，采用備自投裝置進行切換。機組投運后，廠用電切換一直正常。在一次廠用電切換時進線開關跳閘，廠用電全部失去。

某日，該電廠運行人員進行廠用電切換倒閘操作，當時運行方式如下：#2發電機正常運行，#1機組在檢修期間，1號發電機出口開關、刀閘在斷開位置，35KV母線單母分段運行，母聯開關開關在分位。6KV母線單母不分段運行，6123開關在合位。廠用電由#1主變倒送電供給，6111開關在合位，6211開關在分位。廠用電系統如圖2所示。

4.2 導致此次廠用電切換失敗的原因分析

倒廠用電前，6111開關帶所有6KV廠用負荷，通過1號主變的電流方向是由高壓側流向低壓側;合上6211開關之后、斷開6111開關之前，即合環時6211開關除了要帶6KV所有廠用負荷外，還要帶通過1號主變送往35KV系統的負荷，流過1號主變的電流方向變為由低壓側流向高壓側，此負荷電流與6KV廠用負荷電流之和大于6211開關過流保護整定值，使6211開關過流保護動作，經延時（5s）出口跳閘。

此次進行廠用電切換操作時，運行人員合上6211開關后，立刻手動斷開6111開關，在斷開6111開關的同時，6211開關過流保護動作跳閘，造成6KV母線失壓。6211開關過流保護延時5秒跳閘，由于合環時間超過了5秒，所以保護得以出口動作，使開關跳閘。可見，單靠運行人員手動操作來控制合環時間，存在很大的偶然性，是不可靠的。

5 進行技術改造的必要性

5.1 廠用線開關狀態分析

該電廠接線方式為6KV單母分段，6KV廠用電的運行方式一般是6KV母聯6123開關合位，6111開關合位或6211開關合位，6KV母線由一條廠用線供電，另一條廠用線開關熱備用狀態。在切換廠用電時，先合上熱備用的廠用線開關，再斷開工作的廠用線開關，如果此時廠用電是通過主變反送電，短時的合環將可能使回路電流突然增大，大于廠用線進線開關過流保護定值，使保護動作跳閘，造成6KV母線失壓，嚴重影響機組穩定運行。

5.2 備自投裝置的使用效果并不理想

原因是從失電到失壓進而無壓（65V），備自投完成動作的過程持續時間長達1-2 秒，甚至更長，此時電動機已經被分批切除。即使是延遲時間較長的高壓重要電動機沒被切除，由于母線已經無壓，轉速已經嚴重下降，直接影響生產過程的連續性。而且此時恢復供電將造成較大的電動機自啟動電流，對供電網絡產生沖擊。而對400V系統而言，低電壓將造成接觸器脫扣，變頻器停止工作。總之備自投實際上并沒有真正起到保障供電連續性的作用。

5.3 啟動條件

在啟動條件上，備自投裝置僅僅采用失壓啟動，并沒有考慮把有關的保護動作、失電作為啟動條件以縮短啟動時間;在合閘（合備用電源）條件上，采用延時（0.5S）和無壓（65V）判據，沒有采用在廠用電切換中已經獲得巨大成功的母線電壓、頻率、相位實時跟蹤技術，實現“快速切換”。

5.4 風險分析

在6KV廠用電系統運行方式倒換時，運行人員只能手動操作切換廠用電，備自投裝置單一的失壓啟動方式不能保證6KV母線在切換過程中不出現失壓的風險。

6 避免廠用電切換失敗，提高備用電源自動投入可靠性的解決方案

《繼電保護和安全自動裝置技術規程》GB14285規定“自動投入裝置在條件可能時，宜采用帶有檢定同步的快速切換方式，并采用帶有母線殘壓閉鎖的慢速切換方式及長延時切換方式作為后備;條件不允許時，可僅采用帶有母線殘壓閉鎖的慢速切換方式及長延時切換方式。”根據該廠的運行方式，增加快切裝置將大大提高6KV 廠用電源的可靠性。

6.1 快切裝置的啟動方式

快切裝置提供手動啟動、保護啟動、斷路器變位啟動（即斷路器誤跳啟動）、無流啟動、頻壓異常啟動、逆功率起動和欠壓啟動（傳統的備自投功能）方式。手動啟動：快切裝置接受到“手動啟動”的指令后，可以進行手動切換，用于系統恢復或正常不停電倒閘操作。保護啟動：將線路、線路變壓器組等電源側保護設備的快速主保護接點引入到快切裝置中，系統正常運行時，一旦檢測到電源側主保護動作信號，快切裝置立即啟動，動作于斷開故障電源線路斷路器，投入備用電源。斷路器變位啟動：當系統正常運行時，若原本處于合位的進線斷路器跳開，包括非進線保護動作引起的跳閘、手動操作斷路器或遙控斷路器引起的跳閘（將斷路器的手跳和遙跳接點接入快切裝置的“閉鎖切換”開關量輸入口），并且進線無流，則啟動快切裝置。欠壓啟動：當檢測到母線三相電壓均低于欠壓啟動整定值且進線無流，經整定延時裝置啟動切換功能。

6.2 快切裝置的切換方式

裝置在啟動后，會按照一定的順序操作工作電源斷路器和備用電源斷路器。自動切換方式包括串聯切換方式和同時切換方式。手動切換方式包括：并聯切換方式、串聯切換方式和同時切換方式。

各種切換方式說明如下：并聯切換方式——裝置啟動后，若并聯條件滿足，裝置先合上母聯斷路器，此時進線1、進線2兩個電源短時并列，經整定延時（并聯跳閘延時）后裝置再跳開規定的進線斷路器;串聯切換方式——裝置啟動后，先跳開相應的進線斷路器，在確認進線跳開后，再根據合閘條件發出合母聯斷路器命令;同時切換方式——裝置啟動后，先發出跳相應進線斷路器的指令，不確認進線斷路器是否已經跳閘，然后經整定的同時切換合閘延時，再根據合閘條件發出合母聯斷路器的命令。事故自動切換方式一般選擇串聯切換方式，當上級線路、電源出現事故異常情況時，快切裝置發出跳開工作斷路器指令，并在檢測到工作斷路器確已跳開后，才允許合備用斷路器。

6.3 快切裝置的實現方式

快切裝置提供的實現方式包括：快速切換、同期捕捉切換（以下簡稱“同捕”）、殘壓切換，裝置通過自身判斷選擇用哪種方式實現。各種實現方式如下：快速切換——快速切換是最理想的一種合閘方式，既能保證電動機安全，又不使電動機轉速下降太多。在并聯切換方式下，實現快速切換條件為：母線和待并側電源壓差|du|<“并聯切換壓差”，且頻差|df|<“并聯切換頻差”，且相差|dq|<“并聯切換相差”。在串聯或同時切換方式下，實現快速切換的條件為：母線和待并側電源頻差|df|<“快速切換頻差”且相差|dq|<“快速切換相差”。快速切換是速度最快的合閘方式;同期捕捉切換——當快速切換不成功時，同期捕捉切換是一種最佳的后備切換方式。同期捕捉切換的原理是實時跟蹤母線電壓和備用電壓的頻差和角差變化，以同相點作為合閘目標點;殘壓切換——當母線電壓衰減到20%-40%實現的切換稱為殘壓切換。殘壓切換雖能保證電動機安全，但由于停電時間過長，電動機自起動成功與否、自起動時間等會受到較大限制。殘壓切換的實現條件為：母線電壓<“殘壓切換電壓幅值”。

6.4 快切裝置的配置方案

通過改造將原來的6KV 備自投裝置改為快切裝置（圖3）。共配置1臺快切裝置，可以實現兩段母線分列運行，任一電源進線故障時，進線開關向母聯開關的切換;母聯在合位運行時，單進線供電，快切裝置也可實現雙進線之間的切換。本方案中，手動切換采用并聯切換方式;故障情況下切換采用串聯切換。

在2臺機組正常運行時，6KV廠用電采用單母分段運行方式。正常切換廠用電時，快切裝置可以實現6123和6111，6123和6211之間來回切換;6111和6211任一開關無論是保護動作跳閘還是開關偷跳，都可以實現快速合上6123開關。

在任一機組檢修期間，6KV廠用電采用單母不分段運行方式。正常切換廠用電時，快切裝置可以實現6111和6211之間來回切換;工作進線開關無論是保護動作跳閘還是偷跳，備用進線開關快速合上。

在手動切換廠用電時，快速切換實現方式時間非常短，在300ms左右，相比較原來的由運行人員手動合、跳開關時間大大縮短，保證了切換廠用電的安全可靠;在故障時，相比較備自投裝置采用的失壓起動由了大大縮短，并且更加可靠、穩定，合閘電壓沖擊幾乎沒有。同時，相比于備自投裝置，增加了保護動作啟動和閉鎖快切的功能，并在開關偷跳時也能可靠動作。改造結束至今，該電廠廠用電系統一直運行穩定，并且可靠的在幾次開關誤跳的情況下，保證了廠用電的穩定運行。

7 結論

通過對該電廠6KV廠用電備自投裝置改造為快切裝置。消除了該電廠在廠用電切換時存在的巨大風險，提高了在出現故障、開關誤跳、保護動作等情況下廠用電的動作可靠性。保證了發電機經濟安全運行。

參考文獻：

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