某冶煉廠小電源接入系統的保護設計與優化

宮仁仕

(銅陵有色金冠銅業有限公司，安徽銅陵 244000)

隨著工業化程度的不斷發展， 企業對能源的綜合利用要求越來越高， 因此節能環保的余熱發電系統備受青睞。而對于大型冶煉廠而言，供電系統的安全可靠是企業生命的重要保證， 因此應急供電系統是此類企業建設過程中的必備配置[1]。

某大型冶煉廠供電系統由多路不同電壓等級（110 kV、10 kV 等）的小電源接入。 這些小電源接入系統對企業的供電安全造成了一定的影響， 因此對小電源接入系統的保護設計與優化顯得至關重要。本文以該廠多路不同電壓等級的小電源接入系統為例，闡述了此類系統的保護設計與優化。

1 備自投裝置

備自投是備用電源自動投入使用裝置的簡稱。許多工廠備用柴油發電機組采用備自投控制十分普遍。 該裝置自動監測運行，不需人為干預。 當工廠主電網失電時， 備自投控制系統自動控制備用回路電源合閘，自動投入運行[2]。

備自投控制一般分為進線備自投和母線備自投：1）進線備自投就是兩路進線斷路器之間的投切，沒有母聯斷路器。 當主線沒電、備線有電時，先切主電斷路器，然后投備電斷路器。2）母線備自投則是指設置有母聯斷路器，兩路進線斷路器分段運行，兩段母線之間通過母聯斷路器連接。 當有一路進線沒電時，切斷沒電這一路進線斷路器，然后母聯斷路器會自動投入。

2 電源系統

根據供電系統性質不同， 針對用戶的取電源頭分為以下幾種電源系統：1）主供電源，指能夠正常有效且連續為全部用電負荷提供電力的電源， 如從國家電網送入的電源系統。2）備用電源，指根據客戶在安全、業務和生產上對供電可靠性的實際需求，在主供電源發生故障或斷電時， 能夠有效且連續為全部或部分負荷提供電力的電源。3）自備應急電源，指由客戶自行配備的， 在正常供電電源全部發生中斷或者部分發生中斷的的情況下，至少能夠滿足對客戶保安負荷不間斷供電的獨立電源，如柴油發電等。4）自備發電電源，指由客戶自行配備的，在正常供電電源正常情況下，根據工廠性質自建的小發電系統,并且并入到正常供電回路上。

3 某冶煉廠供電系統情況

某大型有色冶煉廠2010 年建廠，2012 年投產，建立有110 kV 總降壓站，兩路主電源系統，均是110 kV 進線。 設計之初該廠有2 套柴油發電自備應急電源系統，裝機容量2 489 kW×2，電壓等級10 kV；1 套背壓式發電機組（1# 余熱發電）自備發電電源，裝機容量3 000 kW，電壓等級10 kV。 2014 年，根據生產需要增設1 套飽和凝汽式發電機組自備發電系統（2# 余熱發電），裝機容量7 000 kW，電壓等級10 kV。2015 年，該廠根據節能需求，引入集團內第三路自備發電電源， 熱電110 kV 進線， 裝機容量50 MW。正常發電滿負荷運行情況下，1#余熱發電功率較小，會直接在地里1# 線路上消耗；但2# 發電功率較大，會返送到總降10 kV 母線上，供其余廠區負荷使用，詳見圖1。

圖1 冶煉廠電源接入示意

由圖1 中所示， 該冶煉廠共計3 段110 kV 進線，其中1#、2# 進線取自國家電網，屬于常用電源，正常情況下一用一備，110 kV 母聯斷路器處于合閘狀態，第3 路110 kV 自備發電進線建于后期，直接并入110 kV 母線。

經過110 kV 母線后， 兩路出線分別帶有2 臺110 kV/10 kV 變壓器；變壓器出線分別送入兩段10 kV 母線段。 此母線段分別帶各車間負荷，兩段母線間有10 kV 出線母聯，正常情況下分開運行。

總降10 kV 母線的每段帶均有不同工段出線，其中1# 動力出線在1# 變壓器母線段上，2# 動力中心出線在2#變壓器母線段上。此兩路母線分別送至對應的動力出線。

動力1#、2# 出線分別帶不同負荷，同時通過10 kV 動力段母聯連接。此母聯正常通過母聯斷路器斷開：在動力10 kV 一段上接有10 kV1#余熱發電、10 kV柴油發電1#進線；在動力10 kV 二段上接有10 kV2#余熱發電、10 kV 柴油發電2# 進線。 正常生產時，1#余熱發電、2#余熱發電并網運行， 柴油發電處于分斷運行狀態；當發生全廠停電時，柴油發電自起接入動力中心段供車間應急負荷用電。

4 系統設計

上述小電源系統全部建立后，2016 年曾出現過一次全廠停電事故。 110 kV1# 進線因外部故障停電。 停電后1#發電、2# 發電非正常停車， 以及110 kV 自備50 MW 發電接入系統后也非正常停車。 這是由于線路負載過大而導致的跳車，整個時間約10 s，且2#進線備自投未投入運行。此種非正常跳車故障嚴重影響了該廠供電系統及設備安全。

經過分析，認為此供電系統存在以下安全隱患：1）110 kV1#線跳閘后，110 kV 自備發電進線未立即跳閘，母線電壓持續約11 s，備自投裝置未達到投切條件。而在110 kV 自備發電進線因負載過大低電壓跳車后，雖然110 kV 母線沒有電壓，滿足備自投條件， 但此時備自投裝置已超出一般5 s 左右的充電后動作時間， 導致備自投裝置異常。 2）10 kV1#、2#余熱發電未能及時跳閘， 同樣因動力車間線路負載過大而出現低電壓跳車， 所幸未造成發電機燒毀重大設備故障。

綜上分析，認為在發生全廠停電時，主要是因為小電源發電系統未能聯鎖跳車而造成供電系統及設備的隱患， 因此如何協調各路小電源接入系統是對全廠供電安全的至關重要的方面，

5 設計與優化

根據此次停電故障分析， 為了避免發電機被動拖垮故障的發生， 同時為了保證備用電源的及時投入，保證公司用電的可靠性，對公司供電系統存在的問題進行了相應的完善優化，主要優化措施如下：

1）備自投的無故障投入。 優化前，該廠110 kV 1#進線、2#進線互為熱備。當發生單邊線路故障，導致全廠停電時，熱電線未能立即跳閘，母線電壓持續約11 s，備自投裝置達不到投切條件；而11 s 后，備自投裝置已超出充電后動作時間， 從而導致備自投投入失敗。針對這種問題，對備自投增加系統聯跳功能，見圖2。

圖2 備自投無故障投入優化

如圖2 所示，當出現單邊線路故障時，增加系統聯跳功能，保證2#進線、熱電線聯跳1 次，動作時間0 s，聯跳后備自投裝置投入，這樣可以保障在出現進線故障后， 不會有任何小電源系統的干擾導致備自投投入條件不滿足， 從而保證了系統備用電源的安全可靠投入。

2）余熱發電的故障切除、應急柴油發電系統的安全介入。 應急柴油發電系統主要作用于在發生停電事故時給應急負荷供電， 對供電時間及供電安全也同樣需要較高的要求。 該廠現有系統中因接入有2 套余熱發電系統， 會對柴油發電的安全及時介入造成了一定的影響。 為此增加設計見圖3。

圖3 完善保護后的電網聯跳邏輯順序

如圖3 所示，在余熱發電系統中增加接入柜，當發生全廠性停電或單個高配停電時，要求接入柜立刻跳車，同時動力中心1#、2# 進線也立即斷開，以便于應急柴油發電系統的及時介入。 此設計一方面避免了1#、2# 余熱發電系統低電壓跳車，另一方面避免了余熱發電和柴油發電兩種不同小電源系統同時接入母線后引起的短路故障，保證了供電系統的安全性。

6 結論

通過對上述系統的設計及實際改造增加了小電源系統的聯跳功能。通過斷電測試，證實改造后可以實現在主供電電網出現故障后，把外接余熱發電小電源切除的功能，有效地避免了各類小電源系統被線路負載拖垮，甚至造成發電機燒毀等嚴重故障，同時也可以保證備用電源系統的及時介入。 此次改造優化保證了工廠供電的及時可靠，在同時也保障了工廠供電系統的安全。