基于同期切換的廠用電快速切換方案探究

呂 飛，張 博，吳頔杰，張凱麗，孫錦龍

（國電長源漢川第一發電有限公司，湖北 漢川 432300）

0 引 言

目前，絕大多數大型火力發電廠機組都采用單元接線或擴大單元接線，其廠用電母線一般設有工作和備用兩個進線電源。當機組處于啟動、停機以及解列等工況，抑或面臨突發故障時，為保證廠用電不中斷及事故不擴大，必須帶負荷將廠用電盡快在工作和備用電源之間進行投切。

1 廠用電快速切換的特殊情況

圖1為國電漢川發電公司三期機組廠用電系統接線圖，兩臺1 000 MW發電機-變壓器組分別以漢軍線和漢玉II線接入華中電網500 kV電壓等級，與當地電網不直接發生電氣聯系，而機組的啟備電源是通過湖北電網變電站220 kV線路引接，6 kV廠用電需在兩個不同電壓等級的系統間完成切換。

隨著電網的不斷建設與發展，該電廠220 kV系統與500 kV系統相角差的問題越來越嚴重，對6 kV廠用母線的電源切換帶來的影響也愈發嚴重。通過計算分析電廠500 kV母線、接入特高壓網以及220 kV變電站運行相角發現，相角差在不同運行方式下最小為10.5°，最大為28.1°。在機組啟動或正常安全停機時，廠用電正常手動切換采用并聯切換方式，按照穩態計算最大預計將有7.76 kA的電磁環流，若考慮暫態和沖擊情況，則數值會更大一些，這對變壓器是相當不利的，此時常規的快切裝置和策略將面臨很大問題，因此必須采取一定的措施來適應接入系統改變產生的新情況。

2 廠用電同期切換

借鑒發電機并網時的自動準同期調節思路，本文提出廠用電同期切換方法，即正常切換時不再采用并聯切換方式，而是利用廠用電同期切換裝置采取自動準同期并列的方法，通過更改機組的正常啟停和事故切換模式來適應電壓相角差較大的情況。廠用電同期切換裝置主要由自動準同期裝置、選線器以及備自投裝置組成，下面將以圖2所示系統為例具體說明[1]。

2.1 切換流程

由圖2可見，該電廠每臺機組有3段6 kV母線需進行工作和備用電源開關切換，共6個同期點。每臺機組配置一臺自動準同期裝置，通過選線器分配6路同期電壓和控制輸出信號，以實現6路開關的同期合閘。每段6 kV母線的工作和備用開關合用一臺備自投裝置，其在各段6 kV母線相應開關同期合閘后，將另一開關斷開。

2.2 正常啟動切換

機組正常啟動時，通過#03啟備變帶啟動負荷，當機組具備帶載條件后，先經廠用電同期切換裝置合上6 kV工作進線開關后，再跳開6 kV備用進線開關。具體順序為先合A段工作開關，再跳A段備用開關，接著依次合分B段和C段進線開關，與備用電源電網解列，通過DEH轉速調節模式，機組自帶啟動負荷孤島運行后進行同期調節與接入系統并網，合上主變高壓側斷路器。

2.3 正常停機切換

具體流程為DCS點擊“選擇6 kV母線切換”，因發電機出口開關在分閘位置，6 kV備用電源開關在分閘位置，所以在啟動“廠用電同期切換”后，選線器收到指令并發出“同期裝置上電”和“相應段備自投上電”命令，DCS檢測到同期條件滿足后，經3 s延時發出“啟動同期開關合閘”命令，同時待同期裝置檢測到工作電源進線和備用電源進線滿足同期條件時發出“備用開關合閘”指令，此外在收到備用開關合閘反饋后，經1 s延時備自投發出“工作開關分閘”指令，工作開關跳閘成功后，廠用電切換完成。須注意的是，在正常啟停機組的廠用電切換過程中應禁止啟動廠用設備，避免出現發電機側的電壓大幅波動，從而使得廠用電同期切換的不成功。

2.4 事故切換

事故切換采用串聯切換方式，機組正常運行時工作電源開關在合位，故障發生時廠用電切換模式自動轉化至事故切換，快切裝置檢測出工作電源開關跳閘瞬間母線電壓與備用電源電壓的相角差，并以快速切換、同期捕捉切換以及殘壓切換將工作開關切換至備用開關。

2.5 發電機未并網方式下機爐故障時的安全問題

發電機未并網時，如果發生汽機或者鍋爐側的故障，那么滅磁開關將無法跳閘，廠用電也無法切換，廠用母線將失壓，此時宜采用汽機跳閘聯跳磁場開關并啟動廠用電事故切換的方式。此外為與并網時汽機打閘方式相區分，DCS中應增加發電機不在網（發電機出口開關處于分閘位置）時汽輪機停運時的邏輯功能。

3 試驗分析

廠用電同期切換方案通過變更電廠正常切換時的操作模式，較好解決了不同系統電源間初始相角差較大導致廠用電無法安全可靠切換的問題。不過該方法由于并網點較多且操作方式復雜，因而控制難度較高，對機組帶小負荷運行的能力提出了較高要求。正常機組的廠用負荷約在額定出力的5%～6%，啟、停機負荷更低。考慮到鍋爐的穩燃負荷一般在30%左右，因此為滿足運行要求，需要給鍋爐補油以維持穩燃，并且由備用開關切換至工作開關時，各段廠用母線均為突加負荷，這也對機組調節能力提出了較大考驗。

圖2所示的國電漢川發電公司#6機組擬采用本文提出的廠用電同期切換方案對現有系統進行改造，以適應電源間初始相角差較大的情況。汽輪機廠已書面確認汽輪機原則上可在2%額定容量的最小負荷工況下可靠運行，為驗證機組自帶廠用電未并網運行的可行性和穩定性，利用#6機檢修的契機進行了機組解列帶廠用電低負荷試驗，具體試驗流程如下。

首先#6機逐步降負荷，并將6A結合6B母線切換至備用電源供電，6C母線保持由工作電源開關供電，此時6C母線段負荷約為3.4 MW。其次保護人員更改逆功率保護邏輯和定值，實現逆功率保護出口不滅磁、不關主汽門以及不進行6C段廠用電切換，只解列發電機出口，保留帶廠用電運行功能。最后#6機負荷降至50 MW（5%額定出力左右），執行降負荷（DEH上目標負荷指令值置零），隨后幾秒鐘，#6機逆功率保護動作，主變高壓側開關跳閘，發電機解列（不跳機、不滅磁）帶廠用電運行。汽輪機轉速快速波動至穩定狀態3 000 r/min（最低約2 975 r/min，最高約3 015 r/min），此時#6發電機孤島運行負荷4.6 MW，此工況持續約5 min。

從波形記錄上看，頻率在逆功率保護動作瞬間略有增加（49.9～50.1 Hz，計算值），全過程中（動作前10 s到動作后30 s）發電機和6C段電壓幅值無明顯變化，頻率最低為49.4 Hz，最高為50.2 Hz（計算值）。

通過以上試驗，驗證了勵磁系統和調速系統具備很高的調節精度，機組能夠帶一定廠用電負荷在孤島等特殊工況下穩定運行，這為后期通過采用同期切換方法來滿足初始相角差較大時的廠用電切換需求打下了堅實基礎，初步論證了方案的可行性[2,3]。

4 結 論

本文通過分析廠用電切換機理及快速切換裝置的功能，發現當工作和備用電源之間初始相角差較大時，現有的快速切換方法可能導致廠用電無法安全可靠切換。針對該情況，本文提出了一種基于廠用電同期切換裝置的電源切換方案，能夠在角差較大時有效保證機組廠用電的安全穩定，同時為今后國內電廠面對同類問題時提供了新的解決思路。