王鐵軍

摘 要：廠用電系統(tǒng)安全切換是保證發(fā)電企業(yè)安全生產(chǎn)、減少事故損失的重要保障，而眾多電站都面臨著廠用電系統(tǒng)老化，維修困難、工作效率低下等問題。本文結(jié)合元寶山2號機組的廠用電結(jié)構(gòu)及廠用電運行中的問題、尤其是廠用電在切換過程中存在的問題進行了較深入的探討，通過對電源開關(guān)及切換方式的改進，解決了2號機組發(fā)電機并網(wǎng)后廠用電切換不成功并頻繁導(dǎo)致機組跳閘等嚴重問題，為發(fā)電企業(yè)解決廠用電系統(tǒng)切換改造工程提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：廠用電 切換方式 機組跳閘 600MW

中圖分類號：TM621 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）01（b）-0000-00

1 引言

廠用電系統(tǒng)安全可靠供電是發(fā)電機組安全運行的基本條件。在事故情況下，廠用電系統(tǒng)安全切換，對減少事故損失、保護人身與設(shè)備安全至關(guān)重要。另外，一些重要輔機如交流潤滑油泵等在備用電源切換過程中，如由于廠用裝置本身缺陷導(dǎo)致切換失敗或保安電源等原因造成失電，則有可能釀成重大事故，造成事故范圍擴大。廠用電切換不當(dāng)引起的問題有些是明顯的、突發(fā)的，而有些是漸變的。隨著發(fā)電機組容量的增大，廠用電動機的容量也在增大，大容量電動機的機電時間常數(shù)要比中小容量電動機的時間常數(shù)長[1]。因此，在工作電源突然斷開后，廠用母線上處于正常運行狀態(tài)的電動機群，具有大量動能和磁能，使得在廠用母線上保持著很高的反饋電壓，而且衰減很慢。反饋電壓與電源電壓之間的相角隨著時間的變化在逐漸擴大，在備用電源投入瞬間，將產(chǎn)生很大的合閘沖擊電流。會對電動機、啟備變造成難以預(yù)料的不良后果，增加了事故隱患[2，3]。本文結(jié)合2號機組6kV廠用電切換運行效率低的現(xiàn)狀，針對相關(guān)影響因素進行分析，并提出合理的解決方案，為火電廠發(fā)生類似事故提供技術(shù)參考。

2 原廠用電系統(tǒng)存在的問題

國電元寶山發(fā)電有限責(zé)任公司2號機組6kV廠用切換近年來受電源斷路器操作機構(gòu)及切換方式等因素影響一直成功率不高，經(jīng)常由于切換時間長導(dǎo)致在機組并網(wǎng)后廠用電切換期間6kV母線電壓下降過大造成部分電氣設(shè)備跳閘，對機組安全經(jīng)濟運行十分不利。分析其主要原因，包括以下幾方面：

（1）6kV廠用電切換方式為串聯(lián)切換，在此切換模式下工作和備用電源采用先斷后合的方式，雖然沒有兩個電源并列運行而產(chǎn)生環(huán)流等影響，但母線失電時間長、母線電壓降落快，對廠用變及啟備變沖擊較大，部分電氣設(shè)備容易低壓或過流跳閘。

（2）2號機組6kV電源開關(guān)為六氟化硫彈簧機構(gòu)開關(guān)，開關(guān)本身固有動作時間長，其BR170操動機構(gòu)經(jīng)過20多年的使用，部分元件老化磨損程度相當(dāng)嚴重，導(dǎo)致開關(guān)固有動作時間增長且離散度大。經(jīng)實測開關(guān)合閘時間在140毫秒～160毫秒之間、斷閘時間60毫秒左右。

（3）6kV廠用電切換裝置2002年改造為微機快切裝置，屬于早期微機快切產(chǎn)品，存在模塊老化不穩(wěn)定、出口接點容量低等缺陷，易導(dǎo)致切換時間不穩(wěn)定。

基于以上原因，在原串聯(lián)切換方式下6kV廠用電母線在切換過程中失電時間經(jīng)常大于180毫秒，母線電壓降至70%額定電壓以下。受此影響部分電氣設(shè)備如引風(fēng)機變頻器、凝泵變頻器、部分低壓變頻器、部分高壓電動機經(jīng)常在切換時刻低壓或過流跳閘，造成機組負荷波動或跳閘。

3 廠用電切換系統(tǒng)失效成因分析

2號機組原串聯(lián)切換方式下6kV廠用電母線在切換過程中受電源開關(guān)跳合閘時間及切換方式影響失電時間經(jīng)常大于160毫秒，此工況下切換對電動機沖擊電流最大，由于廠用電突然消失，電動機的空氣隙磁場和其轉(zhuǎn)動慣量儲能的存在，使母線產(chǎn)生了殘壓。在工作母線斷電瞬間，由于母線上電動機各不相同，他們要進行能量交換，其中一部分電動機以“感應(yīng)發(fā)電機”方式運行，其它電動機以電動機方式運行，因此，殘壓的大小和頻率隨時間變化而變化[2，3，4]。由于2號機組容量大，廠用電動機儲存的電磁能和機械能是相當(dāng)可觀的，殘壓的衰減速度十分緩慢，根據(jù)現(xiàn)場錄波，6kV母線在最大運行方式時，突然跳開工作電源開關(guān)，其殘壓經(jīng)160ms以后，將降至額定電壓的70%左右，根據(jù)理論分析如果在0.3s～0.5s時間間隔內(nèi)，合上備用電源，殘壓與備用電源之間的角差接近180?，此時電動機所承受的沖擊電流最大。當(dāng)電動機受到過大的沖擊，由于電磁應(yīng)力的影響，有可能造成電動機繞組從槽中移位，使電動機在運行時損壞，同時，由于機械慣量的存在，電動機軸受扭力過大造成電動機軸扭曲。由于電流沖擊也將使啟動變差動保護誤動，進而造成廠用電全失。

4 廠用電切換系統(tǒng)改造

4.1廠用電切換系統(tǒng)改造基本參數(shù)

廠用電切換裝置切換方式包括并聯(lián)切換、正常同時切換、事故切換、不正常切換[5]。在實際運行中如何選擇，有以下幾類數(shù)據(jù)必須確定。

（1）允許進行快速切換的最長時限Tmax：Tmax取決于廠用電本身系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主要看廠用電消失后，母線電壓殘壓的衰減快慢，理論上不大于300ms，實踐證明母線失電前在線的電動機多，Tmax大，反之就小。通過電動機殘壓特性曲線和電動機耐受的沖擊電流確定允許極限圖，保證安全快速切換。

（2）開關(guān)合跳閘時間：此事件應(yīng)當(dāng)取80%跳合閘電壓下測得數(shù)據(jù)。

（3）相角差δ：備用電源投入時，相角差δ越小越好，一般在30°內(nèi)，從殘壓-沖擊圖可以看出，相角差30°是第一安全區(qū)，時間大約100ms，在額定的電壓下實現(xiàn)同時切換是可能的，但是串聯(lián)切換就不一定成功，因此必須確定相角差是作為啟動判據(jù)還是允許判據(jù)。

4.2 技術(shù)改造措施

針對目前2號機組6kV廠用電切換的問題進行了深入研究，采取有針對性的措施進行改善解決。

（1）對2號機組6kV電源開關(guān)BR170操動機構(gòu)進行了解體大修，更換部分磨損件，改善并穩(wěn)定開關(guān)動作時間。根據(jù)阿海法中國公司法方工程師確認，如對BR170機構(gòu)進行徹底解體大修后的開關(guān)動作時間分別可達到合閘時間小于110毫秒，分閘時間小于50毫秒。

（2）對6kV廠用電切換方式進行了研究，確定采用同時切換方式進而縮短6kV廠用電切換過程中母線斷電時間，防止母線電壓降落過快。

（3）通過核相和環(huán)流計算進一步探討采用并聯(lián)切換方式的可行性。

4.3 技術(shù)改造成果

2號機組6KV廠用電源切換裝置于2011年8月開始改在，兩日后2號機組啟動并網(wǎng)后進行了切換試驗，由于采用了同時切換方式，測量切換過程中母線失電最大時間僅為87毫秒，母線電壓不低于80%額定電壓。切換過程中引風(fēng)機變頻器、凝泵變頻器等廠用電負荷均無異常，改造取得了預(yù)期的效果。

（1）性能指標(biāo)的改善情況

經(jīng)本次廠用電切換系統(tǒng)改造，切換裝置硬件設(shè)備和備件、系統(tǒng)軟件和各種支撐軟件符合合同要求數(shù)量，系統(tǒng)可利用率達到100%。對切換裝置硬件設(shè)備進行了測試、出廠驗收、入廠驗收、系統(tǒng)調(diào)試和投入工作，系統(tǒng)經(jīng)過了驗收，各項功能在要求的時間內(nèi)投入運行。采用先進的總線隔離技術(shù)，外部模入，開入，開出均與內(nèi)部電路隔離，分板間采用背板式連接，抗干擾能力明顯提高。對系統(tǒng)主要部件進行自檢，操作整定由密碼管理，軟硬件具有一定的容錯糾錯能力，裝置直流電源允許偏差-20%～+10%，波紋系數(shù)不大于5%；交流電流回路過載能力為2倍的額定電流，連續(xù)工作。交流電壓回路過載能力為1.5倍額定電壓，連續(xù)工作。直流電源回路工作電壓為80%～115%額定電壓，可連續(xù)工作。經(jīng)改造后，系統(tǒng)快速切換時間均滿足運行管理要求，其中“事故同時切換”<“12ms”+“用戶設(shè)定延時”+“備用開關(guān)合閘時間”，“事故串聯(lián)切換”<“12ms”+“工作開關(guān)跳開時間”+“備用開關(guān)合閘時間”。

（2）6KV切換控制功能改善情況

經(jīng)本次廠用電切換系統(tǒng)改造，檢測和顯示功能提高，可顯示廠用母線三相電壓，工作及備用電源電壓，廠用母線及后備母線頻率，頻率差，相位差，分支電流，開關(guān)狀態(tài)，所有整定值及外部投退或內(nèi)部軟壓板投退狀態(tài)。切換功能得到完善，可實現(xiàn)并聯(lián)切換、正常同時切換、事故切換、不正常切換。低壓減載功能方面，取決于切換時母線電壓，切除不重要輔機，保證重要輔機的自啟動。閉鎖報警功能、故障處理功能方面，具有裝置閉鎖、出口閉鎖、開關(guān)異常、裝置異常等功能。

5 結(jié)語

國電元寶山發(fā)電廠2號機組6KV廠用電源切換裝置改造工程采用微機廠用電快速切換裝置替換原有舊的切換裝置，控制功能和改造效果上，裝置具有的快切功能，保證當(dāng)工作電源故障時，備用電源在100ms內(nèi)投入，首次引入了同期捕捉的概念，填補了過去廠用電備自投裝置沒有同期合閘的缺點，采用同期捕捉功能合閘，能夠使裝置在廠用母線反饋電壓與備用電源電壓間相角差較小的瞬間將開關(guān)合閘，盡量減少沖擊和切換時間，提高切換成功的機率。裝置的接線簡單，判斷邏輯和參數(shù)整定主要由軟件完成，可以避免由回路故障和定值偏差造成的切換失敗，可靠性大大提高。裝置操作簡單，正常運行時，能夠顯示主接線，開關(guān)狀態(tài)，母線電壓，分支電流，頻率，相位差等運行參數(shù)，當(dāng)異常時能及時發(fā)出信號，提醒運行人員監(jiān)視，裝置操作過程中，能夠提示故障及異常情況，切換后能夠提供分支電壓，電流錄波，切換追憶等信息，有利于工作人員判斷分析裝置情況。這些高新技術(shù)的應(yīng)用，不僅提高了自動化控制水平和管理水平，而且為整臺機組可靠運行提供了有利保障。在效益方面，改造后裝置的可靠性和靈活性提高，消除了由于切換裝置的問題導(dǎo)致的機組誤跳閘及切換失敗導(dǎo)致主輔設(shè)備受損事故，不僅保證了機組安全經(jīng)濟運行，而且也大大減少運行和檢修人員的勞動強度，其經(jīng)濟效益和社會效益是顯著的。

參考文獻

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