電源快速切換技術(shù)在熱電廠電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

孫東衛(wèi)，張 濤

（1.新疆輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 新疆 烏魯木齊 830021；2.新疆昌吉職業(yè)技術(shù)學(xué)院 新疆 昌吉 831100）

一般熱電廠廠用電切換的要求是：切換過程中不能造成設(shè)備損壞，盡量減少備用變壓器過流或重要輔機(jī)跳閘造成鍋爐汽機(jī)停運(yùn)的事故。廠用電失電后，由于負(fù)載存在慣性及系統(tǒng)存儲的磁場能量，電動機(jī)在短時間內(nèi)將繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，并將磁場能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。由于各電動機(jī)的容量、參數(shù)不一致，電動機(jī)之間將有電磁能與動能的交換，此時部分異步電動機(jī)實際上已轉(zhuǎn)入發(fā)電機(jī)運(yùn)行工況，因此廠用母線的電壓即是多臺異步發(fā)電機(jī)發(fā)出的反饋電壓的合成，也稱為母線殘壓。

1 廠用電失電后系統(tǒng)狀態(tài)

由于不存在原動力和勵磁，因此殘壓的幅值和頻率將隨時間逐漸衰減，殘壓與備用電源（系統(tǒng)）電壓間的相位差將逐漸增大，如圖1所示，Vs備用電源電壓；Vd母線殘壓；ΔU差拍電壓。

在備用電源投入前，備用電源電壓一般即為系統(tǒng)電壓，電壓幅值和頻率為額定值，因此，備用電壓和殘壓之間的差拍電壓（簡稱為差壓）將呈現(xiàn)差拍形，見圖2所示。

圖1 極坐標(biāo)形式的殘壓相量圖Fig.1 Residual pressure phase diagram of polar form

控制殘壓與備用電源（系統(tǒng)）電壓間的相位差，縮短時間，降低母線殘壓幅值和頻率的衰減值，是提高切換成功率的關(guān)鍵，在圖1中，A′-A″右側(cè)為電廠備用電源合閘的安全區(qū)，在B點（0.3 s）以前進(jìn)行切換是最安全的；在C點以后進(jìn)行的切換對電動機(jī)也是安全的；過B點后BC段為不安全區(qū)域，因其ΔU過大，不允許切換。

圖2 殘壓與備用電源電壓間差拍電壓Fig.2 Beat voltage between residual voltage and the standby power voltage

2 熱電廠廠用電力系統(tǒng)介紹

熱電廠廠用6 kVⅢ段為A、B兩組單母線分段方式，其特點是：未裝設(shè)發(fā)電機(jī)出口開關(guān)，單母線分段共用工作、備用電源等，如圖3所示。

圖3 熱電廠發(fā)電機(jī)廠用電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Generator power system structure of power plant

熱電廠廠用負(fù)荷中大多為電動機(jī)，容量較大，使廠用母線發(fā)生失電事故后電壓衰減較慢，在實際生產(chǎn)中，機(jī)組啟動、停機(jī)、消缺、解列及工作電源故障等情況下，必須進(jìn)行廠用電切換，由于切換存在的諸多安全問題，成功率低，易發(fā)生安全生產(chǎn)事故。實際上，廠用電切換過程是一個比較復(fù)雜的機(jī)電動態(tài)過程，特別在事故切換過程中，電流、電壓、頻率、相角等將發(fā)生快速變化，要提高切換的成功概率，其思路是：首先應(yīng)當(dāng)掌握切換動態(tài)過程，改進(jìn)切換方式，應(yīng)用先進(jìn)的切換裝置，從根本上解決廠用電切換存在的問題。

3 廠用電切換出現(xiàn)問題的原因與分析

從原理上講，廠用電能否成功切換，主要取決于廠用電系統(tǒng)所受的沖擊，而所受沖擊的大小，則取決于切換時母線殘壓與備用電源間的差壓；另外，廠用電切換的成功率還受斷電時間、電動機(jī)自啟動及機(jī)爐系統(tǒng)穩(wěn)定性等因素的影響。

歷年來出現(xiàn)的與切換有關(guān)的問題，其原因很多，而與切換原理有關(guān)的主要問題有：

1）無快速切換，僅采用失壓備自投切換。由于少油開關(guān)分合閘速度慢、備自投裝置檢測、動作固有時間相對較長，造成整個切換失電時間較長（最短為200 ms，最長可達(dá)1 s），對輔機(jī)及機(jī)爐的運(yùn)行影響較大，極易造成停爐。因此當(dāng)工作電源誤跳等情況發(fā)生時，將引起機(jī)組停運(yùn)，造成不必要的損失。

2）切換無同期閉鎖，開關(guān)合閘時間長。當(dāng)備用電源合上時，殘壓與備用電源電壓間相位差大，差壓也大，造成合閘沖擊電流大，造成備用分支過流動作，使切換失敗。多次事故說明，由于投切時間不當(dāng)，備用變壓器沖擊電流過大，造成切換失敗。由于殘壓頻率的衰減速度與廠用負(fù)載有關(guān)，因此，對同一臺機(jī)組，會出現(xiàn)切換有時成功，有時失敗，或一個分支成功，另一個分支失敗的情況。

4 新型切換技術(shù)和切換裝置

通過上述分析，可以得出影響廠用電切換的主要因素有設(shè)備條件、切換方式、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式及故障性質(zhì)等。由于現(xiàn)在廠用電油斷路器已基本被真空斷路器取代，開關(guān)動作時間已大大被縮短，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式的確定則取決于一次系統(tǒng)，廠用電切換只能在既定的情況下進(jìn)行，不可能按廠用電切換的需要來確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式，那么只有對切換方式和切換裝置的改進(jìn)才是提高廠用電切換的成功率的有效手段。

1）電源快速切換裝置簡介

廠用6 kVⅢ段采用的電源快速切換系統(tǒng)裝置，是由廈門公司生產(chǎn)的SUE3000型微機(jī)電源快速切換裝置，在6 kVⅢA段和6 kVⅢB段各設(shè)有一臺，SUE3000快切裝置是基于現(xiàn)代多功能保護(hù)和控制的REF542plus平臺的微處理系統(tǒng)，其模擬量的測量功能和計算由數(shù)字信號處理器執(zhí)行，控制功能、SOE和通訊界面由微處理器執(zhí)行，其顯示屏可以進(jìn)行：測量值顯示、功能投退、定值整定、就地手動切換等操作，正常情況下可顯示：廠用母線三相電壓、工作電源電壓、備用電源電壓、備用電源/工作電源電壓間相角差；工作、備用開關(guān)及廠用母線分合閘狀態(tài)等信息。

2）快速切換裝置的動作原理

圖4 廠用6 kVⅢA段電源切換裝置示意圖Fig.4 Power switching device 6 kVⅢA for Plant

SUE3000裝置具有快速切換、首次同相切換切換和殘壓切換等功能，裝置由繼電保護(hù)裝置動作時同時起動，通過對相角、頻差、備用電源電壓正常和母線電壓四種判據(jù)的分析，如圖4所示。確定母線和備用電源在同步的情況下，向工作電源、備用電源各自對應(yīng)的斷路器同時發(fā)出分、合閘命令，從而縮短了裝置檢測、動作時間和斷路器結(jié)點返回時間，提高了動作速度。

①快速切換，在合成的母線殘壓特性曲線的安全區(qū)域，根據(jù)頻差和相角差，判斷是否滿足合閘條件進(jìn)行切換。系統(tǒng)結(jié)線和運(yùn)行方式?jīng)Q定了正常運(yùn)行時廠用母線電壓與備用電源電壓間的初始相角，故障類型則決定了從故障發(fā)生到工作開關(guān)跳開這一期間廠用母線電壓與備用電源電壓的頻率、相角和幅值變化。此外，保護(hù)動作時間和各開關(guān)的動作時間及順序也將影響頻率、相角等的變化。

②首次同相切換，實時跟蹤殘壓的頻率和角差變化，在反饋電壓與備用電源電壓相量第一次相位重合時合閘。用“恒定越前相角”或“恒定越前時間”原理進(jìn)行。同相切換時，電動機(jī)相當(dāng)于異步發(fā)電機(jī)，其定子繞組磁場已由同步磁場轉(zhuǎn)為異步磁場，而轉(zhuǎn)子不存在外加原動力和外加勵磁電流。因此，備用電源合上時，若相角差不大，即使存在一些頻差和壓差，定子磁場也將很快恢復(fù)同步，電動機(jī)也很快恢復(fù)正常異步運(yùn)行。

③殘壓切換，當(dāng)殘壓衰減到30%額定電壓后實現(xiàn)切換。在圖1中，假設(shè)正常運(yùn)行時工作電源與備用電源同相，其電壓相量端點為A，則母線失電后殘壓相量端點將沿殘壓曲線由A向B方向移動，如能在A-B段內(nèi)合上備用電源，則既能保證電動機(jī)安全，又不使電動機(jī)轉(zhuǎn)速下降太多，切換時間小于0.2 s，就是實現(xiàn)了“快速切換”。如快速切換未成功，則起動“首次同相切換”，它是以頻差和角差來界定合閘區(qū)域，盡量做到角差為零時合閘，圖1中為B′-B″右側(cè)、約0.6 s區(qū)域，對于殘壓衰減較快的系統(tǒng)，該時間會較短。如殘壓衰減較快或首次同相切換仍不成功，則在C點后，母線殘壓衰減到30%時實現(xiàn)的切換，稱為“殘壓切換”，殘壓切換對電動機(jī)也是安全的。

5 結(jié) 論

SUE3000型微機(jī)電源快速切換裝置在6 kVⅢ段電源切換試驗中實測切換全過程為93 ms，對比原電磁型裝置動作時間縮短近50%，由于簡化了裝置和接線，動作成功率達(dá)100%，徹底解決了原裝置可靠性低、穩(wěn)定性差的問題，特別是在遇到主變、發(fā)電機(jī)、汽輪機(jī)、鍋爐故障時，切換廠用電為自動方式，電壓擾動小，可靠性提高，經(jīng)改造后從未發(fā)生誤動，保證了爐機(jī)安全連續(xù)運(yùn)行，減少了熱電聯(lián)產(chǎn)中因電氣事故引發(fā)熱網(wǎng)波動事故的誘因，為煉化裝置安全平穩(wěn)生產(chǎn)提供了有利地保證[7]。

新型快速切換裝置在切換原理和實現(xiàn)方式上有了重大改進(jìn)，它具有的動態(tài)跟蹤、捕捉同期、追憶錄波等功能，較好地解決了現(xiàn)有電源切換裝置存在的問題，不僅值得在各類發(fā)電廠推廣使用，而且應(yīng)當(dāng)在煉化區(qū)域的總降壓站和重要生產(chǎn)裝置的配電系統(tǒng)上推廣使用。

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