石化企業(yè)110kV供電系統(tǒng)的快切裝置應(yīng)用及分析

唐海東

（茂名石化熱電廠，廣東 茂名 525021）

某石化廠的供電系統(tǒng)共有七座110kV變電站，總生產(chǎn)負(fù)荷約400MW，共12回電源110kV進(jìn)線，均為架空線路。由于該廠地處多雷多雨的雷州半島附近,年平均雷擊日為90天，最高達(dá)108.9天。在雷雨季節(jié)架空線路因遭受雷擊，風(fēng)箏、樹木碰觸線路，造成線路單相接地等故障的跳閘頻率較高。2001年至2014年該廠 110kV架空線路因雷擊或其他故障所引起的停電事故共有27起。該廠原采用的是傳統(tǒng)的備自投方式，即外線路因雷擊跳閘后，通過檢測殘壓的方式，將備用電源投入，因會引起的大面積的減產(chǎn)、停產(chǎn)事故，給該廠經(jīng)濟(jì)效益造成巨大的損失，甚至可能引發(fā)次生的火災(zāi)爆炸事故。廠用電備用電源的快切裝置則是應(yīng)用在電廠中的快切裝置，不適用于石化企業(yè)的各種特殊負(fù)荷的場合。

如果在外線路故障切除后能夠?qū)⑹щ姷呢?fù)荷及時轉(zhuǎn)移至正常的電源回路上來恢復(fù)供電，就可以避免外線路跳閘帶來的停產(chǎn)、減產(chǎn)問題。應(yīng)用在廠用電備用電源的快切裝置可以實(shí)現(xiàn)在極短時間內(nèi)（ms級）不停電完成負(fù)荷轉(zhuǎn)移，是一種比較理想的方案。但該廠供電系統(tǒng)內(nèi)部含有發(fā)電機(jī)，同步電動機(jī)等大型電氣設(shè)備，與廠用電電氣設(shè)備的類別（異步電動機(jī)群）有較大的差別，如果單純套用在廠用電應(yīng)用的快切裝置，切換時能否保證發(fā)電機(jī)、大型同步機(jī)等設(shè)備的安全？另外石化系統(tǒng)內(nèi)部含有很多大容量的風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)等轉(zhuǎn)動慣量較大的負(fù)載，母線殘壓衰減的速度與廠用電母線殘壓衰減速度可能存在較大的差異，快切裝置的整定值如何能夠保證切換成功？本篇就是要解決上述問題。

1 快切裝置的原理及應(yīng)用

1.1 快切裝置的切換原理

快切裝置的工作原理如下：石化企業(yè)供電系統(tǒng)一次回路簡圖如圖 1，母線Ⅰ由進(jìn)線 1供電，母線Ⅱ由進(jìn)線2供電，兩母線Ⅰ、Ⅱ之間通過母聯(lián)開關(guān)3DL相連，M1—M4為負(fù)載線路，正常情況下，進(jìn)線開關(guān)1DL、2DL處于閉合狀態(tài)，母聯(lián)開關(guān)3DL處于斷開狀態(tài)，快切裝置通過信號采集運(yùn)算，負(fù)責(zé)1DL、2DL、3DL之間的停電切換工作。快切裝置的動作原理框圖如圖2所示。

圖1 石化企業(yè)供電系統(tǒng)一次回路簡圖

圖2 快切裝置的動作原理框圖

快切裝置根據(jù)圖3電氣參數(shù)量的變化進(jìn)行運(yùn)算判斷，以實(shí)現(xiàn)不同的切換。圖3為某300MW發(fā)電機(jī)組6kV母線殘壓特性示意圖，VD為母線殘壓，弧線ABCD表示母線殘壓相量變化軌跡，ΔU為備用電源電壓與母線殘壓間的差壓。

假定正常運(yùn)行時工作電源與備用電源同相，其電壓相量端點(diǎn)為A，則母線失電后殘壓相量端點(diǎn)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，這就是快速切換，是最理想的切換方式。

圖3 某300MW發(fā)電機(jī)組6kV母線殘壓特性示意圖[1]

過B點(diǎn)后BC段為不安全區(qū)域，不允許切換。在C點(diǎn)后至CD段實(shí)現(xiàn)的切換以前通常稱為延時切換或短延時切換，這正式現(xiàn)有石化企業(yè)備自投普遍采用的切換方式。在C-D段捕捉母線殘壓與備用電源電壓第一次相位重合點(diǎn)實(shí)現(xiàn)合閘，這就是同期捕捉切換，相對于上述延時切換或短延時切換，同期捕捉切換由于合閘時，由于備用電源電壓與母線殘壓兩電壓同相，備用電源合上時沖擊電流較小，也基本不會對設(shè)備及系統(tǒng)造成危害。

當(dāng)母線電壓衰減到 20%～40%額定電壓后實(shí)現(xiàn)的切換通常稱為殘壓切換。殘壓切換雖能保證電動機(jī)安全，但由于停電時間過長，電動機(jī)自起動成功與否、自起動時間等都將受到較大限制。而長延時切換是在備用電源的容量不足以承擔(dān)全部負(fù)載甚至不足以承擔(dān)通過殘壓切換過去的負(fù)載的自起動時迫不得已的選擇。

1.2 快切裝置在石化企業(yè)供電系統(tǒng)存在的難題

廠用電備用電源的快切裝置可以實(shí)現(xiàn)在極短時間內(nèi)不停電完成負(fù)荷轉(zhuǎn)移，是一種比較理想的裝置。但由于石化企業(yè)的供電系統(tǒng)內(nèi)部含有發(fā)電機(jī)、同步電動機(jī)等大型電氣設(shè)備，與廠用電氣設(shè)備的類別有較大的差別，如廠用的電動機(jī)為異步電動機(jī)，如果石化企業(yè)的供電系統(tǒng)單純的套用廠用電備用電源的快切裝置，切換時是不能保證上述發(fā)電機(jī)、同步電動機(jī)等大型電氣設(shè)備的安全的。

另外，石化系統(tǒng)內(nèi)部含有很多大容量的風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)等設(shè)備，這些設(shè)備都為轉(zhuǎn)動慣量較大的負(fù)載，失壓母線即故障母線殘壓衰減的速度與廠用電的失壓母線殘壓衰減速度存在較大的差異，快切裝置的整定值等的設(shè)定與廠用電也存在差別。

1.3 快切裝置在石化供電系統(tǒng)的應(yīng)用

2012年10月該廠與清華大學(xué)、東大金智合作，在清華大華電機(jī)系實(shí)驗(yàn)室采用東大金智針對茂名石化供電系統(tǒng)的特點(diǎn)開發(fā)的MFC-S型快切裝置，選取了比較典型的供電系統(tǒng)110kV乙烯北站，完成了關(guān)于乙烯北站切換初步物理動模試驗(yàn)。試驗(yàn)中發(fā)電機(jī)、同步機(jī)在切換中狀況良好，也實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)切換，沒有出現(xiàn)較大幅值的振蕩，同時也保證了系統(tǒng)的安全。

為滿足石化系統(tǒng)各種負(fù)載的需要，用于石化企業(yè)110kV供電系統(tǒng)的快切裝置對邏輯判斷進(jìn)行了很大的改進(jìn)，判斷是否滿足以下條件：逆功率起動條件、無流起動條件、失壓起動條件、誤跳起動條件、保護(hù)起動的條件，進(jìn)行切換。

圖4為改進(jìn)后快切裝置的動作邏輯圖。根據(jù)所述數(shù)字信號判斷是否滿足以下條件：

圖4 快切裝置的動作邏輯圖

1）逆功率起動條件：所述進(jìn)線線路的三相進(jìn)線中任意一相進(jìn)線的功率反向且該相頻率的變化量＞整定頻率Δfzd。

2）無流起動條件：所述進(jìn)線線路三相進(jìn)線的電流均小于設(shè)定的無流電流Iwl且三相頻率的變化量均大于整定頻率Δfzd。

3）失壓起動條件：所述進(jìn)線線路三相進(jìn)線的電壓均小于電壓整定值Uzd且持續(xù)時間均大于時間整定值Tzd。

4）誤跳起動條件：所述進(jìn)線線路三相進(jìn)線任意一相的電流小于設(shè)定的誤跳電流Iwt且所述進(jìn)線開關(guān)跳開。

5）保護(hù)起動的條件：所述進(jìn)線保護(hù)裝置起動。

若滿足誤跳起動條件，則起動切換操作，并由上至下進(jìn)一步判斷是否滿足：若滿足其他任一條件，則發(fā)出跳進(jìn)線開關(guān)命令，且起動切換操作，也由上至下進(jìn)一步判斷是否滿足。

6）快速切換條件：與跳開的所述進(jìn)線線路相連的故障母線的任意一相電壓與備用電源對應(yīng)相的電壓波形的頻差小于1Hz，且角差小于20°。

7）同期捕捉切換條件：與跳開的所述進(jìn)線線路相連的故障母線的任意一相電壓與備用電源對應(yīng)相的電壓波形的頻差小于1.5Hz，且角差小于30°。

8）殘壓切換的條件：與跳開的所述進(jìn)線線路相連的故障母線的電壓＜40%故障母線額定電壓Un。

9）長延時切換條件：從所述切換操作起動后延時7s，與跳開的所述進(jìn)線線路相連的故障母線的電流＜0.5A。

滿足則停止后續(xù)判斷并發(fā)送相應(yīng)的切換命令即快速切換命令或同期捕捉切換命令或殘壓切換命令或長延時切換命令，其中，殘壓切換延時0.5s。

10）開合閘執(zhí)行機(jī)構(gòu)：在收到微機(jī)芯片的跳進(jìn)線開關(guān)命令后，執(zhí)行跳開所述進(jìn)線開關(guān)的操作，并在收到微機(jī)芯片的切換命令后，執(zhí)行合備用電源操作。

經(jīng)研究分析，上述參數(shù)的推薦取值范圍為：Δfzd取值范圍為0.02～0.5Hz，Iwl取值范圍為0.5～2A，Uzd取值范圍為 20%～90%進(jìn)線線路額定電壓，Tzd取值范圍為0.1～5s，Iwt取值范圍為0.5～2A。

2012年底由該廠與清華大學(xué)、東大金智三方開發(fā)的第一臺適用于石化企業(yè)供電系統(tǒng)的 MFC-S型快切裝置在該廠煉油西站 110kV系統(tǒng)開始試用，2013年初開始全面應(yīng)用，共投用 22套。目前各裝置運(yùn)行穩(wěn)定，狀況良好。

2 應(yīng)用情況及經(jīng)濟(jì)效益測算

2.1 動作記錄

2014年該廠供電系統(tǒng)110kV進(jìn)線共發(fā)生6起故障，快切裝置均成功切換，切換時間在150ms以內(nèi)。切換時發(fā)電機(jī)、同步電動機(jī)等大型設(shè)備均實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)過渡，相關(guān)裝置生產(chǎn)機(jī)泵也沒有受到影響，避免了由于系統(tǒng)電源的波動造成停產(chǎn)、減產(chǎn)等問題，實(shí)現(xiàn)了負(fù)荷不停電轉(zhuǎn)移（詳見案例）。特別是榭烯北線三次切換下游50MW發(fā)電機(jī)，22.1MW、6MW大型同步機(jī)都沒有受到影響，表1是2010年快切投用以來快切裝置動作情況。

表1 2014年茂名石化公司快切裝置動作記錄

以上6次動作，故障線路上均掛有自備發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)負(fù)荷比用電負(fù)荷稍小，約占80%～90%左右。帶有發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)切換時不跳發(fā)電機(jī)，而是帶著發(fā)電機(jī)完成切換。幾次成功動作表明：石化企業(yè)110kV供電系統(tǒng)快切裝置的應(yīng)用有效地解決了困擾石化供電系統(tǒng)電源側(cè)故障帶來的停電問題，不僅可以在無發(fā)電機(jī)等大型電氣設(shè)備的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全切換，對于帶有發(fā)電機(jī)、大型同步電動機(jī)等的場合也能夠?qū)崿F(xiàn)安全切換。

2.2 間接經(jīng)濟(jì)效益

自2013年110kV供電系統(tǒng)應(yīng)用該技術(shù)以來，避免了6次因110kV架空線路故障跳閘引起的大面積停電事故，從而保證了該廠長周期安全生產(chǎn)。直接經(jīng)濟(jì)效益計算如下：

1）2014年化工區(qū)供電系統(tǒng)110kV線路共發(fā)生兩次跳閘事故，事故線路為榭烯北線跳閘，假設(shè)沒有快切，則造成2#裂解、CFB鍋爐、四循、2#加氫等裝置高壓機(jī)泵跳停，主要影響2#裂解裝置的生產(chǎn)。

目前2#裂解開停工一次耗物料約450t，石腦油約占80%，其余物料為蒸氣等，占20%，物料的平均價格約7500元左右，外線路一條故障2#裂解跳停一次，損失約450×0.75=337.5萬元；則兩次故障2#裂解的損失為2×337.5=675萬元。

2）2014年煉油區(qū)供電系統(tǒng)110kV線路共發(fā)生四次跳閘事故，其中煉油中站兩條外線路4次，中站一條外線路跳閘后，全廠約40%負(fù)荷失去電源，煉油產(chǎn)量大致如下：汽油：270t/h；煤油：150t/h；富乙烯氣：200t/h；瀝青：66t/h；商品原料油：180t/h；據(jù)此計算，中站一條外線路跳閘煉油1h約減產(chǎn)如下：

汽油：108t/h；約7000元/t。

煤油：60t/h；約7000元/t。

富乙烯氣：80t/h；約10000元/t。

瀝青：26t/h；約4000元/t。

商品原料油：72t/h；約4000元/t。

共損失245萬元。

煉油中站外線路共發(fā)生4次故障，損失980萬元。

3）利潤計算

2014年共避免損失：675+980=1655萬元。

本項(xiàng)目費(fèi)用100萬元。

快切裝置投資費(fèi)用：22套×12萬元=264萬元。

成本共100+264=364萬元。

利潤=1655萬元-364萬元=1291萬元。

4）避免了6次石化裝置因突然停電引發(fā)次生火災(zāi)爆炸事故和設(shè)備損壞事故。

2.3 社會效益

石化產(chǎn)業(yè)關(guān)系到國家能源戰(zhàn)略安全和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，在國民經(jīng)濟(jì)中起著舉足輕重的作用。石化企業(yè)的顯著特點(diǎn)是規(guī)?；B續(xù)性生產(chǎn)、對供電連續(xù)性要求高，快切裝置在110kV供電系統(tǒng)側(cè)的應(yīng)用解決了供電系統(tǒng)故障停電引起的安全性及生產(chǎn)連續(xù)性問題，對石化產(chǎn)業(yè)提高經(jīng)濟(jì)效益和社會效益有著極大的意義。

3 結(jié)論

快切裝置在石化企業(yè)110kV供電系統(tǒng)電源側(cè)的應(yīng)用有效地解決了困擾石化供電系統(tǒng)電源側(cè)故障帶來的停電問題，不僅可以在沒有發(fā)電機(jī)等大型電氣設(shè)備的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全切換，對于帶有發(fā)電機(jī)等大型電氣設(shè)備的場合也能夠?qū)崿F(xiàn)安全切換?？烨醒b置在茂名石化投用兩年多來成功為茂名石化避免了6次大面積停電事故，確保了裝置的安全生產(chǎn)。在目前技術(shù)條件下，快切裝置煉化企業(yè)供電系統(tǒng)的使用是安全可行的，快切裝置值得推廣應(yīng)用。

[1] 南京金智科技股份有限公司. MFC2000-3S型微機(jī)多功能電源快速切換裝置[Z]. 2012.1.