600MW機(jī)組廠用電切換可靠性研究與改進(jìn)

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(hào)機(jī)組的廠用電結(jié)構(gòu)及廠用電運(yùn)行中的問題、尤其是廠用電在切換過程中存在的問題進(jìn)行了較深入的探討，通過對(duì)電源開關(guān)及切換方式的改進(jìn)，解決了2號(hào)機(jī)組發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后廠用電切換不成功并頻繁導(dǎo)致機(jī)組跳閘等嚴(yán)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(jī)組跳閘 600MW

中圖分類號(hào)：TM621 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(jī)組安全運(yùn)行的基本條件。在事故情況下，廠用電系統(tǒng)安全切換，對(duì)減少事故損失、保護(hù)人身與設(shè)備安全至關(guān)重要。另外，一些重要輔機(jī)如交流潤(rùn)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(kuò)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(jī)組容量的增大，廠用電動(dòng)機(jī)的容量也在增大，大容量電動(dòng)機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)要比中小容量電動(dòng)機(jī)的時(shí)間常數(shù)長(zhǎng)[1]。因此，在工作電源突然斷開后，廠用母線上處于正常運(yùn)行狀態(tài)的電動(dòng)機(jī)群，具有大量動(dòng)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(shí)間的變化在逐漸擴(kuò)大，在備用電源投入瞬間，將產(chǎn)生很大的合閘沖擊電流。會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)、啟備變?cè)斐呻y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(hào)機(jī)組6kV廠用電切換運(yùn)行效率低的現(xiàn)狀，針對(duì)相關(guān)影響因素進(jìn)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(guó)電元寶山發(fā)電有限責(zé)任公司2號(hào)機(jī)組6kV廠用切換近年來(lái)受電源斷路器操作機(jī)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(shí)間長(zhǎng)導(dǎo)致在機(jī)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(duì)機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(gè)電源并列運(yùn)行而產(chǎn)生環(huán)流等影響，但母線失電時(shí)間長(zhǎng)、母線電壓降落快，對(duì)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(hào)機(jī)組6kV電源開關(guān)為六氟化硫彈簧機(jī)構(gòu)開關(guān)，開關(guān)本身固有動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)，其BR170操動(dòng)機(jī)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(yán)重，導(dǎo)致開關(guān)固有動(dòng)作時(shí)間增長(zhǎng)且離散度大。經(jīng)實(shí)測(cè)開關(guān)合閘時(shí)間在140毫秒～160毫秒之間、斷閘時(shí)間60毫秒左右。

（3）6kV廠用電切換裝置2002年改造為微機(jī)快切裝置，屬于早期微機(jī)快切產(chǎn)品，存在模塊老化不穩(wěn)定、出口接點(diǎn)容量低等缺陷，易導(dǎo)致切換時(shí)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(shí)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(jī)變頻器、凝泵變頻器、部分低壓變頻器、部分高壓電動(dòng)機(jī)經(jīng)常在切換時(shí)刻低壓或過流跳閘，造成機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)或跳閘。

3 廠用電切換系統(tǒng)失效成因分析

2號(hào)機(jī)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(shí)間及切換方式影響失電時(shí)間經(jīng)常大于160毫秒，此工況下切換對(duì)電動(dòng)機(jī)沖擊電流最大，由于廠用電突然消失，電動(dòng)機(jī)的空氣隙磁場(chǎng)和其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量?jī)?chǔ)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(dòng)機(jī)各不相同，他們要進(jìn)行能量交換，其中一部分電動(dòng)機(jī)以“感應(yīng)發(fā)電機(jī)”方式運(yùn)行，其它電動(dòng)機(jī)以電動(dòng)機(jī)方式運(yùn)行，因此，殘壓的大小和頻率隨時(shí)間變化而變化[2，3，4]。由于2號(hào)機(jī)組容量大，廠用電動(dòng)機(jī)儲(chǔ)存的電磁能和機(jī)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(chǎng)錄波，6kV母線在最大運(yùn)行方式時(shí)，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(shí)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(shí)電動(dòng)機(jī)所承受的沖擊電流最大。當(dāng)電動(dòng)機(jī)受到過大的沖擊，由于電磁應(yīng)力的影響，有可能造成電動(dòng)機(jī)繞組從槽中移位，使電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)損壞，同時(shí)，由于機(jī)械慣量的存在，電動(dòng)機(jī)軸受扭力過大造成電動(dòng)機(jī)軸扭曲。由于電流沖擊也將使啟動(dòng)變差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)，進(jìn)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(shí)切換、事故切換、不正常切換[5]。在實(shí)際運(yùn)行中如何選擇，有以下幾類數(shù)據(jù)必須確定。

（1）允許進(jìn)行快速切換的最長(zhǎng)時(shí)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(shí)踐證明母線失電前在線的電動(dòng)機(jī)多，Tmax大，反之就小。通過電動(dòng)機(jī)殘壓特性曲線和電動(dòng)機(jī)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(shí)間：此事件應(yīng)當(dāng)取80%跳合閘電壓下測(cè)得數(shù)據(jù)。

（3）相角差δ：備用電源投入時(shí)，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(shí)間大約100ms，在額定的電壓下實(shí)現(xiàn)同時(shí)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(dòng)判據(jù)還是允許判據(jù)。

4.2 技術(shù)改造措施

針對(duì)目前2號(hào)機(jī)組6kV廠用電切換的問題進(jìn)行了深入研究，采取有針對(duì)性的措施進(jìn)行改善解決。

（1）對(duì)2號(hào)機(jī)組6kV電源開關(guān)BR170操動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了解體大修，更換部分磨損件，改善并穩(wěn)定開關(guān)動(dòng)作時(shí)間。根據(jù)阿海法中國(guó)公司法方工程師確認(rèn)，如對(duì)BR170機(jī)構(gòu)進(jìn)行徹底解體大修后的開關(guān)動(dòng)作時(shí)間分別可達(dá)到合閘時(shí)間小于110毫秒，分閘時(shí)間小于50毫秒。

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

（3）通過核相和環(huán)流計(jì)算進(jìn)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(hào)機(jī)組6KV廠用電源切換裝置于2011年8月開始改在，兩日后2號(hào)機(jī)組啟動(dòng)并網(wǎng)后進(jìn)行了切換試驗(yàn)，由于采用了同時(shí)切換方式，測(cè)量切換過程中母線失電最大時(shí)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(jī)變頻器、凝泵變頻器等廠用電負(fù)荷均無(wú)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(dá)到100%。對(duì)切換裝置硬件設(shè)備進(jìn)行了測(cè)試、出廠驗(yàn)收、入廠驗(yàn)收、系統(tǒng)調(diào)試和投入工作，系統(tǒng)經(jīng)過了驗(yàn)收，各項(xiàng)功能在要求的時(shí)間內(nèi)投入運(yùn)行。采用先進(jìn)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(duì)系統(tǒng)主要部件進(jìn)行自檢，操作整定由密碼管理，軟硬件具有一定的容錯(cuò)糾錯(cuò)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(shí)間均滿足運(yùn)行管理要求，其中“事故同時(shí)切換”<“12ms”+“用戶設(shè)定延時(shí)”+“備用開關(guān)合閘時(shí)間”，“事故串聯(lián)切換”<“12ms”+“工作開關(guān)跳開時(shí)間”+“備用開關(guān)合閘時(shí)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(cè)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(shí)現(xiàn)并聯(lián)切換、正常同時(shí)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(shí)母線電壓，切除不重要輔機(jī)，保證重要輔機(jī)的自啟動(dòng)。閉鎖報(bào)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(yǔ)

國(guó)電元寶山發(fā)電廠2號(hào)機(jī)組6KV廠用電源切換裝置改造工程采用微機(jī)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(shí)，備用電源在100ms內(nèi)投入，首次引入了同期捕捉的概念，填補(bǔ)了過去廠用電備自投裝置沒有同期合閘的缺點(diǎn)，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?zèng)_擊和切換時(shí)間，提高切換成功的機(jī)率。裝置的接線簡(jiǎn)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(jiǎn)單，正常運(yùn)行時(shí)，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(yùn)行參數(shù)，當(dāng)異常時(shí)能及時(shí)發(fā)出信號(hào)，提醒運(yùn)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(dòng)化控制水平和管理水平，而且為整臺(tái)機(jī)組可靠運(yùn)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(jī)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(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，而且也大大減少運(yùn)行和檢修人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益是顯著的。

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