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(guó)電長(zhǎng)源漢川第一發(fā)電有限公司，湖北 漢川 432300）

0 引 言

目前，絕大多數(shù)大型火力發(fā)電廠機(jī)組都采用單元接線或擴(kuò)大單元接線，其廠用電母線一般設(shè)有工作和備用兩個(gè)進(jìn)線電源。當(dāng)機(jī)組處于啟動(dòng)、停機(jī)以及解列等工況，抑或面臨突發(fā)故障時(shí)，為保證廠用電不中斷及事故不擴(kuò)大，必須帶負(fù)荷將廠用電盡快在工作和備用電源之間進(jìn)行投切。

1 廠用電快速切換的特殊情況

圖1為國(guó)電漢川發(fā)電公司三期機(jī)組廠用電系統(tǒng)接線圖，兩臺(tái)1 000 MW發(fā)電機(jī)-變壓器組分別以漢軍線和漢玉II線接入華中電網(wǎng)500 kV電壓等級(jí)，與當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)不直接發(fā)生電氣聯(lián)系，而機(jī)組的啟備電源是通過(guò)湖北電網(wǎng)變電站220 kV線路引接，6 kV廠用電需在兩個(gè)不同電壓等級(jí)的系統(tǒng)間完成切換。

隨著電網(wǎng)的不斷建設(shè)與發(fā)展，該電廠220 kV系統(tǒng)與500 kV系統(tǒng)相角差的問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，對(duì)6 kV廠用母線的電源切換帶來(lái)的影響也愈發(fā)嚴(yán)重。通過(guò)計(jì)算分析電廠500 kV母線、接入特高壓網(wǎng)以及220 kV變電站運(yùn)行相角發(fā)現(xiàn)，相角差在不同運(yùn)行方式下最小為10.5°，最大為28.1°。在機(jī)組啟動(dòng)或正常安全停機(jī)時(shí)，廠用電正常手動(dòng)切換采用并聯(lián)切換方式，按照穩(wěn)態(tài)計(jì)算最大預(yù)計(jì)將有7.76 kA的電磁環(huán)流，若考慮暫態(tài)和沖擊情況，則數(shù)值會(huì)更大一些，這對(duì)變壓器是相當(dāng)不利的，此時(shí)常規(guī)的快切裝置和策略將面臨很大問(wèn)題，因此必須采取一定的措施來(lái)適應(yīng)接入系統(tǒng)改變產(chǎn)生的新情況。

2 廠用電同期切換

借鑒發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時(shí)的自動(dòng)準(zhǔn)同期調(diào)節(jié)思路，本文提出廠用電同期切換方法，即正常切換時(shí)不再采用并聯(lián)切換方式，而是利用廠用電同期切換裝置采取自動(dòng)準(zhǔn)同期并列的方法，通過(guò)更改機(jī)組的正常啟停和事故切換模式來(lái)適應(yīng)電壓相角差較大的情況。廠用電同期切換裝置主要由自動(dòng)準(zhǔn)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(tǒng)為例具體說(shuō)明[1]。

2.1 切換流程

由圖2可見(jiàn)，該電廠每臺(tái)機(jī)組有3段6 kV母線需進(jìn)行工作和備用電源開(kāi)關(guān)切換，共6個(gè)同期點(diǎn)。每臺(tái)機(jī)組配置一臺(tái)自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置，通過(guò)選線器分配6路同期電壓和控制輸出信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)6路開(kāi)關(guān)的同期合閘。每段6 kV母線的工作和備用開(kāi)關(guān)合用一臺(tái)備自投裝置，其在各段6 kV母線相應(yīng)開(kāi)關(guān)同期合閘后，將另一開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。

2.2 正常啟動(dòng)切換

機(jī)組正常啟動(dòng)時(shí)，通過(guò)#03啟備變帶啟動(dòng)負(fù)荷，當(dāng)機(jī)組具備帶載條件后，先經(jīng)廠用電同期切換裝置合上6 kV工作進(jìn)線開(kāi)關(guān)后，再跳開(kāi)6 kV備用進(jìn)線開(kāi)關(guān)。具體順序?yàn)橄群螦段工作開(kāi)關(guān)，再跳A段備用開(kāi)關(guān)，接著依次合分B段和C段進(jìn)線開(kāi)關(guān)，與備用電源電網(wǎng)解列，通過(guò)DEH轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模式，機(jī)組自帶啟動(dòng)負(fù)荷孤島運(yùn)行后進(jìn)行同期調(diào)節(jié)與接入系統(tǒng)并網(wǎng)，合上主變高壓側(cè)斷路器。

2.3 正常停機(jī)切換

具體流程為DCS點(diǎn)擊“選擇6 kV母線切換”，因發(fā)電機(jī)出口開(kāi)關(guān)在分閘位置，6 kV備用電源開(kāi)關(guān)在分閘位置，所以在啟動(dòng)“廠用電同期切換”后，選線器收到指令并發(fā)出“同期裝置上電”和“相應(yīng)段備自投上電”命令，DCS檢測(cè)到同期條件滿足后，經(jīng)3 s延時(shí)發(fā)出“啟動(dòng)同期開(kāi)關(guān)合閘”命令，同時(shí)待同期裝置檢測(cè)到工作電源進(jìn)線和備用電源進(jìn)線滿足同期條件時(shí)發(fā)出“備用開(kāi)關(guān)合閘”指令，此外在收到備用開(kāi)關(guān)合閘反饋后，經(jīng)1 s延時(shí)備自投發(fā)出“工作開(kāi)關(guān)分閘”指令，工作開(kāi)關(guān)跳閘成功后，廠用電切換完成。須注意的是，在正常啟停機(jī)組的廠用電切換過(guò)程中應(yīng)禁止啟動(dòng)廠用設(shè)備，避免出現(xiàn)發(fā)電機(jī)側(cè)的電壓大幅波動(dòng)，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(lián)切換方式，機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)工作電源開(kāi)關(guān)在合位，故障發(fā)生時(shí)廠用電切換模式自動(dòng)轉(zhuǎn)化至事故切換，快切裝置檢測(cè)出工作電源開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)切換至備用開(kāi)關(guān)。

2.5 發(fā)電機(jī)未并網(wǎng)方式下機(jī)爐故障時(shí)的安全問(wèn)題

發(fā)電機(jī)未并網(wǎng)時(shí)，如果發(fā)生汽機(jī)或者鍋爐側(cè)的故障，那么滅磁開(kāi)關(guān)將無(wú)法跳閘，廠用電也無(wú)法切換，廠用母線將失壓，此時(shí)宜采用汽機(jī)跳閘聯(lián)跳磁場(chǎng)開(kāi)關(guān)并啟動(dòng)廠用電事故切換的方式。此外為與并網(wǎng)時(shí)汽機(jī)打閘方式相區(qū)分，DCS中應(yīng)增加發(fā)電機(jī)不在網(wǎng)（發(fā)電機(jī)出口開(kāi)關(guān)處于分閘位置）時(shí)汽輪機(jī)停運(yùn)時(shí)的邏輯功能。

3 試驗(yàn)分析

廠用電同期切換方案通過(guò)變更電廠正常切換時(shí)的操作模式，較好解決了不同系統(tǒng)電源間初始相角差較大導(dǎo)致廠用電無(wú)法安全可靠切換的問(wèn)題。不過(guò)該方法由于并網(wǎng)點(diǎn)較多且操作方式復(fù)雜，因而控制難度較高，對(duì)機(jī)組帶小負(fù)荷運(yùn)行的能力提出了較高要求。正常機(jī)組的廠用負(fù)荷約在額定出力的5%～6%，啟、停機(jī)負(fù)荷更低?？紤]到鍋爐的穩(wěn)燃負(fù)荷一般在30%左右，因此為滿足運(yùn)行要求，需要給鍋爐補(bǔ)油以維持穩(wěn)燃，并且由備用開(kāi)關(guān)切換至工作開(kāi)關(guān)時(shí)，各段廠用母線均為突加負(fù)荷，這也對(duì)機(jī)組調(diào)節(jié)能力提出了較大考驗(yàn)。

圖2所示的國(guó)電漢川發(fā)電公司#6機(jī)組擬采用本文提出的廠用電同期切換方案對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行改造，以適應(yīng)電源間初始相角差較大的情況。汽輪機(jī)廠已書(shū)面確認(rèn)汽輪機(jī)原則上可在2%額定容量的最小負(fù)荷工況下可靠運(yùn)行，為驗(yàn)證機(jī)組自帶廠用電未并網(wǎng)運(yùn)行的可行性和穩(wěn)定性，利用#6機(jī)檢修的契機(jī)進(jìn)行了機(jī)組解列帶廠用電低負(fù)荷試驗(yàn)，具體試驗(yàn)流程如下。

首先#6機(jī)逐步降負(fù)荷，并將6A結(jié)合6B母線切換至備用電源供電，6C母線保持由工作電源開(kāi)關(guān)供電，此時(shí)6C母線段負(fù)荷約為3.4 MW。其次保護(hù)人員更改逆功率保護(hù)邏輯和定值，實(shí)現(xiàn)逆功率保護(hù)出口不滅磁、不關(guān)主汽門(mén)以及不進(jìn)行6C段廠用電切換，只解列發(fā)電機(jī)出口，保留帶廠用電運(yùn)行功能。最后#6機(jī)負(fù)荷降至50 MW（5%額定出力左右），執(zhí)行降負(fù)荷（DEH上目標(biāo)負(fù)荷指令值置零），隨后幾秒鐘，#6機(jī)逆功率保護(hù)動(dòng)作，主變高壓側(cè)開(kāi)關(guān)跳閘，發(fā)電機(jī)解列（不跳機(jī)、不滅磁）帶廠用電運(yùn)行。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速快速波動(dòng)至穩(wěn)定狀態(tài)3 000 r/min（最低約2 975 r/min，最高約3 015 r/min），此時(shí)#6發(fā)電機(jī)孤島運(yùn)行負(fù)荷4.6 MW，此工況持續(xù)約5 min。

從波形記錄上看，頻率在逆功率保護(hù)動(dòng)作瞬間略有增加（49.9～50.1 Hz，計(jì)算值），全過(guò)程中（動(dòng)作前10 s到動(dòng)作后30 s）發(fā)電機(jī)和6C段電壓幅值無(wú)明顯變化，頻率最低為49.4 Hz，最高為50.2 Hz（計(jì)算值）。

通過(guò)以上試驗(yàn)，驗(yàn)證了勵(lì)磁系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)具備很高的調(diào)節(jié)精度，機(jī)組能夠帶一定廠用電負(fù)荷在孤島等特殊工況下穩(wěn)定運(yùn)行，這為后期通過(guò)采用同期切換方法來(lái)滿足初始相角差較大時(shí)的廠用電切換需求打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，初步論證了方案的可行性[2,3]。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)分析廠用電切換機(jī)理及快速切換裝置的功能，發(fā)現(xiàn)當(dāng)工作和備用電源之間初始相角差較大時(shí)，現(xiàn)有的快速切換方法可能導(dǎo)致廠用電無(wú)法安全可靠切換。針對(duì)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(shí)有效保證機(jī)組廠用電的安全穩(wěn)定，同時(shí)為今后國(guó)內(nèi)電廠面對(duì)同類問(wèn)題時(shí)提供了新的解決思路。