厂用电系统切换装置浅析

厂用电系统切换装置浅析

马洪英

国家能源集团天津国能盘山发电有限责任公司

【摘  要】：厂用电自动切换装置是厂用电可靠运行的重要设备，它的性能好坏、可靠性直接影响厂用电的安全运行。本文结合盘山公司厂用电实际运行情况与相关资料对切换装置进行简要分析。

【关键词】：厂用电  切换装置  可靠性

1前言

对于发电厂而言，厂用电是其重要组成部分，它承载着整个机组安全稳定运行的重任，《火力发电厂厂用电设计技术规程》规定，厂用电负荷分为0类和非0类负荷，0类负荷由不间断电源UPS、直流电源或保安电源供电，非0类负荷的Ⅰ、Ⅱ类负荷由厂用段母线供电，厂用段母线宜设置备用电源以提高供电的可靠性和稳定性，维持厂用系统设备正常运行。随着机组容量的增大，高压电动机容量相应增大，由于大容量电动机在断电后电压衰减较慢，如在母线残压较大时不捡同期合上备用电源，备用变压器和电动机可能受到冲击而损坏；如待残压衰减到25%-40%Ue后再投入备用电源，则由于母线电压和电动机转速下降将严重影响机组运行工况。在这种工况下，有些辅机会因此退出运行（0.5S、9S两段低电压保护会切除相应辅机）；另外备用电源投入后，由于电动机自起动电流很大，母线电压可能难以恢复，从而导致自起动困难或备用分支过流保护动作，厂用电中断被迫停机。因此，厂用电自动切换装置便起到了至关重要的作用。

2厂用电系统切换模式

2.1 备自投供电方式一般有两种：一种是双回线路-变压器组结合单母线分段制接线，两电源互为暗备用，当一回电源失电，通过备自投合上母联开关，使正常工作的电源串带两条母线。即母联备自投方式；另一种是由双路电源向一条母线供电，平时解列运行，一路工作一路备用，当工作电源失电，通过备自投合上备用电源进线开关，即线路备自投方式。

2.2 备自投工作原理：当工作电源跳闸时，工作电源辅助接点经低电压继电器、延时继电器，先跳开工作电源，经一定时间的延时，合上备用电源，以实现工作电源向备用电源的切换。

3盘山公司0.4kV厂用电备自投方式

3.1 厂用段0.4kV接线

正常情况下，机组的五个0.4kV厂用段由相应的6kV工作段母线供电，作为低厂段的工作电源进线，其中NCA、NCE段为单母线，NCB、NCC、NCD为单母线分段（分段开关合闸），备用电源由另一台机组公用段取得（BCD段接在后半段），另外，由每台机组的柴油发电机作为紧急备用电源仅接在BCD段后半段，处于联动备用状态。

3.2备用电源投入条件

3.2.1 单段母线的NCA、NCE备用进线开关合闸投入条件：备自投把手投入，其工作电源开关掉闸；带分段的三段母线任一段分段开关合闸位，无闭锁条件即变压器过流（过流保护）、母线接地（零序保护）、0.4kV段上的短路但是设备故障未掉闸引起后备保护动作跳6kV开关（后备电流保护）中任一保护均无动作。

3.2.2 带分段的NCB、NCC、NCD备用电源进线开关合闸投入条件：备自投把手投入，工作电源开关掉闸，无闭锁条件，6kV厂用段全部失电导致三个分段开关掉闸。

3.2.3 柴油发电机组自启动条件：柴油发电机启动方式在“自动”位置，柴油发电机本身良好备用状态，三个分段母线的后半段电压消失。

3.2.4 柴油机备用电源进线开关自投条件：备自投把手投入，三个分段母线的后半段电压消失，三个分段开关全部断开，备用电源进线开关断开。

3.3 备自投方式存在的问题和隐患

厂用段多数负载为电机，当母线失去电压时，电动机开始降速而不是立即停止，根据楞次定律，感性负载产生的反电动势会阻碍母线电压下降的趋势，使得母线电压幅值和频率有一个缓慢降低的过程，此时将备用电源投入母线，虽加以延时躲过180°反相点合闸保证其同期的稳定性，但碍于继电器易受电磁信号干扰，且设备年久老化，依然有较大可能导致母线残压与备用电源之间失去同期，对电动机产生较大的冲击，有损设备寿命，甚至难以保证机组或者重要辅机的连续运行。

备自投只能单向倒换，由工作到备用，反向倒换只能停电倒换。

4厂用电快切装置

厂用电快速切换装置是发电厂厂用电气系统的一个重要设备，与发变组保护、励磁调节器、同期装置一起，被合称为发电厂电气系统安全保障的“四大法宝”，对发电厂乃至整个电力系统的安全稳定运行有着重大影响。

厂用电快切性能主要表现在角度和速度两个方面。角度：角度还没有足够摆开，这个时候让母线电压恢复正常。速度：在母线残压曲线图中，在AB区域内实现同时切换（工作电源开关跳闸的同时备用电源开关合闸），这个切换时间仅仅在100ms以内。

对于大容量火力发电厂，厂用电高压电动机的容量大且数量较多，当厂用电源中断时，由于高压电机及负载的机械惯性，电动机将维持较长时间继续旋转，且将转变为异步发电机运行工况，因此厂用电母线在一段时间内会维持一定的残压并缓慢衰减，频率也会随着转速降低而缓慢下降。图1为典型的厂用母线电压衰减曲线。从图中可以看出，在厂用电源中断瞬间，母线残压的衰减量还不大，但残压与备用电源电压的矢量角差已开始拉开，如果备用电源投入的时机不当，将产生很大的冲击电流，直接作用于电动机，这不但影响了电动机的使用寿命，甚至可能导致切换失败造成厂用电中断，其后果是十分严重的。

因此，厂用电切换必须根据系统的残压衰减特性，选择合适的切换时机。根据实际运行经验得出，为保证厂用电的成功切换且不产生大的冲击电流，备用电源断路器最合适的合闸时刻是厂用母线残压与备用电源电压的相角差不超过30°，即厂用电系统切换全过程在100ms以内。

图1 极坐标下的母线残压向量图

VD 为母线残压

VS 为备用电源电压

△U为备用电源电压与母线残压间的差压

A’-A’’与B’-B’’为不同负荷情况下允许电源切换的边界

5盘山公司6kV厂用段接线情况与切换

图2 厂用电接线示意图

5.1正常运行时，发电机出口20kV（主变低压侧）经63MVA，20/6.3-6.3kV高厂变接至6kV厂用母线段工作电源进线（1DL），由220kV系统经高厂备变接至备变分支干线（3DL），由备变分支干线（4DL）接至6kV厂用母线段备用电源进线（2DL）。

5.2 厂用电快切装置共有三种启动方式，即正常切换方式，事故切换方式及不正常切换方式（包含低压启动及工作进线开关误跳启动）

5.2.1正常切换

正常切换由手动启动，在快切装置面板上进行。正常切换是双向的，可以由工作电源切向备用电源，也可以由备用电源切向工作电源。

切换方式采用并联自动切换：手动启动，若并联切换条件满足，装置将先合备用（工作）开关，经一定延时后再自动跳开工作（备用）开关。切换完成后，闭锁灯点亮，按柜体面板上复归钮消除。如在这段延时内，刚合上的备用（工作）开关被跳开，则装置不在自动跳工作（备用）。若启动后并联切换条件不满足，装置将闭锁发信，并进入等待复归状态。

5.2.2事故切换

事故切换由保护出口启动，单向，只能由工作电源切向备用电源，切换方式采用事故串联切换：保护启动，先跳工作电源开关，在确认工作开关已跳开且切换条件满足时，合上备用电源。串联切换有三种切换条件：快速、同期捕捉、残压。

5.2.3不正常情况切换

厂用母线失电：当厂用母线三相电压均低于整定值，时间超过整定延时，则装置进行串联切换。切换条件：快速、同期捕捉、残压。

工作电源开关误跳：因各种原因（包括人为误操作）造成工作电源开关误跳开，装置将在切换条件满足时合上备用电源。

6总结

相比较而言，快切装置更能满足发电厂厂用电源系统的各种运行方式下安全、稳定运行的要求。装置上开关位置异常、后备电源失电、PT断线等报警功能齐全，便于异常情况的及时发现和处理；事件追忆功能便于事故分析。快切装置自投入运行以来正常及事故切换均正确动作，提高了厂用电系统的安全可靠性。

参考文献：

[1]电气运行规程，天津国能盘山公司

[2]MFC2000-6型微机厂用电快速切换装置说明书

作者简介：

马洪英，男，国家能源集团天津国能盘山发电有限责任公司，电气运行工程师，主要从事电气运行管理工作、高级工程师。

E-mail：16050564@chnenergy.com.