发电厂厂用电切换方式分析及切换装置功能设置探究

发电厂厂用电切换方式分析及切换装置功能设置探究

冯国宝

深能合和电力（河源）有限公司广东河源517000

摘要：本文详细阐述了发电厂厂用电系统的各种切换方式，并对切换的全过程进行了细致的分析，通过比较突出新的快切理念的特点以及快切在厂用电系统切换中的必要性。最后阐述了快切装置的应用特性及应用前景。

关键词：厂用电系统、切换、快切、应用

1厂用电系统概述

发电厂厂用电系统一般都具有两个电源：即厂用工作电源和备用（启动）电源。大多数机组都采用单元接线，正常运行时机组厂用电由单元机组供电，停机状态由备用电源供电，机组在启动和停机过程都必须带负荷进行厂用电切换。另外，当机组或厂用工作电源发生故障时，为了保证厂用电不中断及机组安全有序地停机，不扩大事故，必须尽快把厂用电电源从工作电源切换到备用电源。厂用电系统切换分为两类：即机组启动、停机过程的正常切换和故障情况下的事故切换。

2厂用电系统切换分析

2.1残压特性及切换条件分析

600MW及以上容量的机组，厂用高压电动机的容量大数量多，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。

图1极坐标下的母线残压向量图

Vs-备用电源电压Vd-厂用母线残压DU-差拍电压

A-A’与B-B’为不同负荷情况下允许电源切换的边界

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，不但影响电机的使用寿命，甚至可能导致切换失败造成厂用电中断，后果十分严重。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。

为能成功地进行厂用电系统的切换，必须具备以下3个条件：1）应具备源于同一系统的两个独立的供电电源：工作电源和备用电源。正常运行情况下两个电源电压之间允许有一定的相角差，但一般不宜大于20°；2）快速断路器。少油式断路器因其合分闸时间较长，不适合应用于厂用电系统的切换，目前广泛使用的真空断路器，其合、分闸时间一般在40～80ms左右，均适用于厂用电系统的切换。3）发电机组和厂用工作电源应配备快速动作保护继电器，目前广泛使用的微机保护继电器均可使用。

2.2切换方式分析

厂用电系统常见的切换模式分为并联切换、串联切换、快速切换。下面分别介绍三种切换方式的工作过程：

1）并联切换：按“先合后断”的原则，先合上备用电源，两电源短时并列，然后发跳闸指令，跳开工作电源，但是如果在切换过程中，机组或工作电源发生故障，由于电源的并列，将加剧故障，扩大事故范围，因此，并联切换禁止使用于事故切换，但是手动切换过程中仍可能存在上述风险；

2）串联切换：按“先断后合”的原则，先跳工作电源，确认工作开关跳开后，再发合闸指令，合上备用电源，串联切换切换时间长，一般都在150ms以上，因此切换对系统和设备造成的冲击较大，而且由于允许切换的条件之一是工作电源的成功分闸，其辅助接点的可靠性很可能是导致切换失败的因素之一；

3）快速切换：按“同时断合”的原则，同时发出断路器的分、合闸指令，系统实际无流时间仅为断路器合、分闸时间之差，一般不超过15ms，所以快速切换可达到极短的切换时间，满足系统对冲击电流的要求，切换成功率高，安全性好。快速切换一般有两种启动方式：即手动启动和保护启动。机组开停机过程的厂用电切换采用手动启动方式，即由主控制室人为发出启动指令；事故情况下的切换采用保护启动方式，由机组或厂用工作电源的主保护发送启动命令。在某些特殊条件下，厂用电系统的切换也可由失压信号启动。

3切换装置功能设置

目前大机组普遍采用快切装置来切换厂用电，以达到安全快速、故障率低等需求。快切装置一般包括快速切换、首次同期点切换（也称同期捕捉切换）、残压切换和延时切换4项功能。

正常运行情况下，由于快速切换装置连续监视厂用母线电压与备用电源的电压、频率和相位，同时监视断路器的控制回路，当接到启动命令时，若快切的逻辑条件满足要求，立即执行快切功能，所以在实际应用中，快速切换的成功率几乎达到100%。图2表示采用快速切换模式进行切换的波形图，从图中可以看到，厂用电母线的实际无流时间为12.5ms，且电气设备实际所受的冲击电流几乎可忽略。

图2快速切换录波图

首次同期点切换是当母线残压和备用电源电压相对旋转一周又回到同期点，这时角差为0，差压也较小，若在这一时刻合上备用电源，电气设备受到的冲击也较小，这种切换称为首次同期点切换。切换装置根据采集的电压可计算母线残压向量相对于备用电源电压向量旋转到第一个同期点的时间，并设定备用电源合闸的导前时间。图3为首次同期点切换的录波图。从波形图我们看到，冲击电流比快速切换增大了许多，但还是在系统可接受的范围内。

残压切换是当母线残压衰减到低于设定值时合上备用电源。一般来讲，当母线残压低于40％的额定电压时进行切换，冲击电流已降到可接受的范围内，但需要注意的是，不同的系统容量和备用变压器容量都会影响冲击电流值。图5为残压切换的录波图。从波形图中可看到，差压包络线的周期逐渐减小，反映了电动机减速的过程，残压切换引起的冲击电流较大。

延时切换是在发出切换指令后经过一定的延时后合上备用电源的切换方式，一般可设定1.5s的等待时间。

图3首次同相切换录波图

延时切换是在某些情况下，母线上残压可能不容易衰减或残压切换参数设置不合理，可能会推迟或不再进行合闸操作。当检测到母线电压低于母线允许电压参数设定值时，装置启动长延时允许切换计时，当累计时间大于长延时时间设定值时，装置发出合闸命令，装置中的长延时切换是其他切换方式的后备补充。

综述以上切换模式，切换装置设计的基本原则都是是尽量减小切换过程产生的冲击电流，其中最主要而且最理想的是快速切换，所以机组正常启停的切换以及故障时的切换必须首先采用快速切换，除非快切失败，才继续执行备用切换模式。需要特别指出的是，切换装置的所有4种切换模式是在同一时刻同时启动的，即4种不同的逻辑程序同时运行。

图4残压切换的录波图

3、结束语

厂用电切换过程是一个复杂的机电动态过程，研究并揭示其本质和规律以指导切换方法的改进对机组安全可靠运行具有重大意义。新型快速切换装置在切换原理和实现方式上有重大改进，它具有动态跟踪捕捉同期、追忆录波等功能。多次实际切换试验和故障实际切换表明快切技术提出的同期捕捉切换方法和切换装置在实际应用是成功的。

参考文献：

1、许正亚.电力系统安全自动装置[M].北京：中国水利水电出版社，2003

2、阮俊豪.厂用电快切装置改造[J].华电技术，2008