发电厂厂用电切换方式分析及切换中注意事项研究

发电厂厂用电切换方式分析及切换中注意事项研究

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。最后分析了切换中的注意事项。

关键字：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%。

3、切换当中应注意的问题

1）采用快速切换及同期判别的目的是为了在厂用母线失去工作电源或工作电源故障时能可靠、快速地将备用电源切换至厂用母线上，而从以往快切装置反馈的信息看，往往是快切装置正确动作，而备用电源因速断或过流保护动作而跳开，从某种意义上说，此时的切换也是失败的。究其原因主要是备用电源速断及过流保护定值整定的依据往往以躲过变压器励磁涌流及所带负荷中需自起动的电动机最大起动电流之和。根据经验，快速切换及同期判别切换一般在0.5秒左右完成，如果切换其间母线残压衰减较快，所带负荷中的非重要辅机可能还来不及退出，如此时合上备用电源，所有辅机将一起自起动，引起起动/备用变压器过流，其值可能超过过流定值，甚至达到速断定值。为避免出现上述情况，在快速切换及同期判别时，分别增加了母线电压的判据（可通过控制字投退）。当母线电压小于定值时不再进行快速切换或同期判别切换，等切除部分非重要辅机后再进行残压或长延时切换，提高厂用电切换的成功率。

2）由于厂用工作和起动/备用变压器的引接方式不同，它们之间往往有不同数值的阻抗，当变压器带上负荷时，两电源之间的电压将存在一定的相位差，这相位差通常称作“初始相角”。初始相角的存在，在手动并联切换时，两台变压器之间会产生环流，此环流过大时，对变压器是十分有害的，如在事故自动切换时，初始相角将增加备用电源电压与残压之间的角度，使实现快速切换更为困难。初始相角在200时，环流的幅值大约等于变压器的额定电流，在切换的短时内，该环流不会给变压器带来危害。因此在厂用工作与起动/备用变压器的引线可能使它们之间的夹角超过200时，建议采用手动串联切换方式进行。

4、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