厂用电源切换改造与实验分析.docx

1、厂用电源切换改造与实验分析摘要：10kV 一次厂用电系统分段母线之间没有厂用电切换装置，不符合规范要求，是机组安全经济运行的隐患。分析对比备自投装置和快切装置工作原理，选用快切装置对厂用电源切换进行改造并实验，实现无扰动切换，取得理想效果，具有良好的安全效益和经济效益。同时，探讨在机组分期建设时，应统筹规划，保证新旧系统的完善性和可靠性。 1 设备概况 徐州金山桥热电有限公司现装机规模 690t/h 循环流化床锅炉（CFB 锅炉）+3220t/hCFB 锅炉+515MW 背压式汽轮发电机组，供汽能力 900t/h，承担着近 60 家企事业单位的供热任务，是徐州市骨干热电企业。老厂区装机 690

2、t/hCFB 锅炉+315MW 背压机组，分三期建成。厂用电系统包含 10kV 一级厂用电系统和 400V 二级厂用电系统，10kV 厂用电系统按炉分段，1、2 号发电机组分别接于 10kV段和段母线上，电厂通过两回 35kV 出线接入当地电网。10kV、段一次系统如图 1 所示。1 号机组和 2 号机组由不同的设计院设计，分期建成，10kV段和段母线之间没有设计厂用电切换装置，1号机组或 2 号机组停运时，相对应的 10kV段或段母线失去了自发电源。由于，从电网倒送电成本是 0.67 元/kWh，而公司自发电成本才 0.22 元/kWh，为减少电网倒送电量，降低用电成本，10kV段或段母线上

3、的负荷必须采取人工倒闸操作的方式切换到另一段母线接带。人工切换厂用电源时，正在运行的锅炉等设备不得不暂时压火停运，待完成厂用电源切换后再恢复运行。由于厂用电系统设计的不完善，无法实现厂用电源的无扰动切换，制约机组运行方式的灵活性，严重影响电厂的安全性、经济性及供热稳定性。 2 厂用电系统切换改造的必要性 10kV段和段母线之间没有厂用电切换装置，存在以下问题。 2.1 不符合规范要求，容易引发全厂全停事故 继电保护和安全自动装置技术规程、防止电力生产事故的二十五项重点要求及编制释义是电力系统防范重大生产事故的强制性文件，其明确规定，重视机组厂用电切换装置的合理配置及日常维护，确保系统电压、频率

4、出现较大波动时，具有可靠的保厂用电源技术措施。 2.2 发电机组或主变压器故障停运时，无法保证厂用电 正常情况下，1#、2#发电机组并列运行，所发的电量分别通过 1#、2#主变压器并入电网，母线联络开关100 开关在分闸位置。1#、2#发电机组和 1#、2#主变压器运行中都有可能意外跳闸，由于 10kV段和段母线之间没有厂用电切换装置，一旦 1#、2#发电机组跳闸，就不能迅速将跳闸机组的厂用电切到另一台机组，会从电网倒送高价电维持该台机组的运行；而一旦 1#、2 主变压器意外跳闸，如果 1#、2#发电机不能自带厂用电，会造成对应机组厂用电失电，危及设备安全，引发事故。2.3 影响供热的稳定性，

5、容易引发供热中断事件 由于热电生产的特殊性，从发电供热、输送到用电用热必须同时一次完成，连续进行并且还要时刻保持平衡。一旦热电厂生产不稳定，势必影响对外供电供热的连续性和稳定性，甚至中断供电供热，给下游用热单位造成巨大损失，容易引发大面供热中断的社会事件，破坏和谐局面。 3 厂用电切换改造要求 3.1 规程规范对厂用电可靠性的要求 保证厂用电不中断是机组连续可靠运行，保证供热稳定的前提。为此，厂用电系统各段母线必须按照规程规范配备两路电源，无论出现何种情况，两路电源能够在最短的时间内快速切换，保证电源的连续性，避免断路器、保护装置失压保护动作。 3.2 用电设备对厂用电切换的要求 对于不同的用

6、电负荷，在失电后所表现的物理特征也不同。对于纯阻性负荷，在失去工作电源后母线电压立即下降到 0。电厂用电负荷以感性负载电动机、变压器为主，正在运行中的电动机一旦失去电源，母线电压衰减速度与电动机数量、容量及其拖动的机械特性有关，且失电后的电动机通过其剩余的动能及转子剩磁转入异步发电状态，使负荷母线上呈现出一个电压幅值和频率逐渐衰减的残压。母线残压特性曲线和切换极限如图 2所示。这个残压与备用电源电压之间形成不断变化的夹角，在此期间，合上备用电源开关，将对惰走中的电机形成冲击，其冲击电压U 值与夹角有关，显而易见，当=180时，U 最大，如果此时合上备用电源，对电机冲击最严重，威胁电机安全和自启

7、动。因此，必须选择合适时机才能合上备用电源，使电机既承受较小的冲击电压又能够成功自启动。备用电源切换时厂用电系统等值电路图及相量图如图 3、图 4 所示。根据图 3、图 4，备用电源合闸时，U 一部分落在备用电源等值阻抗 XB上，另一部分则落在母线上以电动机为主的等值阻抗 XM上，电动机耐受电压 UM：UM=UXMXB+XM（1）式中：UM 备用电源合闸时电动机耐受电压(kV)；XM 母线上电动机群和低压负荷折算后的等值阻抗()；XB 备用电源等值阻抗()；U 母线残压 U 与备用电源电压 UB之间的相量差电压（kV）。一般电动机可以承受 1.1 倍额定电压 Un，因此，备用电源合闸时，施加在

8、电动机上的电压不超过这个耐受电压，电动机就是安全的，可以使绝大部分乃至全部电机迅速再受电，重新恢复运行。UM=UXMXB+XM=1.1Un 式中：K 值反应电动机群阻抗占总阻抗的份额，故称为分压系数。根据本公司厂用电系统特性计算出 K=0.71，U（%）=1.55，在图 1 中，以A 点为圆心，以 1.55 为半径，画出 A-A圆弧，在其右侧范围内备用电源合闸都是安全的。如果厂用电系统负载少，XM 增大，K 值也增大，允许的U 就小，则以此为半径画出的曲线就移向右侧，如图 2 中的 B-B曲线。3.3 生产运行方式对切换逻辑要求考虑到 2 台机同时运行、单台运行、两台机停运等多种运行方式，对厂

9、用电切换提出了多达 10种情况的电源切换要求，目标是无论出现何种情况，都能快速切换，保证 10kV段、段母线不断电，从而保证生产安全稳定运行。 4 厂用电源切换改造方案 目前，能够完成厂用电源切换的装置有两种：备用电源自动投入装置（以下简称备自投装置）和微机备用电源快速切换装置（以下简称快切装置）。 4.1 备自投装置 以图 1 为例，传统备自投装置工作原理（以一种工况为例）：2 台机组同时运行时，段、段母线电源由对应的发电机提供，开关 101、103、102、104 在合闸位置，开关 100 在分闸位置，如果开关 101、103 故障跳闸，段母线失电，开关 101、103 跳闸其辅助接点启动

10、备自投装置，经延时并判断段母线电压降至零或整定值（一般是 15%30%额定电压），合开关 100，完成备用电源切换。从以上切换逻辑发现，备自投装置起动条件概括起来有 3 个，即工作电源已断开；备用电源电压正常；负荷母线电压为零或整定值。备自投装置电源切换存在以下问题。4.1.1 切换速度慢，延时长，切换成功率低备自投装置切换采用工作开关先断开而后等待母线残压降到零或者很低的整定值才合备用开关的串联方式。从工作电源切除开始，母线残压幅值和频率逐渐衰减，残压与备用电源之间的相角差不断变化，这个衰减时间、频差、相角差与母线上的负荷息息相关，负荷越大，衰减的越慢，达到首次反相和再次同相的时间越长，经过

11、一段时间才能衰减到 0。满足切换条件时，母线电压为 0，表明电机已全部停转；母线电压很低，说明电动机群的转速下降过多，甚至有的电机转速已经降到 0，造成电动机群自启动电流过大，对母线电压冲击很大，电压进一步降低，导致备用电源速断保护动作，备用电源切换失败。4.1.2 无同期判别功能，容易冲击用电设备，影响设备安全备自投装置切换条件没有母线残压与备用电源之间相角差的判别，容易在图 2中 A-A曲线左侧区域合闸，等同于非同期合闸，使电机等厂用电设备遭受很大冲击，甚至造成设备损坏。鉴于以上情况，备自投装置一般使用在输煤系统、化学系统等 400V 二级厂用电系统，在 10kV 一级厂用电系统上很少使用

12、。 4.2 快切装置 快切装置采用工业级 CPU 和超大规模可编程逻辑芯片，精确测量，实时跟踪计算母线电压、频率、频差、相角等参数，具有快速切换、捕捉耐受电压点切换、同期切换、残压切换、长延时切换等 5 种切换条件和并联、串联、同时 3 种切换模式，组合灵活，方案丰富。4.2.1快速切换在启动切换瞬间，判断母线电压与备用电源电压相角差、频差在定值之内，且母线电压不低于定值，则立刻合闸备用开关，即图 2 中残压特性曲线 B 点以前进行的切换。4.2.2 捕捉耐受电压点切换实时监测母线电压与备用电源电压之间不断变化的U、相角差，并预测其变化趋势，测算电机耐受电压 UM 增大到允许值之前，完成备用电

13、源的投入，此时，母线残压还很高，同时电动机转速下降不多，系统可以迅速恢复工作。4.2.3 同期切换工作电源被切除后，母线上残压相量将绕备用电压相量向滞后方向旋转，在首次出现相角差为零时完成的备用电源切换。快切装置具有频率自动跟踪技术，根据频率、相角、幅值的变化规律，计算出母线残压与备用电源电压第一次相位重合的时间，考虑开关固有合闸时间，提前发出合闸指令，在首次同相时精准合闸。4.2.4 残压切换当母线残压下降到到整定值（20%40%额定电压）时进行的切换。残压切换是同期切换的后备。残压切换无须判断相角和频率差，是一种非同期切换。4.2.5 长延时切换由于残压定值设置不当或者母线残压不易衰减等各

14、种原因，以上 4 种切换都没有成功，设置了长延时切换作为以上 4 种切换的总后备。以上 5 种切换条件可以通过投退软压板独立选择。快切装置一旦启动切换程序，将根据各切换准则的投退设置，依次计算并判断各切换准则是否满足，若任一切换准则满足，则发合备用电源开关指令，完成电源切换。以上5 种切换依次是备用切换关系，如失去快速切换的机会，则装置自动转为捕捉耐受电压点切换，依次替续，大大提高厂用电切换的成功率。综合比较备自投装置和快切装置工作特性，为保证电源切换的安全性和可靠性，选择快切装置进行厂用电源切换改造。5 改造效果 2013 年10 月，投资 17 万元对 10kV、段厂用电系统进行技术改造，

15、在原发变组保护柜增加一套快切装置，并根据现场系统和运方需求，定制了适宜的切换方案和非标逻辑程序。改造后，在 1#机组运行，2#机组停运的运方下，分别手动断开 100 开关和 102 开关模拟故障跳闸，利用快切装置对 10kV段母线进行了 4 次电源切换实验，没有运行设备掉电停运，切换平稳无扰动，效果理想。实验 1 录波如图 5 所示，4 次电源切换实验记录表 1 所示。改造 4 年来，1#、2#机组倒停时再也不需要从电网倒送电，节约用电成本；同时，降低人员操作的工作量和误操作的风险；厂用电源切换安全可靠，大大提高机组运方的灵活性，经济效益和安全效益明显。6%结论与探讨徐州金山桥热电有限公司老厂

16、区现装机 6 台 CFB 锅炉+3台背压式汽轮发电机组，由不同的设计院设计，分三期建成。由于缺乏统筹规划，厂用电系统 10kV段和段母线之间没有设计厂用电切换装置，只能采取人工倒闸操作的方式进行厂用电源切换，不符合规范要求，容易引发厂用电缺失，是机组安全经济运行的隐患，容易造成供热中断的社会事件。分析对比备自投装置和快切装置工作原理，选用快切装置对厂用电源切换进行改造，编制针对性的切换方案和非标逻辑程序，改造后，进行电源切换实验，取得理想效果，消除安全隐患，具有良好的安全效益和经济效益。无论何种情况，保证厂用电系统各段母线电源不中断，是强制性要求，是机组可靠运行、保证供热稳定的前提。在机组分期建设时，应统筹规划，做好新旧系统的接续和配合，采取技术措施，保证系统的完善性和可靠性。