电源快速切换技术在热电厂电力系统中的应用

孙东卫，张 涛

（1.新疆轻工职业技术学院 新疆 乌鲁木齐 830021；2.新疆昌吉职业技术学院 新疆 昌吉 831100）

一般热电厂厂用电切换的要求是：切换过程中不能造成设备损坏，尽量减少备用变压器过流或重要辅机跳闸造成锅炉汽机停运的事故。厂用电失电后，由于负载存在惯性及系统存储的磁场能量，电动机在短时间内将继续旋转，并将磁场能转变为电能。由于各电动机的容量、参数不一致，电动机之间将有电磁能与动能的交换，此时部分异步电动机实际上已转入发电机运行工况，因此厂用母线的电压即是多台异步发电机发出的反馈电压的合成，也称为母线残压。

1 厂用电失电后系统状态

由于不存在原动力和励磁，因此残压的幅值和频率将随时间逐渐衰减，残压与备用电源（系统）电压间的相位差将逐渐增大，如图1所示，Vs备用电源电压；Vd母线残压；ΔU差拍电压。

在备用电源投入前，备用电源电压一般即为系统电压，电压幅值和频率为额定值，因此，备用电压和残压之间的差拍电压（简称为差压）将呈现差拍形，见图2所示。

图1 极坐标形式的残压相量图Fig.1 Residual pressure phase diagram of polar form

控制残压与备用电源（系统）电压间的相位差，缩短时间，降低母线残压幅值和频率的衰减值，是提高切换成功率的关键，在图1中，A′-A″右侧为电厂备用电源合闸的安全区，在B点（0.3 s）以前进行切换是最安全的；在C点以后进行的切换对电动机也是安全的；过B点后BC段为不安全区域，因其ΔU过大，不允许切换。

图2 残压与备用电源电压间差拍电压Fig.2 Beat voltage between residual voltage and the standby power voltage

2 热电厂厂用电力系统介绍

热电厂厂用6 kVⅢ段为A、B两组单母线分段方式，其特点是：未装设发电机出口开关，单母线分段共用工作、备用电源等，如图3所示。

图3 热电厂发电机厂用电源系统结构图Fig.3 Generator power system structure of power plant

热电厂厂用负荷中大多为电动机，容量较大，使厂用母线发生失电事故后电压衰减较慢，在实际生产中，机组启动、停机、消缺、解列及工作电源故障等情况下，必须进行厂用电切换，由于切换存在的诸多安全问题，成功率低，易发生安全生产事故。实际上，厂用电切换过程是一个比较复杂的机电动态过程，特别在事故切换过程中，电流、电压、频率、相角等将发生快速变化，要提高切换的成功概率，其思路是：首先应当掌握切换动态过程，改进切换方式，应用先进的切换装置，从根本上解决厂用电切换存在的问题。

3 厂用电切换出现问题的原因与分析

从原理上讲，厂用电能否成功切换，主要取决于厂用电系统所受的冲击，而所受冲击的大小，则取决于切换时母线残压与备用电源间的差压；另外，厂用电切换的成功率还受断电时间、电动机自启动及机炉系统稳定性等因素的影响。

历年来出现的与切换有关的问题，其原因很多，而与切换原理有关的主要问题有：

1）无快速切换，仅采用失压备自投切换。由于少油开关分合闸速度慢、备自投装置检测、动作固有时间相对较长，造成整个切换失电时间较长（最短为200 ms，最长可达1 s），对辅机及机炉的运行影响较大，极易造成停炉。因此当工作电源误跳等情况发生时，将引起机组停运，造成不必要的损失。

2）切换无同期闭锁，开关合闸时间长。当备用电源合上时，残压与备用电源电压间相位差大，差压也大，造成合闸冲击电流大，造成备用分支过流动作，使切换失败。多次事故说明，由于投切时间不当，备用变压器冲击电流过大，造成切换失败。由于残压频率的衰减速度与厂用负载有关，因此，对同一台机组，会出现切换有时成功，有时失败，或一个分支成功，另一个分支失败的情况。

4 新型切换技术和切换装置

通过上述分析，可以得出影响厂用电切换的主要因素有设备条件、切换方式、系统结构和运行方式及故障性质等。由于现在厂用电油断路器已基本被真空断路器取代，开关动作时间已大大被缩短，系统结构和运行方式的确定则取决于一次系统，厂用电切换只能在既定的情况下进行，不可能按厂用电切换的需要来确定系统结构和运行方式，那么只有对切换方式和切换装置的改进才是提高厂用电切换的成功率的有效手段。

1）电源快速切换装置简介

厂用6 kVⅢ段采用的电源快速切换系统装置，是由厦门公司生产的SUE3000型微机电源快速切换装置，在6 kVⅢA段和6 kVⅢB段各设有一台，SUE3000快切装置是基于现代多功能保护和控制的REF542plus平台的微处理系统，其模拟量的测量功能和计算由数字信号处理器执行，控制功能、SOE和通讯界面由微处理器执行，其显示屏可以进行：测量值显示、功能投退、定值整定、就地手动切换等操作，正常情况下可显示：厂用母线三相电压、工作电源电压、备用电源电压、备用电源/工作电源电压间相角差；工作、备用开关及厂用母线分合闸状态等信息。

2）快速切换装置的动作原理

图4 厂用6 kVⅢA段电源切换装置示意图Fig.4 Power switching device 6 kVⅢA for Plant

SUE3000装置具有快速切换、首次同相切换切换和残压切换等功能，装置由继电保护装置动作时同时起动，通过对相角、频差、备用电源电压正常和母线电压四种判据的分析，如图4所示。确定母线和备用电源在同步的情况下，向工作电源、备用电源各自对应的断路器同时发出分、合闸命令，从而缩短了装置检测、动作时间和断路器结点返回时间，提高了动作速度。

①快速切换，在合成的母线残压特性曲线的安全区域，根据频差和相角差，判断是否满足合闸条件进行切换。系统结线和运行方式决定了正常运行时厂用母线电压与备用电源电压间的初始相角，故障类型则决定了从故障发生到工作开关跳开这一期间厂用母线电压与备用电源电压的频率、相角和幅值变化。此外，保护动作时间和各开关的动作时间及顺序也将影响频率、相角等的变化。

②首次同相切换，实时跟踪残压的频率和角差变化，在反馈电压与备用电源电压相量第一次相位重合时合闸。用“恒定越前相角”或“恒定越前时间”原理进行。同相切换时，电动机相当于异步发电机，其定子绕组磁场已由同步磁场转为异步磁场，而转子不存在外加原动力和外加励磁电流。因此，备用电源合上时，若相角差不大，即使存在一些频差和压差，定子磁场也将很快恢复同步，电动机也很快恢复正常异步运行。

③残压切换，当残压衰减到30%额定电压后实现切换。在图1中，假设正常运行时工作电源与备用电源同相，其电压相量端点为A，则母线失电后残压相量端点将沿残压曲线由A向B方向移动，如能在A-B段内合上备用电源，则既能保证电动机安全，又不使电动机转速下降太多，切换时间小于0.2 s，就是实现了“快速切换”。如快速切换未成功，则起动“首次同相切换”，它是以频差和角差来界定合闸区域，尽量做到角差为零时合闸，图1中为B′-B″右侧、约0.6 s区域，对于残压衰减较快的系统，该时间会较短。如残压衰减较快或首次同相切换仍不成功，则在C点后，母线残压衰减到30%时实现的切换，称为“残压切换”，残压切换对电动机也是安全的。

5 结 论

SUE3000型微机电源快速切换装置在6 kVⅢ段电源切换试验中实测切换全过程为93 ms，对比原电磁型装置动作时间缩短近50%，由于简化了装置和接线，动作成功率达100%，彻底解决了原装置可靠性低、稳定性差的问题，特别是在遇到主变、发电机、汽轮机、锅炉故障时，切换厂用电为自动方式，电压扰动小，可靠性提高，经改造后从未发生误动，保证了炉机安全连续运行，减少了热电联产中因电气事故引发热网波动事故的诱因，为炼化装置安全平稳生产提供了有利地保证[7]。

新型快速切换装置在切换原理和实现方式上有了重大改进，它具有的动态跟踪、捕捉同期、追忆录波等功能，较好地解决了现有电源切换装置存在的问题，不仅值得在各类发电厂推广使用，而且应当在炼化区域的总降压站和重要生产装置的配电系统上推广使用。

[1]张林昌.电气设备状态监测与故障诊断技术[M].北京:机械工业出版社，2000.

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[4]何永华.发电厂及变压器的二次回路[M].北京:中国电力出版社，2004.

[5]王祥.电厂热力设备及系统 [M].北京:中国电力出版社，2006.

[6]2010最新热电厂工程设计规范与工程设计常用数据对照应用手册[M].北京:中国电力出版社，2010.

[7]钱家骧，王俊锴，胡堃.陕西电网电压结构不适合实行输配电分开[J].陕西电力，2010，38（8）:1-2.

QIAN Jia-xiang，WANG Jun-kai，HU Kun.Shaanxi power grid is in no condition to separate power transmission and distribution in electricity supply for its voltage grade[J].Shaanxi Electric Power，2010，38（8）:1-2.