某冶炼厂小电源接入系统的保护设计与优化

宫仁仕

(铜陵有色金冠铜业有限公司，安徽铜陵 244000)

随着工业化程度的不断发展， 企业对能源的综合利用要求越来越高， 因此节能环保的余热发电系统备受青睐。而对于大型冶炼厂而言，供电系统的安全可靠是企业生命的重要保证， 因此应急供电系统是此类企业建设过程中的必备配置[1]。

某大型冶炼厂供电系统由多路不同电压等级（110 kV、10 kV 等）的小电源接入。 这些小电源接入系统对企业的供电安全造成了一定的影响， 因此对小电源接入系统的保护设计与优化显得至关重要。本文以该厂多路不同电压等级的小电源接入系统为例，阐述了此类系统的保护设计与优化。

1 备自投装置

备自投是备用电源自动投入使用装置的简称。许多工厂备用柴油发电机组采用备自投控制十分普遍。 该装置自动监测运行，不需人为干预。 当工厂主电网失电时， 备自投控制系统自动控制备用回路电源合闸，自动投入运行[2]。

备自投控制一般分为进线备自投和母线备自投：1）进线备自投就是两路进线断路器之间的投切，没有母联断路器。 当主线没电、备线有电时，先切主电断路器，然后投备电断路器。2）母线备自投则是指设置有母联断路器，两路进线断路器分段运行，两段母线之间通过母联断路器连接。 当有一路进线没电时，切断没电这一路进线断路器，然后母联断路器会自动投入。

2 电源系统

根据供电系统性质不同， 针对用户的取电源头分为以下几种电源系统：1）主供电源，指能够正常有效且连续为全部用电负荷提供电力的电源， 如从国家电网送入的电源系统。2）备用电源，指根据客户在安全、业务和生产上对供电可靠性的实际需求，在主供电源发生故障或断电时， 能够有效且连续为全部或部分负荷提供电力的电源。3）自备应急电源，指由客户自行配备的， 在正常供电电源全部发生中断或者部分发生中断的的情况下，至少能够满足对客户保安负荷不间断供电的独立电源，如柴油发电等。4）自备发电电源，指由客户自行配备的，在正常供电电源正常情况下，根据工厂性质自建的小发电系统,并且并入到正常供电回路上。

3 某冶炼厂供电系统情况

某大型有色冶炼厂2010 年建厂，2012 年投产，建立有110 kV 总降压站，两路主电源系统，均是110 kV 进线。 设计之初该厂有2 套柴油发电自备应急电源系统，装机容量2 489 kW×2，电压等级10 kV；1 套背压式发电机组（1# 余热发电）自备发电电源，装机容量3 000 kW，电压等级10 kV。 2014 年，根据生产需要增设1 套饱和凝汽式发电机组自备发电系统（2# 余热发电），装机容量7 000 kW，电压等级10 kV。2015 年，该厂根据节能需求，引入集团内第三路自备发电电源， 热电110 kV 进线， 装机容量50 MW。正常发电满负荷运行情况下，1#余热发电功率较小，会直接在地里1# 线路上消耗；但2# 发电功率较大，会返送到总降10 kV 母线上，供其余厂区负荷使用，详见图1。

图1 冶炼厂电源接入示意

由图1 中所示， 该冶炼厂共计3 段110 kV 进线，其中1#、2# 进线取自国家电网，属于常用电源，正常情况下一用一备，110 kV 母联断路器处于合闸状态，第3 路110 kV 自备发电进线建于后期，直接并入110 kV 母线。

经过110 kV 母线后， 两路出线分别带有2 台110 kV/10 kV 变压器；变压器出线分别送入两段10 kV 母线段。 此母线段分别带各车间负荷，两段母线间有10 kV 出线母联，正常情况下分开运行。

总降10 kV 母线的每段带均有不同工段出线，其中1# 动力出线在1# 变压器母线段上，2# 动力中心出线在2#变压器母线段上。此两路母线分别送至对应的动力出线。

动力1#、2# 出线分别带不同负荷，同时通过10 kV 动力段母联连接。此母联正常通过母联断路器断开：在动力10 kV 一段上接有10 kV1#余热发电、10 kV柴油发电1#进线；在动力10 kV 二段上接有10 kV2#余热发电、10 kV 柴油发电2# 进线。 正常生产时，1#余热发电、2#余热发电并网运行， 柴油发电处于分断运行状态；当发生全厂停电时，柴油发电自起接入动力中心段供车间应急负荷用电。

4 系统设计

上述小电源系统全部建立后，2016 年曾出现过一次全厂停电事故。 110 kV1# 进线因外部故障停电。 停电后1#发电、2# 发电非正常停车， 以及110 kV 自备50 MW 发电接入系统后也非正常停车。 这是由于线路负载过大而导致的跳车，整个时间约10 s，且2#进线备自投未投入运行。此种非正常跳车故障严重影响了该厂供电系统及设备安全。

经过分析，认为此供电系统存在以下安全隐患：1）110 kV1#线跳闸后，110 kV 自备发电进线未立即跳闸，母线电压持续约11 s，备自投装置未达到投切条件。而在110 kV 自备发电进线因负载过大低电压跳车后，虽然110 kV 母线没有电压，满足备自投条件， 但此时备自投装置已超出一般5 s 左右的充电后动作时间， 导致备自投装置异常。 2）10 kV1#、2#余热发电未能及时跳闸， 同样因动力车间线路负载过大而出现低电压跳车， 所幸未造成发电机烧毁重大设备故障。

综上分析，认为在发生全厂停电时，主要是因为小电源发电系统未能联锁跳车而造成供电系统及设备的隐患， 因此如何协调各路小电源接入系统是对全厂供电安全的至关重要的方面，

5 设计与优化

根据此次停电故障分析， 为了避免发电机被动拖垮故障的发生， 同时为了保证备用电源的及时投入，保证公司用电的可靠性，对公司供电系统存在的问题进行了相应的完善优化，主要优化措施如下：

1）备自投的无故障投入。 优化前，该厂110 kV 1#进线、2#进线互为热备。当发生单边线路故障，导致全厂停电时，热电线未能立即跳闸，母线电压持续约11 s，备自投装置达不到投切条件；而11 s 后，备自投装置已超出充电后动作时间， 从而导致备自投投入失败。针对这种问题，对备自投增加系统联跳功能，见图2。

图2 备自投无故障投入优化

如图2 所示，当出现单边线路故障时，增加系统联跳功能，保证2#进线、热电线联跳1 次，动作时间0 s，联跳后备自投装置投入，这样可以保障在出现进线故障后， 不会有任何小电源系统的干扰导致备自投投入条件不满足， 从而保证了系统备用电源的安全可靠投入。

2）余热发电的故障切除、应急柴油发电系统的安全介入。 应急柴油发电系统主要作用于在发生停电事故时给应急负荷供电， 对供电时间及供电安全也同样需要较高的要求。 该厂现有系统中因接入有2 套余热发电系统， 会对柴油发电的安全及时介入造成了一定的影响。 为此增加设计见图3。

图3 完善保护后的电网联跳逻辑顺序

如图3 所示，在余热发电系统中增加接入柜，当发生全厂性停电或单个高配停电时，要求接入柜立刻跳车，同时动力中心1#、2# 进线也立即断开，以便于应急柴油发电系统的及时介入。 此设计一方面避免了1#、2# 余热发电系统低电压跳车，另一方面避免了余热发电和柴油发电两种不同小电源系统同时接入母线后引起的短路故障，保证了供电系统的安全性。

6 结论

通过对上述系统的设计及实际改造增加了小电源系统的联跳功能。通过断电测试，证实改造后可以实现在主供电电网出现故障后，把外接余热发电小电源切除的功能，有效地避免了各类小电源系统被线路负载拖垮，甚至造成发电机烧毁等严重故障，同时也可以保证备用电源系统的及时介入。 此次改造优化保证了工厂供电的及时可靠，在同时也保障了工厂供电系统的安全。