兀鵬越 孫鋼虎 邵云鵬 楊勝林 郭 琳

（西安熱工研究院有限責(zé)任公司，西安 710061）

火力發(fā)電廠都設(shè)置有一臺(tái)或多臺(tái)起動(dòng)/備用變壓器（簡(jiǎn)稱起備變），除了作為起停機(jī)過(guò)程中的廠用電源外，還在機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電后作為廠用電的熱備用電源，以保證機(jī)組事故跳機(jī)時(shí)可以立即帶廠用電負(fù)荷，維持廠用電的連續(xù)性，保障機(jī)組安全。在機(jī)組發(fā)電運(yùn)行期間，起備變處于空載運(yùn)行狀態(tài)，長(zhǎng)期空載運(yùn)行的損耗是相當(dāng)可觀的。據(jù)測(cè)算，一臺(tái)容量45MW 的油浸式起備變，一年空載運(yùn)行電能損耗約30 萬(wàn)kW·h。近年來(lái)，隨著發(fā)電廠對(duì)節(jié)能降耗工作的日益重視，降低起備變空載損耗就成了比較熱門的課題。一些電廠積極嘗試起備變冷備用技術(shù)，個(gè)別電廠還進(jìn)行了試驗(yàn)和應(yīng)用[1-2]。

本文在廣泛調(diào)研及若干臺(tái)機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)當(dāng)前起備變冷備用技術(shù)中存在的幾個(gè)關(guān)鍵性的技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了分析，供有關(guān)的技術(shù)人員參考。

1 起備變的運(yùn)行方式

1.1 運(yùn)行方式簡(jiǎn)介

圖1 火電廠電氣系統(tǒng)示意圖

圖1是典型的單元機(jī)組電氣一次系統(tǒng)示意圖。 目前的常規(guī)運(yùn)行方式，當(dāng)機(jī)組正常發(fā)電時(shí)，廠用電由高壓廠用變壓器提供，1DL、2DL、5DL、6DL 合閘，3DL、4DL 分閘。

當(dāng)機(jī)組故障跳機(jī)時(shí)，由快切裝置快速跳開1DL、2DL，合上3DL、4DL，實(shí)現(xiàn)廠用電快速切換，保持廠用負(fù)荷持續(xù)運(yùn)行。由于機(jī)組運(yùn)行時(shí)起備變高壓側(cè)開關(guān)6DL 合閘，起備變充電運(yùn)行，因此稱之為起備變熱備用。如果機(jī)組運(yùn)行時(shí)，起備變高壓側(cè)開關(guān)6DL 分閘，起備變不帶電。當(dāng)機(jī)組跳閘時(shí)，再由快切立即合6DL、3DL、4DL 投入起備變及廠用負(fù)荷。這種方式稱之為起備變冷備用方式。需要說(shuō)明的是，文中這兩種方式定義不同于發(fā)電廠運(yùn)行規(guī)程對(duì)冷備用的規(guī)定。

1.2 采用熱備用方式的原因

長(zhǎng)期以來(lái)，火電廠起備變絕大部分都采用熱備用運(yùn)行方式。原因就在于起備變運(yùn)行中低壓側(cè)帶電，隨時(shí)可以進(jìn)行廠用電源快速切換，一般情況下都可以切換成功；如果冷備用運(yùn)行，當(dāng)機(jī)組跳機(jī)時(shí)首先要給起備變充電，然后才可以進(jìn)行切換，這樣切換時(shí)間變長(zhǎng)，增大了廠用電切換失敗的風(fēng)險(xiǎn)。另一個(gè)原因，是變壓器空載合閘產(chǎn)生勵(lì)磁涌流有可能導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)作，使得變壓器空投失敗。還有一個(gè)因素，冷備用的變壓器有可能存在故障而未被發(fā)現(xiàn)，跳機(jī)投運(yùn)時(shí)投運(yùn)失敗。這些因素導(dǎo)致發(fā)電廠寧肯付出常年起備變空載運(yùn)行損耗的代價(jià)，也不肯冷備用運(yùn)行。

1.3 冷備用方式的實(shí)現(xiàn)

近年來(lái)，隨著火電廠節(jié)能工作深入開展，對(duì)于起備變冷備用方式逐漸重視起來(lái)。起備變冷備用控制方式中，為廠用電快切裝置增加了高壓側(cè)斷路器合閘出口，當(dāng)發(fā)電機(jī)組保護(hù)動(dòng)作起動(dòng)快切時(shí)，快切裝置發(fā)出指令合起備變高壓側(cè)6DL 斷路器和低壓側(cè)3DL 斷路器，瞬時(shí)將處于冷備用的起備變投入運(yùn)行并立即接帶廠用負(fù)荷運(yùn)行。如圖2所示。

圖2 冷備用方式的控制回路（僅一段）

為了防止勵(lì)磁涌流引起變壓器空投失敗，在起備變高壓側(cè)斷路器6DL 處配置勵(lì)磁涌流抑制器，如圖3所示。當(dāng)發(fā)電機(jī)組保護(hù)動(dòng)作起動(dòng)快切時(shí)，快切裝置發(fā)出合起備變高壓側(cè)6DL 斷路器指令給勵(lì)磁涌流抑制器，由勵(lì)磁涌流抑制器選擇合適的角度發(fā)出合閘指令，控制6DL 準(zhǔn)確合閘于時(shí)機(jī)，使得變壓器勵(lì)磁涌流最小，防止差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作，確保變壓器空投成功，然后再由快切擇機(jī)合低壓側(cè)3DL 斷路器。與圖2相比，這種方式可以防止勵(lì)磁涌流導(dǎo)致的變壓器空投失敗，但帶來(lái)了切換時(shí)間的延遲，從而增大了切換失敗的風(fēng)險(xiǎn)，控制方式也更復(fù)雜。

圖3 帶勵(lì)磁涌流抑制器的冷備用控制回路

2 影響起備變冷備用運(yùn)行的問(wèn)題

2.1 范區(qū)冷備用變壓器空投時(shí)差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作

變壓器空載合閘產(chǎn)生勵(lì)磁涌流[3]，這是變壓器自身固有特性決定的，在不采取措施的情況下必然存在，大小約為變壓器額定電流的8～12 倍，如圖4所示。

圖4 變壓器空載合閘勵(lì)磁涌流

變壓器勵(lì)磁涌流會(huì)導(dǎo)致變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作，這是繼電保護(hù)長(zhǎng)期以來(lái)未能解決的難題，即使目前微機(jī)保護(hù)技術(shù)已經(jīng)十分先進(jìn)的情況下，仍然無(wú)法保證百分之百識(shí)別勵(lì)磁涌流不誤動(dòng)，這一點(diǎn)是筆者咨詢國(guó)內(nèi)幾個(gè)主要變壓器微機(jī)保護(hù)廠家的技術(shù)人員得到承認(rèn)的。因此，由于勵(lì)磁涌流會(huì)導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)作，緊急事故時(shí)起備變投不上的可能性也是存在的。

以前人們認(rèn)為空載合閘勵(lì)磁涌流是變壓器難以克服的固有特性，采取了各種方法來(lái)識(shí)別和躲避勵(lì)磁涌流?，F(xiàn)在在工程上采用了基于斷路器選相位關(guān)合技術(shù)的勵(lì)磁涌流抑制器，通過(guò)變壓器空載合閘的電壓角度，即可有效抑制勵(lì)磁涌流的大小。其主要原理為：變壓器外加電源電壓的波形與主磁通波形一致的，但超前90°，因此通過(guò)測(cè)量電壓的波形就可以得到主磁通的波形，進(jìn)而通過(guò)測(cè)量斷電電壓時(shí)刻的波形可以獲取斷電時(shí)剩磁的極性。然后控制斷路器的合閘時(shí)機(jī)，使得變壓器空投上電時(shí)產(chǎn)生的偏磁與剩磁極性相反，再與穩(wěn)態(tài)磁通共同作用，使得總磁通低于變壓器的飽和磁通，即可抑制涌流。

影響勵(lì)磁涌流抑制效果的一個(gè)重要因素是開關(guān)動(dòng)作時(shí)間的離散性，當(dāng)開關(guān)動(dòng)作時(shí)間誤差超過(guò)3ms時(shí)，抑制效果就不可接受了。因此，選擇動(dòng)作特性穩(wěn)定的開關(guān)設(shè)備是一個(gè)很重的前提條件。

基于該技術(shù)的產(chǎn)品已經(jīng)有多家公司可以生產(chǎn)，在工程中應(yīng)用較多。勵(lì)磁涌流抑制器的效果已經(jīng)得到我國(guó)南方電網(wǎng)公司的認(rèn)可，2011年專門發(fā)通知要求在南方電網(wǎng)使用。根據(jù)工程實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，使用勵(lì)磁涌流抑制器可以將勵(lì)磁涌流大小限制在變壓器額定電流以下，杜絕了勵(lì)磁涌流導(dǎo)致的變壓器空投時(shí)差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)問(wèn)題。

2.2 母線失壓時(shí)間增加導(dǎo)致快切失敗

由于冷備用情況下起動(dòng)切換，需要先合起備變高壓側(cè)開關(guān)，再合低壓側(cè)開關(guān)，比熱備用情況下只合低壓側(cè)開關(guān)的動(dòng)作時(shí)間要慢100～200ms。這樣一來(lái)，廠用高壓母線總的失壓時(shí)間在200～300ms 之間，這段時(shí)間母線殘壓如果下降較快，有可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)快速切換，導(dǎo)致一些輔機(jī)跳閘，切換失敗。

母線殘壓下降特性取決于負(fù)荷特性，電機(jī)類負(fù)荷越多，容量越大，殘壓下降越慢，越有利于快速切換的實(shí)現(xiàn)[4]。一般運(yùn)行中機(jī)組高壓廠用母線殘壓衰減過(guò)程都要持續(xù)好幾秒，冷備用方式下切換帶來(lái)的200～300ms 的失壓時(shí)間內(nèi)，母線電壓電壓衰減大約5～15V，跌落不是太多，實(shí)現(xiàn)快速切換的幾率還是很高的。

2.3 冷備用時(shí)設(shè)備帶故障投入

發(fā)電廠運(yùn)行人員還有一個(gè)顧慮，就是處于未充電冷備用狀態(tài)的變壓器如果已經(jīng)存在故障而沒有發(fā)現(xiàn)，或者處于分閘狀態(tài)的斷路器已經(jīng)有故障，關(guān)鍵時(shí)候無(wú)法合閘，都會(huì)造成事故時(shí)起備變投入失敗。這種可能性不是沒有，但是對(duì)于穩(wěn)定性比較好、事故率較低的變壓器和斷路器來(lái)說(shuō)，如果設(shè)備本身質(zhì)量合格的話，發(fā)生這種情況的機(jī)率很小。

除了對(duì)設(shè)備加強(qiáng)監(jiān)視以外，還可以采取的預(yù)防措施就是定期對(duì)變壓器充電，在惡劣天氣時(shí)將起備變熱備用運(yùn)行。

2.4 對(duì)電壓跌落敏感的廠用負(fù)荷跳閘

由于廠用電切換過(guò)程存在短時(shí)的母線失壓，切換過(guò)程中在運(yùn)行的負(fù)荷能否維持運(yùn)行就很關(guān)鍵了。廠用電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程規(guī)定，短時(shí)停電會(huì)影響生產(chǎn)的Ⅰ類負(fù)荷低電壓保護(hù)跳閘定值40V，9s；短時(shí)斷電不影響生產(chǎn)運(yùn)行的Ⅱ類、Ⅲ類負(fù)荷低電壓保護(hù)跳閘定值60V，0.5s。也即短時(shí)的試驗(yàn)是不會(huì)導(dǎo)致重要輔機(jī)跳閘的，只要廠用電切換成功，是可以保證機(jī)組生產(chǎn)連續(xù)性的。在切換過(guò)程中，可能會(huì)有一些對(duì)電壓敏感的輔機(jī)跳閘，但這些輔機(jī)都是重要性較低的設(shè)備，可以手動(dòng)恢復(fù)送電，不會(huì)影響機(jī)組運(yùn)行。

因此，從以上分析可見，起備變冷備用運(yùn)行存在問(wèn)題對(duì)機(jī)組生產(chǎn)運(yùn)行的影響是存在的，但都不是根本性的，且均有解決辦法。

3 冷備用切換過(guò)程

冷備用切換過(guò)程的關(guān)鍵問(wèn)題在于盡量縮短切換過(guò)程的過(guò)渡時(shí)間。由于變壓器低壓側(cè)真空開關(guān)的分合閘固有動(dòng)作時(shí)間約為40～60ms，而高壓側(cè)開關(guān)的分合閘固有動(dòng)作時(shí)間約為80～100ms，必須采取措施防止低壓側(cè)開關(guān)先于高壓側(cè)開關(guān)合閘。措施之一是快切裝置判斷高壓側(cè)開關(guān)的輔助觸點(diǎn)，確保高壓側(cè)開關(guān)合閘后才發(fā)出低壓側(cè)開關(guān)合閘指令。措施之二是采取低壓側(cè)開關(guān)延時(shí)合閘，延時(shí)可整定。措施二可以通過(guò)時(shí)間配合將切換時(shí)間壓縮到最小。表1是采取延時(shí)配合的快切過(guò)程時(shí)序。

表1 切換過(guò)程時(shí)序

根據(jù)有關(guān)過(guò)程實(shí)際切換試驗(yàn)情況，采用冷備用切換母線的失壓時(shí)間110ms 左右，不影響輔機(jī)的運(yùn)行[4]。

4 實(shí)際應(yīng)用情況

據(jù)了解，目前還有不少工程都設(shè)計(jì)了起備變冷備用方式，但進(jìn)行了起備變冷備用實(shí)際切換試驗(yàn)的不多，而實(shí)際起備變冷備用方式運(yùn)行的更少。究其原因，就在于沒有這方面成熟的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，而冷備用試驗(yàn)又存在廠用電切換失敗的風(fēng)險(xiǎn)，因此人們對(duì)于進(jìn)行該試驗(yàn)態(tài)度保守謹(jǐn)慎，大多數(shù)設(shè)計(jì)了冷備用方式的火電廠，實(shí)際上起備變還是熱備用運(yùn)行，沒有達(dá)到設(shè)計(jì)目的。

據(jù)調(diào)查，在實(shí)際生產(chǎn)中起備變冷備用運(yùn)行的機(jī)組不是很多。長(zhǎng)期以來(lái)，電力系統(tǒng)內(nèi)的發(fā)電廠節(jié)能要求并不嚴(yán)格，從保證機(jī)組安全的角度來(lái)講，大家還是愿意起備變熱備用運(yùn)行。而在一些外資電廠或者企業(yè)自備電廠等小型機(jī)組，出于節(jié)能的考慮，已有多年起備變冷備用運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

這些機(jī)組大多都沒有采用勵(lì)磁涌流抑制器，因此冷備用切換時(shí)間較短，實(shí)際切換成功率都比較高。根據(jù)調(diào)研中了解到，在冷備用切換方式下，起備變都可以快速切換成功，且機(jī)組的主要輔機(jī)都可以維持不跳閘，但是會(huì)有個(gè)別對(duì)電壓波動(dòng)敏感的設(shè)備跳閘。這些設(shè)備一般采用電磁接觸器，都為不重要的負(fù)荷，即使跳閘也不影響機(jī)組安全，運(yùn)行人員手動(dòng)合上即可。華北電力大學(xué)對(duì)這種方式下的起備變冷備用技術(shù)有較多的研究，運(yùn)用RTDS 數(shù)字仿真技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行詳細(xì)的分析驗(yàn)證，并在海勃灣發(fā)電廠、達(dá)拉特發(fā)電廠進(jìn)行了實(shí)際試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果證明，起備變冷備用是可行的[4-6]。

采用勵(lì)磁涌流抑制器的起備變冷備用運(yùn)行方式，由于增加了切換時(shí)間，被認(rèn)為切換成功率降低，一般不愿意在工程上實(shí)際應(yīng)用。實(shí)際調(diào)研中了解到也有個(gè)別應(yīng)用，遼寧某自備電廠采用此方式運(yùn)行4年以上，每次事故都成功切換。

總體來(lái)看，發(fā)電廠采用起備變冷備用運(yùn)行方式還是少數(shù)。

5 冷備用切換失敗的影響分析

阻礙起備變采用冷備用方式的最大顧慮，是擔(dān)心當(dāng)發(fā)生機(jī)組事故時(shí)，廠用電切換失敗，導(dǎo)致全廠失電。因此有必要對(duì)這種情況以及由此帶來(lái)的影響進(jìn)行分析。

如果機(jī)組事故，停機(jī)是必然的。問(wèn)題只在于停機(jī)過(guò)程中是否可以安全停機(jī)，不會(huì)導(dǎo)致發(fā)生設(shè)備損壞等重大事故。實(shí)際上，在發(fā)電廠的設(shè)計(jì)中，全廠失電情況下是能夠保證機(jī)組安全停機(jī)的，不至于造成設(shè)備損壞等嚴(yán)重事故發(fā)生。按照火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)規(guī)程，當(dāng)廠用電失去后，最重要的控制系電源由UPS 瞬時(shí)切換到蓄電池組，保證失電時(shí)控制系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行；對(duì)機(jī)組安全威脅最大的是汽機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)立即起動(dòng)直流油泵維持油壓，保證汽輪機(jī)安全[7]。除此以外的機(jī)組其他負(fù)荷是可以在停機(jī)是經(jīng)受短時(shí)間的斷電而不會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞等嚴(yán)重事故發(fā)生的。而廠用母線失壓后柴油發(fā)電機(jī)立即起動(dòng)，在15s 內(nèi)即可帶保安段負(fù)荷運(yùn)行，從而保證機(jī)組安全停機(jī)。

而所謂起備變采用冷備用方式切換不成功，指的是在母線電壓跌落到低電壓保護(hù)動(dòng)作值（70%）以前沒能快速切換成功，而不是切換失敗導(dǎo)致高壓廠用電全失。這種情況下，廠用高壓母線電壓會(huì)有短時(shí)（幾百毫秒到幾秒之間）的跌落，會(huì)導(dǎo)致一些對(duì)電壓敏感的負(fù)荷跳閘，而重要負(fù)荷都不會(huì)跳閘，在廠用電切換成功后電動(dòng)機(jī)會(huì)自動(dòng)再起動(dòng)，也即不會(huì)導(dǎo)致全廠失電。起備變采用冷備用方式切換不成功最糟糕的情況是快切裝置未動(dòng)作，可以由運(yùn)行人員搶合備用電源，也可以保證廠用電源馬上恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)安全停機(jī)，不會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的事故發(fā)生。

因此，對(duì)于起備變冷備用方式導(dǎo)致的廠用電切換失敗，也是能夠保證機(jī)組安全停機(jī)的。應(yīng)該正確合理分析和評(píng)價(jià)起備變冷備用切換帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，過(guò)分夸大切換失敗的后果是不可取的。

6 結(jié)論

理論和實(shí)踐證明，發(fā)電廠起備變冷備用運(yùn)行方式是可行的，在不大的投資下可以實(shí)現(xiàn)較好的節(jié)能效果。由此對(duì)機(jī)組的運(yùn)行帶來(lái)安全風(fēng)險(xiǎn)的增大是有限的，在可控范圍內(nèi)，不至于造成嚴(yán)重的后果。應(yīng)該理性看待這種運(yùn)行方式，積極創(chuàng)造條件在實(shí)際中應(yīng)用，積累更多的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，從而使其更加完善。

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