堯 陽

（華電電力科學(xué)研究院 中南分院，湖北 武漢 430000）

CB級ATSE裝置在火電廠Ⅰ類廠用負(fù)荷中的應(yīng)用分析

堯 陽

（華電電力科學(xué)研究院 中南分院，湖北 武漢 430000）

某電廠風(fēng)機(jī)油站電氣控制系統(tǒng)有兩路工作電源，配備了CB級ATSE裝置，裝置采用了“自投自復(fù)”的工作模式；在電源切換過程中，出現(xiàn)了設(shè)備供電中斷的現(xiàn)象。針對此問題展開了分析和討論，并提出了改進(jìn)措施，希望能為其他火電廠類似的CB型ATSE裝置的應(yīng)用提供參考。

自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器（ATSE）； Ⅰ類負(fù)荷； 自投不自復(fù)

0 引言

火電廠正常運(yùn)行和啟停過程中都離不開Ⅰ類廠用負(fù)荷提供的動力電源和控制電源，某些Ⅰ類廠用負(fù)荷在運(yùn)行中如果長時間失電，將會導(dǎo)致機(jī)組失控或設(shè)備損壞，從而影響了電廠的經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)安全。因而，電廠Ⅰ類廠用負(fù)荷設(shè)備對供電的電源質(zhì)量、電源可靠性等方面具有很高的要求。為提高設(shè)備運(yùn)行可靠性，火電廠中很多Ⅰ類廠用負(fù)荷都配備有兩路工作電源，電源之間的切換是通過自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器（ATSE）來實現(xiàn)的。其中，ATSE裝置的作用就是在常用工作電源發(fā)生故障時迅速將負(fù)載回路自動切換至備用電源，確保重要負(fù)荷供電的連續(xù)性和可靠性，從而保證電力生產(chǎn)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

圖1 某款CB級ATSE裝置原理圖Fig.1 The schematic diagram of a CB ATSE device

隨著電力行業(yè)的發(fā)展和電力新技術(shù)的引進(jìn)，ATSE裝置產(chǎn)品也不斷的更新?lián)Q代，從結(jié)構(gòu)原理上區(qū)分，目前的ATSE裝置可分為：接觸器式轉(zhuǎn)換開關(guān)、斷路器式轉(zhuǎn)換開關(guān)、負(fù)荷開關(guān)式轉(zhuǎn)換開關(guān)和雙投式轉(zhuǎn)換開關(guān)這四種。這幾種ATSE裝置，工作原理不完全相同，性能指標(biāo)方面各有優(yōu)缺點，分別使用于電力系統(tǒng)中的各個場合。其中的斷路器式轉(zhuǎn)換開關(guān)，是我國國家標(biāo)準(zhǔn)和IEC標(biāo)準(zhǔn)中所謂的CB級ATSE裝置，它的基本構(gòu)成是由兩臺塑殼式斷路器及其相關(guān)附件組成，具有過電流和短路保護(hù)功能，空間體積小，工作模式靈活多樣，是目前使用最廣泛的ATSE，但同時存在機(jī)械連鎖不可靠、切換時間較長的缺點，大多使用在斷電允許時間相對要求不高的電氣轉(zhuǎn)動設(shè)備控制系統(tǒng)中。CB級ATSE裝置的基本原理圖如圖1所示。

2 設(shè)備概況

某電廠二期2*1000MW機(jī)組一次風(fēng)機(jī)油站電氣控制系統(tǒng)為Ⅰ類廠用負(fù)荷，有兩路電源，分別取自鍋爐保安MCC段和鍋爐MCC段；其中鍋爐保安MCC段電源為常用工作電源，鍋爐MCC段電源為備用工作電源，一次風(fēng)機(jī)油站電氣控制系統(tǒng)的具體接線詳見圖2所示。

圖2 一次風(fēng)機(jī)油站電氣控制系統(tǒng)接線圖Fig.2 Primary air fan station electric control system wiring diagram

一次風(fēng)機(jī)油站電氣控制系統(tǒng)使用的是某款CB級ATSE裝置，此款產(chǎn)品，有三種可選工作方式：“自投自復(fù)”、“自投不自復(fù)”和“互為備用”；此外，轉(zhuǎn)換延時時間和返回延時時間均可調(diào)。自投自復(fù)：當(dāng)兩路電源正常情況下，常用電源工作，如果常用電源故障或失電時，ATSE自動將負(fù)載從常用電源轉(zhuǎn)換至備用電源；當(dāng)常用電源恢復(fù)正常時，則自動將負(fù)載返回到常用電源。自投不自復(fù)：兩路電源均正常情況下上電，常用電源優(yōu)先工作；運(yùn)行過程中常用電源故障時，ATSE能自動將負(fù)載從常用電源轉(zhuǎn)換到備用電源，如果常用電源恢復(fù)正常時，ATSE不能自動返回到常用電源，此時兩路電源為對等優(yōu)先權(quán)，變成“互為備用”電源?；閭溆茫簝陕冯娫礋o常用、備用之分，優(yōu)先級相同；先上電的那路電源為工作電源，后一路電源為備用電源；當(dāng)工作電源故障，備用電源自動投入，兩路電源輪流備用。轉(zhuǎn)換時間：測定從主電源被監(jiān)測到偏差的瞬間起至主觸頭閉合備用電源為止的時間，不包括特意引入的延時；返回時間：從常用電源完全恢復(fù)正常的瞬間起至主觸頭組閉合常用電源止的時間加上特意引入的延時（“自投不自復(fù)”和“互為備用”工作模式時，無返回延時時間）。這三種工作方式和轉(zhuǎn)換延時、返回延時時間，均可根據(jù)現(xiàn)場實際需要而設(shè)定，工作狀態(tài)和延時時間的設(shè)置方法見表1、圖3所示。

表1 動作參數(shù)設(shè)置Tab.1 Action parameter Settings

圖3 參數(shù)設(shè)置撥碼開關(guān)Fig.3 Parameter setting dial switch

油站電氣控制系統(tǒng)，能采集相關(guān)的開關(guān)量信號，并將開關(guān)量信號傳輸?shù)街骺厥褼CS系統(tǒng)，由DCS實現(xiàn)對油站的控制。采集的信號有：電機(jī)運(yùn)行和停止信號、油箱內(nèi)油系統(tǒng)壓力、油溫等。DCS輸出的驅(qū)動信號為長信號。

一次風(fēng)機(jī)油站油壓系統(tǒng)由低壓和高壓兩部分組成的，低壓部分油系統(tǒng)額定壓力為0.4MPa，為風(fēng)機(jī)電機(jī)、風(fēng)機(jī)軸瓦提供潤滑作用；高壓部分油系統(tǒng)額定壓力為12MPa，通過液壓來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)動葉角度從而來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)出力。油站共四臺電機(jī)，兩臺低壓泵電機(jī)（一主一備）和兩臺高壓泵電機(jī)（一主一備），一次風(fēng)機(jī)油站電氣控制系統(tǒng)主要負(fù)荷見表2。

表2 油站系統(tǒng)主要電氣負(fù)荷Tab.2 Oil station system main electric load

3 應(yīng)用問題

在機(jī)組檢修期間，按照電廠運(yùn)行規(guī)程的要求，對一次風(fēng)機(jī)油站電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行例行的ATSE裝置切換試驗。1）試驗?zāi)康模和ㄟ^試驗來檢測ATSE裝置切換是否動作正常、油站控制系統(tǒng)電氣設(shè)備在緊急情況下能否可靠運(yùn)行；2）試驗前設(shè)備基本情況如下：CB型ATSE工作模式為“自投自復(fù)”，轉(zhuǎn)換延時和返回延時時間均為0s；3）試驗方法：通過斷開、合上QF1主電源開關(guān)（鍋爐保安MCC段饋線開關(guān)、塑殼式斷路器）來模擬常用電源失電或恢復(fù)送電狀態(tài)；4）試驗條件：一次風(fēng)機(jī)電機(jī)停運(yùn)，正常帶油站控制系統(tǒng)負(fù)荷、選擇自動控制方式、投DSC邏輯。

試驗前，#1低壓泵電機(jī)和#1高壓泵電機(jī)運(yùn)行。當(dāng)斷開QF1開關(guān)，模擬“鍋爐保安MCC段”常用電源失電，#1低壓泵電機(jī)和#1高壓泵電機(jī)停運(yùn)；ATSE裝置自動將負(fù)載回路切換到備用工作電源后，#2低壓油泵電機(jī)聯(lián)啟，#1、#2高壓泵電機(jī)聯(lián)啟；短時間內(nèi)（不超過10s）合上常用工作電源開關(guān)（QF1開關(guān)），ATSE裝置再一次切換，#2低壓泵電機(jī)和#1、#2高壓泵電機(jī)停運(yùn)，但在成功切換至常用電源后，#1低壓泵電機(jī)運(yùn)行，兩臺高壓油泵電機(jī)均未啟動。

若機(jī)組正常運(yùn)行中兩臺高壓油泵電機(jī)停運(yùn)后未及時啟動，會導(dǎo)致一次風(fēng)機(jī)動葉無法調(diào)節(jié)，從而影響了機(jī)組的正常運(yùn)行和負(fù)荷調(diào)節(jié)，存在較大安全隱患。

4 問題分析

風(fēng)機(jī)油站工作原理如下：油站啟動時，首先啟動潤滑系統(tǒng)一臺低壓油泵電機(jī)，若系統(tǒng)壓力未達(dá)系統(tǒng)的額定壓力，則啟動備用油泵電機(jī)，當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)正常值時備用泵電機(jī)停止；當(dāng)?shù)蛪罕秒姍C(jī)維持正常運(yùn)行一段時間后，可以啟動液壓系統(tǒng)高壓泵電機(jī)，高壓泵電機(jī)工作原理也一樣，正常壓力下一臺高壓泵電機(jī)運(yùn)行，若工作壓力低于系統(tǒng)壓力時啟動備用泵電機(jī)，壓力恢復(fù)正常時備用泵電機(jī)停止；系統(tǒng)停用時先關(guān)閉液壓系統(tǒng)高壓泵電機(jī)，然后再關(guān)閉潤滑系統(tǒng)低壓泵電機(jī)。

油站的自動控制方式，主要通過就地的壓力開關(guān)和主控DCS系統(tǒng)之間的配合來實現(xiàn)。在油系統(tǒng)的低壓潤滑部分和高壓液壓部分都裝有“壓力下限”、“壓力下極限”壓力開關(guān)，當(dāng)系統(tǒng)壓力低于維持系統(tǒng)工作設(shè)定最低壓力時，“壓力下限”壓力開關(guān)動作、發(fā)信號至DCS，然后啟動備用泵電機(jī)；當(dāng)系統(tǒng)壓力低于系統(tǒng)極限壓力時，“壓力下極限”壓力開關(guān)動作、發(fā)報警信號至DCS，由主控室作出停主機(jī)等相關(guān)處理。一次風(fēng)機(jī)油站控制系統(tǒng)壓力開關(guān)測點見表3。

表3 油站系統(tǒng)壓力開關(guān)Tab.3 Oil station system pressure switch

CB型ATSE切換總動作時間一般在2000-3000ms，每次切換過程中都會導(dǎo)致設(shè)備停電，期間會引起一次風(fēng)機(jī)低壓和高壓油系統(tǒng)壓力下降。第一次電源切換時，常用電源斷開，#1低壓泵電機(jī)停運(yùn)、接觸器斷開，給上位機(jī)DCS發(fā)送一個分閘信號反饋；低壓潤滑系統(tǒng)壓力下降，但未下降到“壓力下限”設(shè)定值（0.1200MPa），低壓系統(tǒng)“壓力下限”壓力開關(guān)未動作；DCS系統(tǒng)系統(tǒng)檢測到#1低壓泵電機(jī)停運(yùn)，按邏輯設(shè)定，發(fā)出啟#2低壓泵電機(jī)的指令。切至備用電源后，因為DCS系統(tǒng)默認(rèn)投備用、啟動#2低壓泵電機(jī)，所以切換后存在“倒泵”現(xiàn)象。#1高壓油泵電機(jī)停運(yùn)時，高壓油系統(tǒng)壓力下降較快，壓力下降到1.0000MPa以下，會導(dǎo)致高壓系統(tǒng)“壓力下限”壓力開關(guān)動作，為盡快提高油壓、DSC邏輯默認(rèn)啟動兩臺高壓泵電機(jī)，所以切換后兩臺高壓泵電機(jī)同時運(yùn)行。在短時間內(nèi)（不超過10s），常用電源恢復(fù)正常、“自投自復(fù)”工作狀態(tài)的ATSE裝置會進(jìn)行第二次切換時，切換過程中，低壓系統(tǒng)壓力未下降至“壓力下限”臨界值（0.1200MPa），同理，切換以后DCS系統(tǒng)只啟動#1低壓泵電機(jī)；但高壓液壓系統(tǒng)由于連續(xù)兩次切換，高壓壓力下降較快、來不及恢復(fù)，壓力降到“壓力下極限”臨界值（0.8000MPa）以后，高壓系統(tǒng)“壓力下限”和“壓力下極限”壓力開關(guān)均動作，DCS采集到相關(guān)信號，按邏輯設(shè)定、不會啟動高壓電機(jī)。兩次切換過程中高低壓泵電機(jī)和壓力開關(guān)的動作情況見表4。

表4 油站系統(tǒng)切換過程Tab.4 The switching process of oil station system

由于高低壓油站和CB級ATSE的結(jié)構(gòu)特點，每次電源切換過程中，高壓、低壓油系統(tǒng)壓力都會下降，并且高壓系統(tǒng)壓力下降更迅速。分析表明：ATSE裝置每一次切換后，高壓系統(tǒng)壓力若要恢復(fù)正常額定壓力，需要一段時間，大概是10s左右；第二次切換若未躲過高壓油恢復(fù)正常壓力所需的時間限制時，將會引起高壓油系統(tǒng)保護(hù)邏輯動作，導(dǎo)致高壓油系統(tǒng)設(shè)備停運(yùn)。

在生產(chǎn)實際中，為了提高Ⅰ類廠用負(fù)荷的運(yùn)行可靠性，鍋爐保安MCC段母線往往設(shè)計有多路進(jìn)線電源（如圖2所示），常用電源和備用電源之間的切換也是通過備自投裝置來實現(xiàn)的。在機(jī)組運(yùn)行中，也存在鍋爐保安MCC段電源失電后、短時間又恢復(fù)供電的可能性；如風(fēng)機(jī)油站控制系統(tǒng)采用的CB型ATSE裝置工作模式或時限配合不當(dāng)，會影響風(fēng)機(jī)系統(tǒng)或機(jī)組的安全運(yùn)行。因而，應(yīng)盡量提高鍋爐保安MCC段電源的可靠性，同時也應(yīng)慎重選擇CB型ATSE裝置的工作方式。

5 應(yīng)對措施

綜上所述，一次風(fēng)機(jī)油站電氣控制系統(tǒng)的CB型ATSE裝置的工作模式不當(dāng)，未考慮“常用工作電源失電后短時恢復(fù)、裝置連續(xù)切換”的極端情況，為避免此類現(xiàn)象地出現(xiàn)，改進(jìn)方法有兩種：一是仍采用“自投自復(fù)”的工作模式，但將“返回延時時間”由0s改為30s，以避開高壓油系統(tǒng)恢復(fù)時間。關(guān)于CB型ATSE“自投自復(fù)”工作方式的切換時間，在《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》（JGJ 16-2008）中有說明：“7.5.4自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器(ATSE)的選用應(yīng)符合下列規(guī)定：ATSE的切換時間應(yīng)與供配電系統(tǒng)繼電保護(hù)時間相配合，并應(yīng)避免連續(xù)切換”，條文解釋：當(dāng)設(shè)計的供配電系統(tǒng)具有自動重合閘功能，或雖無自動重合閘功能但上一級電源具有此功能時，工作電源突然斷電時，ATSE不應(yīng)立即投到備用電源側(cè)，應(yīng)有一段延時，避免剛切換到備用電源側(cè)，又自復(fù)至工作電源，這種連續(xù)切換是比較危險的。在實際運(yùn)行中，CB型ATSE裝置存在機(jī)械連鎖不可靠、容易出現(xiàn)機(jī)械卡澀、切換時間過長等問題，若采用“自投自復(fù)”工作模式時，連續(xù)切換使得上述風(fēng)險增大，同時還可能帶來后續(xù)其它的問題。二是將工作模式由“自投自復(fù)”改為“自投不自復(fù)”，這樣可以避免ATSE裝置連續(xù)切換。ATSE裝置若采用“自投不自復(fù)”工作模式，可以簡化與其它設(shè)備的時限配合設(shè)置工作。鑒于此，建議優(yōu)先選用“自投不自復(fù)”的工作模式，可以減小設(shè)備運(yùn)行中潛在的風(fēng)險，提高設(shè)備運(yùn)行可靠性。

6 結(jié)語

關(guān)于CB型ATSE裝置在相關(guān)場合具體的運(yùn)行方式，暫時未有相關(guān)規(guī)程對此做出明確規(guī)定，但實際應(yīng)用中的消防、醫(yī)院等Ⅰ類重要負(fù)荷場所用的CB級ATSE裝置，均采用“自投不自復(fù)”方式。是因為CB級ATSE裝置每次切換電源，都會導(dǎo)致主回路中的接觸器跳閘，設(shè)備需要重新啟動，沒有自動重合功能的設(shè)備需要人工干預(yù)才能啟動；而Ⅰ類重要負(fù)荷一旦啟動，保證電源供應(yīng)的需要、遠(yuǎn)比選擇優(yōu)先電源供電重要，所以只要此類設(shè)備啟動，無論供電電源是常用電源還是備用電源，就保證供電。因而，為減小電源切換所帶來的風(fēng)險，在火電廠Ⅰ類廠用負(fù)荷中應(yīng)慎重選擇CB型ATSE裝置“自投自復(fù)”的工作方式。

[1]GB/T 1048.11-2016，低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第6-1部分：多功能電器 轉(zhuǎn)換開關(guān)電器[S].

[2]JGJ 16-2008，民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范[S].

Application Analysis of CB ATSE Device in Category I Load of Thermal Power Plant

YAO Yang
（Huadian Electric Power Research Institute Zhongnan Branch,Wuhan 430000，China）

The electric control system of fan oil station of a power plant has two working power supply,equipped with CB ATSE device,the device adopts the working mode ofquot;automatically transfer and restorequot;;In the process of power switching,the power supply interruption occurred.This paper had analyzed and discussed the problem,and put forward some improvement measures，hoped to provide reference for other similar CB ATSE in thermal power plants.

automatic transfer switching equipment(ATSE)； category I load； automatically transfer and nonautomatically restore

TM621

B

2095-3429（2017）05-0059-04

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.05.014

2017-07-20

堯陽（1986-），男，湖北咸寧人，本科，助理工程師，主要從事高電壓試驗技術(shù)的研究工作。