李方玖

（向家壩水力發(fā)電廠，四川 宜賓 644612）

1 引言

備自投是一種對供電網(wǎng)絡(luò)提供不間斷供電的經(jīng)濟(jì)而有效的技術(shù)措施。當(dāng)工作電源因故障或其他原因消失后，備自投能夠?qū)溆秒娫醋詣?、迅速地投入工作。對水電站而言，廠用電及備自投裝置的可靠運(yùn)行對整個(gè)電站及水利樞紐的安全至關(guān)重要。

但是，備自投裝置在運(yùn)行中常常會遇到一些問題，如相鄰備自投之間的配合不當(dāng)造成備自投誤動，備自投出口與開關(guān)閉鎖機(jī)構(gòu)配合不當(dāng)造成備自投動作失敗等問題[1-5]。本文針對備自投裝置在某水電站實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的備自投動作和自恢復(fù)失敗的問題，進(jìn)行了多工況試驗(yàn)和波形時(shí)序分析，發(fā)現(xiàn)邏輯設(shè)計(jì)存在的缺陷，并提出了相應(yīng)優(yōu)化方案。

2 水電站10 kV廠用電系統(tǒng)備自投簡介

某水電站10 kV系統(tǒng)備自投以相鄰兩段母線為一設(shè)計(jì)單元[1]。1號母線和2號母線構(gòu)成一個(gè)備自投單元，兩段母線間設(shè)有聯(lián)絡(luò)開關(guān)，兩段母線正常情況下分母運(yùn)行，都由各自廠變供電（以下簡稱主進(jìn)線電源），互為第一備用電源(以下簡稱一備電源)；2號母線通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)與站外電源連接，為第二備用電源(以下簡稱二備電源)。備自投邏輯動作順序：1號母線失電，由2號母線供電；2號母線失電，優(yōu)先由1號母線供電，其次由外部電源供電；全自動模式下，主進(jìn)線電源電壓恢復(fù)后，自動恢復(fù)至主進(jìn)線電源供電（以下簡稱自恢復(fù)）。對于電站其余母線，均采用同樣的主接線和邏輯設(shè)計(jì)原則。每段母線配置一套備自投裝置。

3 備自投運(yùn)行過程中存在問題分析

該水電站自投運(yùn)以來，10 kV備自投裝置在運(yùn)行人員倒換廠用電操作時(shí)，出現(xiàn)過多次動作和自恢復(fù)不成功的情況。為此維護(hù)人員進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析。

3.1 備自投試驗(yàn)

備自投裝置輸入輸出信號分為模擬量和開關(guān)量，模擬量包括母線三相電壓、進(jìn)線電壓；開關(guān)量包括主進(jìn)線開關(guān)位置，備用電源聯(lián)絡(luò)開關(guān)（以下簡稱母聯(lián)開關(guān)）位置，跳、合母聯(lián)開關(guān)開出信號，跳、合主進(jìn)線開關(guān)開出信號，備自投功能選擇把手狀態(tài)等。

對所有的信號量進(jìn)行監(jiān)測，存在一定的困難，且采集的數(shù)據(jù)會很繁雜，不利于數(shù)據(jù)記錄和分析。故在備自投一備試驗(yàn)時(shí)，監(jiān)測母線三相電壓、主進(jìn)線開關(guān)合位、母線開關(guān)合位、跳主進(jìn)線開關(guān)開出信號、合母聯(lián)開關(guān)開出信號；在備自投自恢復(fù)試驗(yàn)時(shí)，監(jiān)測母線三相電壓、主進(jìn)線開關(guān)合位、母聯(lián)開關(guān)合位、合主進(jìn)線開關(guān)開出信號、跳母聯(lián)開關(guān)開出信號。監(jiān)測儀器選用便攜式錄波器，母線三相電壓直接接入，其他開關(guān)量監(jiān)測其接點(diǎn)負(fù)端對地電壓變化。

在設(shè)備驗(yàn)收和年度檢修中，備自投試驗(yàn)都是在母線空載的運(yùn)行方式下進(jìn)行，備自投裝置均能正確動作，但在母線帶負(fù)荷運(yùn)行方式下卻屢屢出現(xiàn)動作不成功的情況。針對這一問題，本次試驗(yàn)在以往母線空載試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，增加母線帶負(fù)荷的備自投試驗(yàn)，盡可能的監(jiān)測真實(shí)運(yùn)行方式下相關(guān)信號量的變化，并查找不同運(yùn)行方式下電氣量變化的差異。從試驗(yàn)波形圖可見，不同運(yùn)行方式下母線電壓的衰減存在很大的差異。如表1所示，母線帶負(fù)荷運(yùn)行方式下失壓，電壓值衰減速度較緩慢。注：基準(zhǔn)時(shí)間點(diǎn)為母線失壓開始時(shí)間點(diǎn)，下同

表1 母線不同運(yùn)行方式下電壓衰減時(shí)間td

3.2 備自投備投失敗分析

備自投備投邏輯原理圖如圖1所示，邏輯功能的啟動需滿足：①采用開關(guān)的工作、試驗(yàn)位及分、合狀態(tài)來確定當(dāng)前供電方式，采用下降沿延時(shí)t1來限制備自投的執(zhí)行時(shí)間，t1定值為1 s；②備投條件滿足，即備用電源具備供電條件；③設(shè)置了負(fù)序電壓、空開跳閘、母線保護(hù)動作閉鎖備自投[6]，以保證備自投僅在母線非故障失電情況下動作；④母線電壓由有壓至失壓才開放備投，且其開放時(shí)間可由有壓信號下降沿延時(shí)時(shí)間t2控制，t2定值為2 s，并通過上升沿延時(shí)t3防止系統(tǒng)震蕩的干擾，t3定值為500 ms。邏輯原理圖中低電壓保護(hù)啟動定值整定為25%額定電壓，合母聯(lián)開關(guān)上升沿延時(shí)t4定值為200 ms，確保一次機(jī)構(gòu)滿足合閘條件。

圖1 備自投備投簡化邏輯原理圖

通過對邏輯原理圖進(jìn)行時(shí)序分析，得到表2所示的理論數(shù)據(jù)基本和錄波所得數(shù)據(jù)吻合。當(dāng)?shù)碗妷憾ㄖ嫡?5%額定電壓時(shí)，在空載運(yùn)行方式下，t5理論值明顯大于0 ms，所以備自投能正確動作；在帶負(fù)荷運(yùn)行方式下，t5理論值已為負(fù)數(shù)，無跳令開出，所以備自投動作失敗。隨低電壓定值的提高，t5理論值也隨之增大，備自投動作成功率也隨之提升。

通過以上試驗(yàn)分析，得出在邏輯延時(shí)定值一定的情況下，母線電壓衰減時(shí)間td的大小直接決定t5的大小，關(guān)系到備自投的動作正確性。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)td隨母線所帶負(fù)荷的增大而增加，母線所帶負(fù)荷越大，電壓衰減越慢。

表2 母線不同運(yùn)行方式下備自投邏輯發(fā)出跳令延時(shí)t5（理論值）

3.3 備自投自恢復(fù)失敗分析

備自投自恢復(fù)邏輯原理圖相對較簡單，邏輯功能的啟動條件：①備自投模式把手在全自動位置；②母線自恢復(fù)條件滿足，即主進(jìn)線滿足供電條件；③無故障閉鎖信號；④相關(guān)開關(guān)滿足送電條件，備用電源斷路器合位下降沿延時(shí)t6控制備自投自恢復(fù)邏輯運(yùn)行時(shí)間，t6定值為2 s。

圖2 備自投自恢復(fù)簡化邏輯原理圖

母線帶負(fù)荷運(yùn)行方式下波形顯示，從備用電源開關(guān)（母聯(lián)開關(guān)）斷開到合主進(jìn)線開關(guān)開出信號發(fā)出，時(shí)差為205 ms，符合邏輯設(shè)計(jì)延時(shí)t7定值200 ms，但合主進(jìn)線開關(guān)開出信號發(fā)出時(shí)刻母線電壓仍有38 V，主進(jìn)線開關(guān)合閘閉鎖繼電器尚未動作，繼電器檢無壓定值為14.4 V（25%額定電壓），一次機(jī)構(gòu)合閘閉鎖尚未解除。根據(jù)開關(guān)一次機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原理，開關(guān)接收合閘令先于合閘閉鎖解除，將導(dǎo)致開關(guān)不能合閘。備用電源開關(guān)（母聯(lián)開關(guān)）斷開到合主進(jìn)線開關(guān)開出信號發(fā)出，時(shí)差為983 ms，再加上主進(jìn)線開關(guān)操作機(jī)構(gòu)動作延時(shí)，已達(dá)到報(bào)“備自投恢復(fù)失敗總信號”的延時(shí)t8定值1 s，備自投邏輯又重新開始，且合主進(jìn)線開關(guān)開出信號發(fā)出時(shí)刻母線電壓已衰減至0 V，合閘閉鎖解除，備自投自恢復(fù)經(jīng)歷了兩次合閘后成功。由于受t6時(shí)限的限制，備自投自恢復(fù)運(yùn)行的時(shí)間只有2 s，所以邏輯重復(fù)開始次數(shù)是有限的，加之多次循環(huán)可能導(dǎo)致備自投裝置卡死，從而導(dǎo)致備自投自恢復(fù)失敗。

母線空載運(yùn)行方式下波形與母線帶負(fù)荷運(yùn)行方式下波形存在很大差異。從母聯(lián)開關(guān)斷開到開出合主進(jìn)線開關(guān)命令，時(shí)差為220 ms，符合邏輯設(shè)計(jì)延時(shí)t7定值，且此時(shí)母線電壓已衰減至0 V，一次機(jī)構(gòu)合閘閉鎖解除，備自投自恢復(fù)成功。

兩種運(yùn)行方式下波形對比分析，備自投自恢復(fù)的成敗依然受母線電壓衰減時(shí)間td的影響。備自投自恢復(fù)失敗的主要原因是td時(shí)間過長造成一次機(jī)構(gòu)合閘閉鎖解除晚于合閘令開出。

4 備自投邏輯優(yōu)化方案

母線電壓衰減時(shí)間td是受運(yùn)行方式?jīng)Q定的，有一定隨機(jī)性，但通過以上試驗(yàn)分析結(jié)果,對備自投進(jìn)行一定優(yōu)化，可應(yīng)對衰減時(shí)間過長對備自投動作的限制。

備自投備投失敗優(yōu)化方案：①提高“當(dāng)前供電電源開關(guān)合閘狀態(tài)”下降沿延時(shí)t1定值；②提高低電壓保護(hù)啟動定值，但不宜超過40%，防止電壓波動造成備自投誤動作。

備自投自恢復(fù)失敗優(yōu)化方案：①提高“合主進(jìn)線開關(guān)”開出上升沿延時(shí)t7定值；②在合主進(jìn)線開關(guān)與邏輯門前增加母線無壓判據(jù)。

考慮到優(yōu)化方案的可行性以及改動最小的原則，備自投優(yōu)化方案采用：①調(diào)整“當(dāng)前供電電源開關(guān)合閘狀態(tài)”下降沿延時(shí)t1定值為2 s（原為1 s），給予備自投充足的時(shí)間避開衰減時(shí)間td；②調(diào)整“合主進(jìn)線開關(guān)”開出上升沿延時(shí)t7定值為800 ms（原為200 ms），確保合閘閉鎖解除后再開出合閘令。

5 備自投邏輯優(yōu)化后運(yùn)行情況

自備自投邏輯優(yōu)化方案實(shí)施以來，該水電站備自投裝置運(yùn)行狀況良好：

（1）在一次出線故障時(shí)，全廠備自投裝置均正確動作，避免了全廠停電的事故；

（2）運(yùn)行人員利用備自投裝置倒換廠用電時(shí)，動作正確可靠，成功率達(dá)到100%；

（3）運(yùn)行中出現(xiàn)的問題得到了根本性解決，避免了不必要的停電，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

6 結(jié)語

水電站“無人值班(少人值守)”的管理機(jī)制已成為趨勢，這對廠用電系統(tǒng)備自投的要求也將更加嚴(yán)格。結(jié)合水電站的實(shí)際情況，通過試驗(yàn)分析，解決了備自投設(shè)計(jì)缺陷所帶來的問題，為系統(tǒng)安全穩(wěn)定可靠運(yùn)行提供保障。

此外，只有模擬、還原備自投裝置的真實(shí)運(yùn)行工況，才能更好地發(fā)現(xiàn)并解決不同運(yùn)行工況下備自投存在的問題，這對其他電站備自投裝置的設(shè)計(jì)和維護(hù)有一定的借鑒作用。