孫大根

備自投閉鎖功能完善及試驗(yàn)分析

孫大根

（國(guó)能大渡河瀑布溝水力發(fā)電總廠，四川 雅安 625304）

備自投即備用電源自動(dòng)投入裝置，能在工作電源故障或其他原因斷開(kāi)后迅速地自動(dòng)將備用電源投入工作，但如果工作電源因負(fù)荷端短路等原因造成電源跳閘，則應(yīng)由電源端保護(hù)裝置跳閘信號(hào)閉鎖備自投裝置動(dòng)作，否則備用電源會(huì)合于故障回路，造成二次破壞。本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，提出了某電站400V配電系統(tǒng)備自投裝置閉鎖功能的實(shí)現(xiàn)方法，以提高備自投裝置運(yùn)行的可靠性。

備自投；閉鎖；試驗(yàn)；分析

0 引言

現(xiàn)代水力發(fā)電廠要求其生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化采用計(jì)算機(jī)控制，為了實(shí)現(xiàn)這一要求，需要許多廠用機(jī)械和自動(dòng)化監(jiān)控設(shè)備及輔助設(shè)備為發(fā)電服務(wù)。因此，需要向這些電動(dòng)機(jī)、自動(dòng)化監(jiān)控設(shè)備和照明供電，這種為電廠自用的供電系統(tǒng)稱(chēng)為廠用電系統(tǒng)[1]。

水電廠的重要機(jī)械及監(jiān)控、保護(hù)、自動(dòng)裝置等二次設(shè)備，允許電源中斷的時(shí)間僅為電源操作切換時(shí)間，它們停止工作后，會(huì)引起主機(jī)減少出力或停止發(fā)電，甚至可能使主機(jī)或輔助設(shè)備損壞[1]。因此，大、中型水輪發(fā)電機(jī)組的自用電系統(tǒng)一般都分成兩段，各段電源相互獨(dú)立，而且兩段電源之間裝設(shè)有備用電源自動(dòng)投入裝置，兩段電源互為備用，以提高供電的可靠性[2-4]。

1 廠用電系統(tǒng)備自投運(yùn)行情況

1.1 備自投工作原理

某電站機(jī)組400V配電系統(tǒng)采用兩段母線供電，分別取自不同的10kV變壓器，機(jī)組自用電主接線示意圖如圖1所示。

圖1 機(jī)組自用電主接線示意圖

圖1中，QF1為400V 1號(hào)進(jìn)線開(kāi)關(guān)，QF2為400V 2號(hào)進(jìn)線開(kāi)關(guān)，QF3為400V分段開(kāi)關(guān)，QF5為10kV 1號(hào)進(jìn)線開(kāi)關(guān)，QF6為10kV 2號(hào)進(jìn)線開(kāi)關(guān)，3TV為Ⅰ母母線電壓互感器（PT），4TV為Ⅱ母母線PT，1BA為1號(hào)進(jìn)線電流互感器（CT），2BA為2號(hào)進(jìn)線CT，1BA0和2BA0為零序保護(hù)用CT。

備自投裝置型號(hào)是WBT196D—I，裝置能自動(dòng)判斷備用電源自動(dòng)投入的方式，分段備用電源自動(dòng)投入原理框圖[5]如圖2所示。

圖2 分段備用電源自動(dòng)投入原理框圖

當(dāng)兩段400V母線正常分段運(yùn)行且備自投功能正常投入時(shí)，分段備自投正常充電。如果400V Ⅰ母線進(jìn)線開(kāi)關(guān)QF1或者上級(jí)10kV開(kāi)關(guān)QF5故障跳閘，400V Ⅰ母線失電壓同時(shí)進(jìn)線無(wú)電流，分段備自投裝置動(dòng)作跳開(kāi)QF1，然后合上QF3，通過(guò)QF2繼續(xù)對(duì)Ⅰ母負(fù)荷供電，保證負(fù)荷正常運(yùn)行。Ⅱ母失電時(shí)的動(dòng)作邏輯類(lèi)似。

1.2 備自投閉鎖功能

備自投裝置在正常情況下能可靠保證負(fù)荷的有效供電，同時(shí)也引入一個(gè)問(wèn)題，如果400V母線或者所帶的負(fù)荷本身故障引起上級(jí)電源跳閘，此時(shí)備自投裝置如果繼續(xù)動(dòng)作，則會(huì)造成備用電源繼續(xù)合于故障，對(duì)故障負(fù)荷造成二次沖擊，更嚴(yán)重的是造成備用電源跳閘導(dǎo)致全部負(fù)荷失電，所以對(duì)于保護(hù)動(dòng)作造成開(kāi)關(guān)跳閘的情況，需要將備自投裝置閉鎖，保證備自投裝置可靠不動(dòng)作[6-11]。備自投裝置設(shè)置有專(zhuān)門(mén)的閉鎖開(kāi)入回路，在開(kāi)入量的配置中可設(shè)定相應(yīng)的延時(shí)，作為該開(kāi)入量采集時(shí)的去抖時(shí)間，裝置通過(guò)并用硬件濾波和軟件去抖保證了開(kāi)關(guān)量采集的準(zhǔn)確性。備自投閉鎖回路如圖3所示。

圖3 備自投閉鎖回路

圖3中，1ZJJ和2ZJJ分別是QF1和QF2的保護(hù)動(dòng)作信號(hào)，LCU是監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)出的閉鎖信號(hào)，P122觸點(diǎn)是10kV開(kāi)關(guān)QF5、QF6的保護(hù)動(dòng)作信號(hào)。設(shè)計(jì)原本只考慮了400V進(jìn)線開(kāi)關(guān)跳閘和監(jiān)控開(kāi)出閉鎖功能，未考慮10kV開(kāi)關(guān)跳閘閉鎖備自投動(dòng)作功能。由于400V進(jìn)線開(kāi)關(guān)未配置接地保護(hù)功能，400V系統(tǒng)接地保護(hù)主要靠10kV側(cè)開(kāi)關(guān)的零序保護(hù)實(shí)現(xiàn)，故本次加入10kV開(kāi)關(guān)的跳閘閉鎖功能。

2 備自投閉鎖試驗(yàn)

為了驗(yàn)證備自投裝置在10kV保護(hù)裝置跳閘動(dòng)作后能否可靠閉鎖，分別對(duì)QF5和QF6的保護(hù)裝置加入零序電流，模擬接地故障進(jìn)行驗(yàn)證。

2.1 試驗(yàn)前設(shè)備狀態(tài)

試驗(yàn)前兩段400V母線正常分段運(yùn)行，QF1、QF2、QF5、QF6合閘，QF3分閘，400V母線電壓均為400V，備自投裝置充電正常。備自投裝置和10kV保護(hù)裝置部分定值分別見(jiàn)表1和表2，表1中的通信延時(shí)1即備自投閉鎖開(kāi)入防抖時(shí)間。

表1 備自投裝置部分定值

表2 QF5、QF6保護(hù)裝置部分定值

2.2 試驗(yàn)情況

1）手動(dòng)分開(kāi)QF5，備自投裝置正確動(dòng)作，延時(shí)5s分開(kāi)QF1，再延時(shí)5s合上QF3。

2）恢復(fù)至試驗(yàn)前狀態(tài)，手動(dòng)分開(kāi)QF6，備自投裝置正確動(dòng)作，延時(shí)5s分開(kāi)QF2，再延時(shí)5s合上QF3。

以上兩步說(shuō)明備自投裝置邏輯功能正常，手動(dòng)分10kV開(kāi)關(guān)后不閉鎖備自投裝置動(dòng)作。

3）恢復(fù)至試驗(yàn)前狀態(tài)，在QF5開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置零序電流回路加入故障量1A，保持時(shí)間0.75s。QF5跳閘，400V Ⅰ母失電，備自投裝置未動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)閉鎖功能。

4）恢復(fù)至試驗(yàn)前狀態(tài)，在QF6開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置零序電流回路加入故障量1A，保持時(shí)間0.75s。QF6跳閘，400V Ⅱ母失電，備自投裝置動(dòng)作，延時(shí)5s分開(kāi)QF2，再延時(shí)5s合上QF3，未實(shí)現(xiàn)閉鎖功能。檢查確認(rèn)QF6開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置相關(guān)配置和試驗(yàn)回路接線正常后，恢復(fù)至試驗(yàn)前狀態(tài)并重復(fù)一次試驗(yàn)，仍未正確閉鎖，試驗(yàn)不成功。

5）恢復(fù)至試驗(yàn)前狀態(tài)，在QF6開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置處短接至備自投裝置的跳閘信號(hào)，再在QF6開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置零序電流回路加入故障量1A，保持時(shí)間0.75s。QF6跳閘，400V Ⅱ母失電，備自投裝置未動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)閉鎖功能。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析及驗(yàn)證

為了便于分析試驗(yàn)過(guò)程，將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行匯總，見(jiàn)表3。

表3 備自投閉鎖試驗(yàn)結(jié)果

從表3可以看出，QF6保護(hù)跳閘后400V備自投未正確閉鎖，主要原因是備自投裝置未收到保護(hù)跳閘的閉鎖信號(hào)，原因可能有以下幾點(diǎn)：

1）10kV保護(hù)裝置送備自投裝置的閉鎖觸點(diǎn)未動(dòng)作。通過(guò)保護(hù)裝置校驗(yàn)已確認(rèn)該觸點(diǎn)能正確動(dòng)作，本條原因排除。

2）10kV保護(hù)裝置的故障時(shí)間不夠，備自投裝置未收到閉鎖信號(hào)觸點(diǎn)就已返回。將故障時(shí)間設(shè)置為1min，仍未正確閉鎖，本條原因排除。

3）備自投裝置閉鎖開(kāi)入觸點(diǎn)防抖動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，保護(hù)裝置動(dòng)作跳開(kāi)QF6以后，備自投動(dòng)作條件先于閉鎖條件有效，無(wú)法實(shí)現(xiàn)閉鎖功能。將閉鎖開(kāi)入觸點(diǎn)防抖動(dòng)時(shí)間由0.02s改為0.01s，恢復(fù)至試驗(yàn)前狀態(tài)并重復(fù)一次試驗(yàn)，閉鎖功能正常。

3 備自投閉鎖功能配合分析

從以上試驗(yàn)結(jié)果看，備自投動(dòng)作條件與備自投閉鎖條件之間存在嚴(yán)格的時(shí)間配合關(guān)系，如果裝置收到閉鎖開(kāi)入觸點(diǎn)的時(shí)間晚于備自投動(dòng)作條件滿足的時(shí)間，則裝置無(wú)法實(shí)現(xiàn)可靠閉鎖，影響設(shè)備的安全運(yùn)行。

從控制回路上看，10kV開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置動(dòng)作后，裝置開(kāi)出三對(duì)觸點(diǎn)[12]，分別用于上送跳閘信號(hào)、閉鎖備自投裝置、跳10kV開(kāi)關(guān)，通過(guò)試驗(yàn)，這三對(duì)觸點(diǎn)動(dòng)作時(shí)間基本相同，誤差不超過(guò)5ms。保護(hù)裝置跳閘時(shí)間測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 保護(hù)裝置跳閘時(shí)間測(cè)試結(jié)果

保護(hù)裝置動(dòng)作后，閉鎖觸點(diǎn)閉合送至備自投裝置，同時(shí)10kV開(kāi)關(guān)跳開(kāi)，這里需要考慮開(kāi)關(guān)的分閘時(shí)間和備自投裝置的閉鎖開(kāi)入觸點(diǎn)防抖時(shí)間，如果開(kāi)關(guān)分閘時(shí)間較短，而閉鎖開(kāi)入觸點(diǎn)防抖時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則開(kāi)關(guān)分閘后400V母線失電，備自投裝置檢測(cè)出模擬量滿足動(dòng)作條件，此時(shí)閉鎖信號(hào)仍無(wú)效，備自投會(huì)正常動(dòng)作，不會(huì)閉鎖。查閱10kV開(kāi)關(guān)的試驗(yàn)報(bào)告，QF5與QF6的分閘時(shí)間存在一定差異。斷路器分閘時(shí)間測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 斷路器分閘時(shí)間測(cè)試結(jié)果

根據(jù)《WBT 196D—I數(shù)字備用電源自動(dòng)投入裝置使用說(shuō)明書(shū)》，開(kāi)入量分辨率不大于2ms，模擬量運(yùn)算時(shí)間不大于1ms。保護(hù)裝置動(dòng)作后，10kV開(kāi)關(guān)跳閘，400V系統(tǒng)就會(huì)瞬時(shí)失電，保護(hù)跳閘觸點(diǎn)動(dòng)作時(shí)間加上開(kāi)關(guān)分閘時(shí)間和模擬量運(yùn)算時(shí)間就是備自投裝置判斷電壓、電流條件是否滿足的時(shí)間；同樣，保護(hù)跳閘閉鎖觸點(diǎn)動(dòng)作時(shí)間加上備自投裝置開(kāi)入量防抖時(shí)間和開(kāi)入量辨認(rèn)時(shí)間就是備自投裝置判斷閉鎖條件是否滿足的時(shí)間。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)計(jì)算保護(hù)裝置動(dòng)作后，備自投裝置采集到400V系統(tǒng)電壓、電流模擬量和收到保護(hù)閉鎖信號(hào)開(kāi)關(guān)量的時(shí)間。備自投裝置判斷結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 備自投裝置判斷結(jié)果

從表6可以看出，斷路器的分閘時(shí)間在25ms左右，考慮到保護(hù)動(dòng)作觸點(diǎn)的時(shí)間差，若備自投裝置開(kāi)入量防抖時(shí)間設(shè)置為20ms，則備自投裝置判斷備自投動(dòng)作條件和閉鎖條件的時(shí)間很接近，容易出現(xiàn)保護(hù)裝置動(dòng)作后，備自投裝置先判斷動(dòng)作條件滿足的情況，從而導(dǎo)致閉鎖不成功。將開(kāi)入量的防抖時(shí)間由20ms減少至10ms，縮短備自投裝置判斷閉鎖條件滿足的時(shí)間，就可以可靠避免這種情況發(fā)生，通過(guò)試驗(yàn)也驗(yàn)證了這個(gè)理論判斷。

4 結(jié)論

本文對(duì)某電站400V系統(tǒng)備自投裝置的工作原理和閉鎖邏輯進(jìn)行了分析，結(jié)合相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，判斷出備自投裝置的開(kāi)入信號(hào)防抖時(shí)間對(duì)備自投閉鎖功能的正確判斷有一定影響，必須要根據(jù)10kV或400V進(jìn)線開(kāi)關(guān)的分閘時(shí)間來(lái)合理設(shè)定備自投裝置的開(kāi)入信號(hào)防抖時(shí)間，才能保證開(kāi)關(guān)故障跳閘后正確閉鎖備自投裝置，防止備用電源合于故障點(diǎn)造成其他不利影響。

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Function improvement and experimental analysis of the back-up-switchover-unit

SUN Dagen

(CHN Energy Daduhe Pubugou Hydropower General Plant, Yaan, Sichuan 625304)

The back-up-switchover-unit can put the standby power supply into operation quickly after the working power supply is disconnected due to fault or other reasons. However, if the working power supply trips due to short circuit at the load end, the tripping signal of the power supply protection device shall block the action of the back-up-switchover-unit, otherwise the standby power supply will also be closed in the fault and lead to secondary damage. Based on the field test, this paper analyzes the problems existing in the locking function of the back-up-switchover-unit, and puts forward the corresponding solutions, which improves the reliability of the back-up-switchover-unit.

the back-up-switchover-unit; the locking function; test; analysis

2021-04-27

2021-05-11

孫大根（1986—），男，安徽桐城人，本科，工程師，主要從事水電站電氣專(zhuān)業(yè)管理工作。