李 洲 方子朝 令彤彤 曹璐瑤 頓小寶

某電廠單母分段接線方式廠用電快速切換系統(tǒng)存在的問題及改進(jìn)措施

李 洲1方子朝2令彤彤2曹璐瑤1頓小寶2

（1. 西安益通熱工技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司，西安 710061；2. 西安熱工研究院有限公司，西安 710061）

本文介紹某國外二拖一聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠應(yīng)用的一種特殊廠用電接線形式，分析該種接線方式下原有廠用電快速切換系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)廠用電安全、快速切換的原因，并從設(shè)計(jì)、保護(hù)配置及二次回路方面加以改進(jìn)，通過實(shí)際的切換試驗(yàn)驗(yàn)證改進(jìn)方案的可行性。

廠用電；快切；主接線；聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠（CCPP）

0 引言

某歐洲東部新建項(xiàng)目為一套6F級(jí)二拖一燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組，一期工程包括兩臺(tái)安塞爾多AE64.3A燃機(jī)、兩臺(tái)燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)、兩臺(tái)自然循環(huán)臥式余熱鍋爐和一臺(tái)蒸汽輪發(fā)電機(jī)，燃機(jī)與汽機(jī)不同軸，聯(lián)合循環(huán)設(shè)計(jì)工況出力160MW。廠內(nèi)2號(hào)燃機(jī)通過2號(hào)主變（2號(hào)GT）與電網(wǎng)相連，1號(hào)燃機(jī)與汽機(jī)連接于1號(hào)主變（1號(hào)GT）低壓側(cè)兩個(gè)分裂繞組，通過主變與系統(tǒng)相連。發(fā)電機(jī)與主變之間均設(shè)有發(fā)電機(jī)斷路器。主變低壓側(cè)額定電壓為11kV，經(jīng)過T接于主變低壓側(cè)和發(fā)電機(jī)斷路器之間封閉母線的電抗器將電源送至11kV母線，再經(jīng)過高壓廠用變壓器（AT）將電源送至6.3kV母線，為三臺(tái)發(fā)電機(jī)提供起動(dòng)電源。

中壓廠用電系統(tǒng)如圖1所示，廠用電接線方式采用單母分段方式，11kV及6.3kV母線均為兩段配置，兩段11kV母線相互獨(dú)立，兩段6.3kV母線之間設(shè)有母聯(lián)斷路器CB5，正常運(yùn)行時(shí)為熱備用狀態(tài)，當(dāng)任意一臺(tái)主變或高壓廠用變壓器停電時(shí)，母聯(lián)斷路器CB5應(yīng)能通過快切裝置快速合閘，以滿足兩段6.3kV母線不失電或者短時(shí)失電的要求，之后由正常運(yùn)行的主變和高壓廠用變壓器給三臺(tái)機(jī)組的廠用負(fù)荷提供電源。對(duì)于廠用電快速切換系統(tǒng)來說，斷路器CB2和斷路器CB4均為工作電源斷路器，而母聯(lián)斷路器CB5則是備用電源斷路器，因此，該項(xiàng)目的廠用電快速切換系統(tǒng)要求所采用的快切裝置應(yīng)具備能夠同時(shí)控制三臺(tái)斷路器的功能[1-5]，也可稱之為三電源切換[6]。

圖1 中壓廠用電系統(tǒng)

該項(xiàng)目初始設(shè)計(jì)為配置一臺(tái)雙電源快速切換裝置，如圖2所示，控制對(duì)象只有兩個(gè)斷路器，CB1和CB2，顯然初始設(shè)計(jì)忽略了母聯(lián)斷路器的影響，不能滿足該項(xiàng)目對(duì)兩臺(tái)機(jī)廠用電通過母聯(lián)斷路器相互備用的要求。通過查閱國產(chǎn)主流快切裝置的原理說明發(fā)現(xiàn)，快切裝置的應(yīng)用場(chǎng)合均為圖2所示的接線方式，類似圖1所示的單母分段主接線方式需通過備自投裝置來實(shí)現(xiàn)電源的相互備用，而備自投裝置的動(dòng)作時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于快切裝置，且無快切裝置所具備的同期捕捉、殘壓切換等功能，一般用于低壓配電系統(tǒng)且對(duì)切換速度要求不太嚴(yán)格的場(chǎng)合。

圖2 快切裝置典型適用主接線

本文通過對(duì)比兩種廠用電接線方式的不同，綜合考慮快切裝置和備自投裝置切換功能的特點(diǎn)，提出用兩臺(tái)快切裝置共同作用來滿足同時(shí)控制三個(gè)斷路器的方案，下面從不同方面來說明初始設(shè)計(jì)的不足之處，并提出完善措施。通過試驗(yàn)驗(yàn)證及投運(yùn)后的動(dòng)作情況來看，該方案是可行的。

1 原廠用電快速切換系統(tǒng)存在的問題

1.1 裝置配置方面

該項(xiàng)目廠用電快切裝置選型為SID—8BT—A，根據(jù)文獻(xiàn)[7-8]可知，其典型控制原理如圖2所示，比較圖1與圖2兩種不同的廠用電接線形式可見，圖2接線方式中快切裝置的控制對(duì)象只有兩臺(tái)斷路器，是兩臺(tái)斷路器之間的切換；而圖1接線方式中快切裝置的控制對(duì)象為三臺(tái)斷路器，需要實(shí)現(xiàn)三臺(tái)斷路器之間的“三取二關(guān)系”，常規(guī)的快切裝置是無法實(shí)現(xiàn)的。因此，快切裝置的選型不合適。

1.2 保護(hù)配置方面

該項(xiàng)目對(duì)于高壓廠用變壓器高壓側(cè)保護(hù)裝置的選型為西門子保護(hù)裝置7UT85，安裝于高壓側(cè)斷路器CB1開關(guān)柜上，保護(hù)配置有過電流保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)、低壓側(cè)零序保護(hù)、差動(dòng)保護(hù)及非電量保護(hù)。變壓器低壓側(cè)保護(hù)裝置選型為7SJ8021，安裝于低壓側(cè)斷路器CB2開關(guān)柜上，僅配置有電流速斷保護(hù)和復(fù)壓過電流保護(hù)。對(duì)于廠用變壓器高壓側(cè)保護(hù)來說，過電流保護(hù)、差動(dòng)保護(hù)，以及設(shè)在7UT85里的低壓側(cè)零序Ⅱ段保護(hù)均應(yīng)有“啟動(dòng)切換”的功能，零序Ⅰ段應(yīng)具有“閉鎖切換”的功能[9]。對(duì)于其低壓側(cè)保護(hù)來說，不管是速斷保護(hù)還是過電流保護(hù)均應(yīng)具有“閉鎖切換”的功能，不需要“啟動(dòng)切換”功能。因此，原設(shè)計(jì)高壓側(cè)保護(hù)動(dòng)作后只有“啟動(dòng)切換”而沒有“閉鎖切換”的功能是不合理的。

主變不僅要將發(fā)出的電能輸送至電網(wǎng)，同時(shí)還擔(dān)負(fù)著為廠內(nèi)提供廠用工作電源的職責(zé)，任意一臺(tái)主變跳閘都將造成本臺(tái)機(jī)組的廠用電失去，所以主變保護(hù)動(dòng)作跳閘的同時(shí)應(yīng)提供“啟動(dòng)切換”的命 令[10-11]，以使快切裝置快速動(dòng)作，將失電的6.3kV段切換至另一段供電。因此主變保護(hù)未設(shè)計(jì)啟動(dòng)快切的信號(hào)，同樣是不合理的。發(fā)電機(jī)保護(hù)動(dòng)作后通過跳開發(fā)電機(jī)出口開關(guān)即可切除故障，不影響廠用電，因此發(fā)電機(jī)保護(hù)不必配置啟動(dòng)快切的信號(hào)。

母聯(lián)斷路器CB5作為備用電源斷路器，其保護(hù)配置了速斷保護(hù)和過電流保護(hù)兩種，均帶有延時(shí)。當(dāng)某一工作電源失電并成功啟動(dòng)快切裝置動(dòng)作時(shí)，備用電源將自動(dòng)投入，即CB5由快切裝置發(fā)出合閘命令，若此時(shí)故障未切除，也即備用電源投于故障母線，則備用電源的保護(hù)應(yīng)無延時(shí)加速跳閘，這就需要備用電源保護(hù)要有收到快切裝置發(fā)出的“啟動(dòng)后加速”信號(hào)且備用電源保護(hù)動(dòng)作時(shí)，自動(dòng)取消保護(hù)延時(shí)的功能。由此可見，備用電源保護(hù)未配置此功能也是不合理的。

1.3 二次回路方面

通過上述保護(hù)配置的分析可知，在廠用電快速切換系統(tǒng)的二次回路方面，至少存在以下幾點(diǎn)不足之處：

1）缺少廠用變壓器高壓側(cè)保護(hù)7UT85動(dòng)作后閉鎖快切裝置動(dòng)作的回路。

2）缺少主變保護(hù)動(dòng)作后啟動(dòng)快切裝置動(dòng)作的回路。

3）快切裝置缺少啟動(dòng)備用電源保護(hù)加速跳閘功能的回路。

2 改進(jìn)措施

2.1 裝置配置方案優(yōu)化選擇

鑒于該項(xiàng)目廠用電接線形式的特殊性，可實(shí)施的方案有三種。

方案一：更換設(shè)備。國產(chǎn)常規(guī)的廠用電快速切換裝置均適用于圖2所示的主接線形式，即控制對(duì)象為兩臺(tái)斷路器，而備自投裝置可以控制三臺(tái)斷路器，且適用于單母分段接線方式，但備自投切換時(shí)間長，原理簡單，不具備快速切換、同期捕捉切換等功能，因此通過更換不同型號(hào)的設(shè)備不能滿足要求。

方案二：更換設(shè)備程序。國產(chǎn)的微機(jī)自動(dòng)裝置，內(nèi)部邏輯基本是由硬件搭建而成，若要更換程序版本，就需要更換硬件板卡，從國內(nèi)發(fā)貨時(shí)間太久。另外即使更換了板卡，其對(duì)應(yīng)的開入和開出信號(hào)勢(shì)必要變更和增加，盤柜內(nèi)部走線也要重新設(shè)計(jì)，在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)難以實(shí)現(xiàn)。

方案三：增加一臺(tái)快切裝置，每臺(tái)快切裝置控制兩臺(tái)斷路器，備用電源斷路器CB5由兩臺(tái)快切裝置共同控制。該方案通過增加一臺(tái)快切裝置，使每臺(tái)裝置只控制一個(gè)工作電源斷路器和母聯(lián)斷路器來實(shí)現(xiàn)兩段6.3kV母線的相互備用。即當(dāng)圖1中1號(hào)機(jī)6.3kV母線失電時(shí)，快切裝置K1（將兩臺(tái)快切裝置命名為K1、K2）動(dòng)作，跳開工作電源斷路器CB2，并合上備用電源斷路器CB5。反之，若2號(hào)機(jī)6.3kV母線失電，快切裝置K2動(dòng)作，跳開工作電源斷路器CB4，并合上備用電源斷路器CB5。項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)僅需考慮增加新增快切裝置的二次回路，并對(duì)快切盤柜內(nèi)部回路按照原有回路進(jìn)行改造即可完成，無需考慮對(duì)原有快切裝置功能及二次回路的影響，便于執(zhí)行，因此采用此方案。

2.2 保護(hù)啟動(dòng)切換功能的優(yōu)化

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求及上述分析，高壓廠用變壓器分支零序保護(hù)Ⅰ段保護(hù)動(dòng)作后要閉鎖快切裝置動(dòng)作，因此對(duì)高壓廠用變壓器高壓側(cè)保護(hù)7UT85的內(nèi)部邏輯進(jìn)行再次配置，增加“閉鎖快切動(dòng)作”出口，并將其對(duì)應(yīng)的接線端子接引至端子排。

常規(guī)國產(chǎn)的主變壓器保護(hù)裝置基本都包括主變和廠用變壓器的保護(hù)項(xiàng)目，因此，只需要在一處設(shè)計(jì)一個(gè)保護(hù)動(dòng)作后的“啟動(dòng)快切”信號(hào)，這也是集中式理念保護(hù)裝置的優(yōu)點(diǎn)之一。而西門子保護(hù)設(shè)計(jì)的理念剛好相反，為分散式，即廠用變壓器的保護(hù)裝置僅保護(hù)廠變，主變壓器的保護(hù)只保護(hù)主變，造成主變保護(hù)遺漏“啟動(dòng)快切動(dòng)作”的出口設(shè)計(jì)，因此要對(duì)主變保護(hù)的內(nèi)部邏輯進(jìn)行修改，增加“保護(hù)啟動(dòng)切換”出口，并將其對(duì)應(yīng)的接線端子接引至端子排。

對(duì)備用電源，即6.3kV母聯(lián)斷路器保護(hù)而言，同樣需要增加保護(hù)邏輯?？烨醒b置啟動(dòng)切換的同時(shí)，會(huì)送出一個(gè)動(dòng)作信號(hào)，該信號(hào)用于取消母聯(lián)斷路器速斷保護(hù)和過電流保護(hù)的延時(shí)，所以，母聯(lián)斷路器的保護(hù)裝置要增加兩個(gè)開入信號(hào)通道，即“啟動(dòng)后加速”。此處的功能缺失同樣是由將快切裝置應(yīng)用于單母分段接線方式而造成的。

2.3 二次回路

綜合上述優(yōu)化改進(jìn)措施，廠用電快速切換系統(tǒng)接入信號(hào)匯總見表1。

表1 優(yōu)化后快切裝置信號(hào)

（續(xù)表1）

3 方案驗(yàn)證

2021年11月22日，2號(hào)燃機(jī)在試驗(yàn)期間手動(dòng)解列時(shí)，由于燃機(jī)發(fā)電機(jī)保護(hù)未將跳11kV進(jìn)線斷路器的邏輯解除而造成誤跳11kV進(jìn)線斷路器，造成2號(hào)機(jī)廠用電源失去，快切動(dòng)作波形如圖3所示。

從圖3可看出，本次廠用電實(shí)現(xiàn)電源切換的方式是失電壓啟動(dòng)殘壓切換，這是因?yàn)槿紮C(jī)發(fā)電機(jī)保護(hù)動(dòng)作誤跳11kV母線進(jìn)線斷路器，而發(fā)電機(jī)保護(hù)不會(huì)啟動(dòng)快切裝置，且此時(shí)主變保護(hù)及高壓廠用變壓器保護(hù)均無動(dòng)作信號(hào)，因此快切裝置只有進(jìn)入失電壓啟動(dòng)的方式。

圖3 K1失電壓啟動(dòng)切換波形

4 結(jié)論

本文對(duì)現(xiàn)有廠用電快切系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行較為全面的優(yōu)化改進(jìn)，在一年多的運(yùn)行中，經(jīng)歷了手動(dòng)并聯(lián)啟動(dòng)切換、失電壓啟動(dòng)切換和保護(hù)啟動(dòng)切換等實(shí)際工況的驗(yàn)證，充分證明了本次優(yōu)化改造的正確性。發(fā)電廠正常工作廠用電源能否在故障情況下成功切換至備用電源，保證重要輔機(jī)不停電，直接關(guān)系到發(fā)電廠主設(shè)備的安全運(yùn)行，因此快切裝置動(dòng)作的可靠性與合理性至關(guān)重要。目前國內(nèi)快切裝置的應(yīng)用已非常廣泛和成熟，但應(yīng)用于圖1所示廠用電接線方式的案例不常見，該項(xiàng)目優(yōu)化改造的成功，具有一定的工程參考意義。

[1] 曹禎, 董桂成, 朱慶海, 等. 快速切換裝置在石化行業(yè)應(yīng)用存在的問題及解決方案[J]. 電氣技術(shù), 2021, 22(6): 111-112.

[2] 周新強(qiáng), 李鋼. 母聯(lián)自投和快切裝置優(yōu)化應(yīng)用[J]. 電工技術(shù), 2020(9): 85-86.

[3] 高子波. 快速快切裝置替代備自投的應(yīng)用[J]. 工業(yè)技術(shù), 2016(13): 62-63.

[4] 王連輝. 一起10kV備自投保護(hù)誤動(dòng)的分析[J]. 電氣技術(shù), 2009, 10(4): 83.

[5] 王慧. 微機(jī)快速切換裝置在單母線分段系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 電世界, 2019(3): 15-16.

[6] 牛利濤, 郭小勤, 呂健, 等. 燃?xì)夥植际侥茉措娬緩S用電快切系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 電氣時(shí)代, 2020(4): 16-17.

[7] SID—8BT—A型備用電源快速切換裝置中文技術(shù)說明書[Z]. 國立智能, 2013.

[8] 劉耀丹, 徐興華, 陳世元. 一起特殊事故對(duì)SID-8BT快切裝置的考驗(yàn)分析[J]. 寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào), 2009, 13(2): 9-10.

[9] 廠用電繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則: DL/T 1502—2016[S].北京: 中國電力出版社, 2016.

[10] 李志強(qiáng), 楊育峰, 同戰(zhàn)峰. 某廠無擾動(dòng)快切裝置動(dòng)作失敗的原因分析[J]. 電氣技術(shù), 2018, 19(10): 100- 101.

[11] 葉朋珍, 鄭文, 濮浩東. 快切閉鎖導(dǎo)致廠用電中斷事故分析及處理[J]. 電力安全技術(shù), 2016, 18(1): 18-19.

Problems and improvement measures of fast switching system for the auxiliary power in power plant with single bus with subsection connection

LI Zhou1FANG Zichao2LING Tongtong2CAO Luyao1DUN Xiaobao2

(1. Xi’an YiTong Thermal Power Technology Service Co., Ltd, Xi’an 710061;2. Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd, Xi’an 710061)

This paper introduces a main wiring form applied to the auxiliary power system of combined cycle power plant (CCPP), and analyzes the reasons why the original fast-switching system for the auxiliary power cannot achieve safe and fast switching under this wiring method. The design, protection configuration and secondary circuit are improved, and the feasibility of the improved scheme is verified through the actual test.

auxiliary power; fast switching; main wiring form; combined cycle power plant (CCPP)

2022-02-11

2022-03-09

李 洲（1984—），男，河南省鶴壁市人，本科，工程師，主要從事電站設(shè)備調(diào)試及發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)調(diào)試工作。