程子瑋,王 磊,張衛(wèi)明,王 剛,蘇 燦

(1.國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院,河北 石家莊 050021;2.陜西國華錦界能源有限責(zé)任公司,陜西 榆林 719000)

發(fā)電廠的廠用電是否安全可靠直接關(guān)系到發(fā)電機(jī)組、電廠乃至整個(gè)電力系統(tǒng)能否安全運(yùn)行[1]。目前,發(fā)電廠廣泛配置廠用電快速切換裝置確保廠用電安全可靠,廠用電快切裝置可避免備用電源電壓與母線殘壓在相角、頻率相差過大時(shí)合閘而對電機(jī)造成沖擊,一般具備快速切換、同期切換、殘壓切換和長延時(shí)切換等功能,如失去快速切換的機(jī)會,則裝置自動轉(zhuǎn)為同期判別或判殘壓及長延時(shí)的慢速切換,以利于重要輔機(jī)的自啟動,保護(hù)重要輔機(jī)安全,提高切換的成功率[2]。

故障串聯(lián)切換是由發(fā)電機(jī)變壓器組、高壓廠用變壓器(簡稱“高廠變”)保護(hù)(或其他跳開工作電源開關(guān)的保護(hù))接點(diǎn)起動,先跳開工作(備用)電源開關(guān),在確認(rèn)工作(備用)電源開關(guān)已跳開且切換條件滿足時(shí),合上備用(工作)電源開關(guān)。故障串聯(lián)切換的切換模式按照時(shí)間順序依次為快速、同期判別、殘壓及長延時(shí)切換。快速切換不成功時(shí)自動轉(zhuǎn)入同期判別、殘壓及長延時(shí)切換[3]。

1 廠用電系統(tǒng)概況

1.1 廠用電運(yùn)行方式

該機(jī)組配置1臺70 MVA高廠變,高廠變電源由封閉母線“T”接至發(fā)電機(jī)出口,低壓側(cè)通過封閉母線分別與10 k V廠用A、B段母線相連。該機(jī)組和另一臺機(jī)組共同配置1臺70 MVA啟動備用變壓器(簡稱“啟備變”),啟備變高壓側(cè)電源取自500 k V升壓站3/2串間隔,低壓側(cè)通過封閉母線經(jīng)備用進(jìn)線開關(guān)與10 k V工作段母線相連。正常工作10 k V由高廠變供電,故障情況下切換至啟備變供電。廠用電系統(tǒng)接線示意如圖1所示。

圖1 廠用電系統(tǒng)接線示意

在進(jìn)行10 k V廠用A段切換試驗(yàn)前,10 k V廠用A段運(yùn)行的輔機(jī)只有空氣壓縮機(jī)(簡稱“空壓機(jī)”)A(350 k W)和漿液循環(huán)泵C(800 k W)2臺電機(jī),運(yùn)行電機(jī)總?cè)萘繛? 150 k W,其余電機(jī)類負(fù)荷全部運(yùn)行在10 k V廠用B段母線。

1.2 廠用電切換方式

該機(jī)組采用的廠用電切換裝置為WBKQ01C-D型微機(jī)廠用電快速切換裝置,可以實(shí)現(xiàn)各種情況(正常情況和故障情況)下單母雙進(jìn)線電源間的雙向切換功能,具備快速切換、同期捕捉切換、殘壓切換、長延時(shí)切換等功能[4]。

快速切換是最理想的一種切換方式,既能保證電動機(jī)安全,又不使電動機(jī)轉(zhuǎn)速下降太多。實(shí)現(xiàn)快速切換的條件為:母線側(cè)和待并側(cè)電源壓差小于“并聯(lián)切換壓差定值”,頻差小于“并聯(lián)切換頻差定值”,相差小于“并聯(lián)切換相差定值”。快速切換是速度最快的切換方式,切換全過程不超過100 ms,完全滿足系統(tǒng)對沖擊電流的要求,安全性好[5]。

同期切換又稱首次同相切換,即母線殘壓和備用電源電壓相對旋轉(zhuǎn)一圈又回到同期點(diǎn),這時(shí)角差為0°,幅值差較小,若在這一時(shí)刻合上備用電源,電氣設(shè)備受到的沖擊也較小,這種切換也稱為首次同期點(diǎn)切換。切換裝置根據(jù)采集的電壓可計(jì)算母線殘壓向量相對于備用電源電壓向量旋轉(zhuǎn)到第一個(gè)同期點(diǎn)的時(shí)間,并設(shè)定備用電源合閘的導(dǎo)前時(shí)間。同期切換沖擊電流比快速切換增大了許多,但還是在系統(tǒng)可接受的范圍內(nèi)[6]。

殘壓切換是快速切換和同期切換未成功,母線電壓衰減至20%～40%實(shí)現(xiàn)的切換,殘壓切換雖能保證電動機(jī)安全,但由于停電時(shí)間過長,電動機(jī)自啟動成功與否、自啟動時(shí)間等會受到較大限制,殘壓切換的實(shí)現(xiàn)條件為母線電壓小于“母線殘壓定值”[7]。

該機(jī)組進(jìn)行廠用電快速切換試驗(yàn)前,該裝置切換方式設(shè)定為手動并聯(lián)切換和故障串聯(lián)切換。故障串聯(lián)切換包括快速、同期判別、殘壓及長延時(shí)切換。快速切換不成功時(shí)自動轉(zhuǎn)入同期判別、殘壓及長延時(shí)切換。裝置設(shè)置定值信息如表1所示。

表1 裝置定值信息

2 故障過程分析

該機(jī)組故障串聯(lián)切換試驗(yàn)啟動命令發(fā)出后,結(jié)果顯示切換成功,但切換方式為殘壓切換,切換過程中廠用電10 k V電壓最低降至3 k V,鍋爐PC A段電壓也隨之降低(由400 V降至253 V),造成鍋爐等離子電源低電壓跳閘,導(dǎo)致機(jī)組停機(jī),此次切換快速切換裝置故障報(bào)告清單如表2所示。

表2 故障報(bào)告清單

3 故障原因分析處理措施

3.1 原因分析

通過對快速切換裝置動作報(bào)告及錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查分析,切換過程如下:快速切換裝置在保護(hù)跳閘指令發(fā)出38 ms時(shí)收到工作開關(guān)分位信號,此時(shí)備用電源電壓與母線電壓頻差為1.47 Hz,角差為7.62°,已不滿足快速切換的條件(頻差＜1 Hz,角差＜30°),快速切換未成功。根據(jù)錄波數(shù)據(jù)整理得到電氣量信息如表3所示,表中備用進(jìn)線電壓角度為備用進(jìn)線電壓與母線電壓角度的相對差值,1代表開關(guān)在閉合狀態(tài),0代表開關(guān)在斷開狀態(tài)。

表3 跳閘指令發(fā)出0 ms和38 ms時(shí)刻電氣量數(shù)據(jù)

由于快速切換未成功,同期切換開始判別合閘條件。在同期判別過程中,裝置計(jì)算出備用電源電壓與母線電壓之間相角差速度及加速度,按照設(shè)定的備用電源開關(guān)的合閘時(shí)間(開關(guān)合閘時(shí)間整定值為40 ms)計(jì)算得出合閘提前量。隨著備用進(jìn)線電壓與母線電壓相對運(yùn)動,兩者之間的角差先增大后減小,但頻差逐步增大,由表4可知,當(dāng)224 ms到達(dá)第1個(gè)同期臨近點(diǎn)時(shí)(角差17.46°),由于10 k V母線電壓頻率下降速度過快,此時(shí)頻差已達(dá)8.24 Hz,大于同期切換頻差定值5 Hz,同期切換也未成功。

表4 跳閘指令發(fā)出224 ms時(shí)刻和655 ms時(shí)刻電氣量數(shù)據(jù)

根據(jù)裝置切換邏輯,當(dāng)快速切換和同期切換均未成功,裝置轉(zhuǎn)入殘壓切換,在655 ms時(shí)母線電壓已衰減至29.91 V,此時(shí)殘壓切換動作,殘壓切換啟動成功。殘壓切換時(shí)鍋爐A層等離子模式投入,由于母線電壓最低降至額定電壓的30%,A層等離子電源低電壓保護(hù)動作跳閘,磨煤機(jī)出口門關(guān)閉,造成機(jī)組停機(jī)。

3.2 處理措施

通過故障原因分析可知,串聯(lián)切換啟動后,10 k V母線電壓幅值和頻率快速衰減,導(dǎo)致快速切換和同期切換未能成功動作,利用PSCAD電力系統(tǒng)仿真軟件對故障原因進(jìn)行仿真,提出了相關(guān)處理措施。

串聯(lián)切換時(shí)機(jī)組負(fù)荷為180 MW,10 k V廠用A段運(yùn)行的輔機(jī)只有空壓機(jī)A(350 k W)和漿液循環(huán)泵C(800 k W)2臺電機(jī),運(yùn)行電機(jī)總?cè)萘繛? 150 k W,2臺電機(jī)的技術(shù)參數(shù),見表5。

表5 廠用A段運(yùn)行輔機(jī)技術(shù)參數(shù)

根據(jù)故障切換前工況搭建仿真模型,在第5 s斷開工作電源開關(guān),得到母線電壓幅值和頻率下降曲線,如圖2和圖3所示。電動機(jī)啟動階段設(shè)置為轉(zhuǎn)速控制模式,暫態(tài)過程結(jié)束后換為轉(zhuǎn)矩控制模式。其中0～0.5 s為轉(zhuǎn)速控制模式,給定轉(zhuǎn)速標(biāo)幺值為0.98,0.5 s以后為轉(zhuǎn)矩控制模式。

圖2 實(shí)際運(yùn)行工況母線電壓下降仿真曲線

圖3 實(shí)際運(yùn)行工況母線頻率下降仿真曲線

由圖2和圖3可知,工作電源斷開后,母線電壓幅值和頻率快速下降,此時(shí)該機(jī)組除空壓機(jī)A和漿液循環(huán)泵C兩臺電機(jī)類輔機(jī)在A段運(yùn)行外,其余電機(jī)類輔機(jī)均在B段運(yùn)行。根據(jù)該電廠廠用電接線可知,除灰用空壓機(jī)共5臺,漿液循環(huán)泵共5臺,可在A段和B段母線切換運(yùn)行。本文通過仿真將5臺空壓機(jī)和5臺漿液循環(huán)泵全部運(yùn)行在A段,模擬工作電源斷開后母線電壓衰減情況,如圖4和圖5所示。

圖4 模擬運(yùn)行工況母線電壓下降仿真曲線

圖5 模擬運(yùn)行工況母線頻率下降仿真曲線

由圖2—圖5分析可知,提高母線所帶電機(jī)類負(fù)荷容量,母線電壓幅值和頻率衰減速度變慢,母線電壓衰減時(shí)間由1.02 s提高到1.15 s,母線頻率衰減時(shí)間由0.95 s提高到1.04 s;同時(shí)可知,同一運(yùn)行工況下,頻率衰減速度相對幅值衰減速度更快。

通過故障錄波數(shù)據(jù)和仿真分析驗(yàn)證,可知此次故障串聯(lián)切換未成功,是由以下因素導(dǎo)致。首先,在進(jìn)行10 k V廠用A段切換試驗(yàn)時(shí)該段所帶電機(jī)類負(fù)荷容量過小,故障切換時(shí)機(jī)組帶180 MW負(fù)荷,10 k V廠用A段運(yùn)行的輔機(jī)只有空壓機(jī)A(350 k W)和漿液循環(huán)泵C(800 k W)2臺電機(jī),電機(jī)類負(fù)荷容量過小造成母線殘壓維持能力弱,電壓幅值和頻率衰減快,頻率衰減速度相對幅值衰減速度更快[8];其次,快速切換頻差定值1 Hz,設(shè)定值偏小,快速切換裝置收到工作開關(guān)分位信號后頻差已達(dá)到1.47 Hz,超出快速切換動作定值范圍,導(dǎo)致快速切換無法動作;最后,在轉(zhuǎn)入同期切換后,同樣由于母線電壓頻率衰減速度過快,備用進(jìn)線電壓與母線電壓頻差快速增大,在臨近同期點(diǎn)時(shí)頻差已大于同期切換頻差定值,同期切換也未成功;最終殘壓切換動作,此時(shí)母線電壓最低降至額定電壓的30%,A層等離子電源低電壓保護(hù)動作跳閘,磨煤機(jī)出口門關(guān)閉,造成機(jī)組停運(yùn)。

針對以上問題,提出相應(yīng)處理措施:在廠用電切換試驗(yàn)前對10 k V廠用A、B兩段運(yùn)行負(fù)荷進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,增加A段電機(jī)類負(fù)荷運(yùn)行容量,降低母線失電時(shí)母線電壓幅值和頻率的衰減速度,提高快速切換的成功率;母線電壓的頻率衰減速度過快是導(dǎo)致此次故障的主要原因,建議將快速切換頻差定值由1 Hz改為1.5 Hz,在保證設(shè)備安全的前提下提高快速切換成功率。

4 結(jié)束語

發(fā)電廠的廠用電切換問題是關(guān)系到發(fā)電廠主設(shè)備安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行的重大問題,同時(shí)也影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。通過對某機(jī)組廠用電串聯(lián)切換失敗故障進(jìn)行分析和仿真驗(yàn)證,總結(jié)切換失敗的原因,提出了相應(yīng)處理措施和改進(jìn)建議,有效避免廠用電故障切換不成功導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn),有助于發(fā)電廠及整個(gè)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。