（电力系统及其自动化专业论文）备用电源切换机理及相关问题的研究.pdf

东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t k e e p i n gv o l t a g es t a b i l i t yi sv e r yi m p o r t a n tt ot h es a f e t ya n dc o n f i d e n c eo ft h ep o w e rs y s t e m a l m o s t a l lt h el o a d so fg r e a ti m p o r t a n c ei np o w e r p l a n t sa n ds u b s t a t i o n sa r ee q u i p p e dw i t hs t a n d b yp o w e rs o u r o e t h eh i g h - s p e e dt r a n s f e rb e t w e e nw o r k i n gp o w e rs o u r c ea n ds t a n d b yp o w e rs o u r c 宅h a st h e r e f o r eo f f e r e d e f f e c t i v et e c h n i c a lg u a r a n t e et ot h er e l i a b i l i t ya n ds a f e t yo ft h ep o w e rs u p p l y d i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c s c o n c e r n i n gw a y so fs t a r t - u pa n do p e r a t i n gc o n d i t i o n si np o w e rp l a n t sa n di n d u s t r i a le n t e r p r i s e sg i v er i s et o d i f f e r e n c e si nd e s i g n i n gt h ef a s t - s w i t c h i n gd e v i c e si m p l e m e n t e di nt h e m t h es w i t c h i n go fp o w e rs o u r c ei sac o m p l e xe l e c t r o m e c h a n i c a ld y n a m i cc h a n g i n gp r o c e s s t h e i m p r o p e rs w i t c h i n go fp o w e rs o u r c ew i l lc a n s cp o w e r f u le l e c t r i c a la n dm e c h a n i c a li m p a c t ，w h i c hw i l lb e m o r es e r i o u sw h e nm o t o r - c r o w di n p u ta g a i n n o w , i ti st h ef o u n d a t i o n a lp r o b l e mt oc o m p l e t es w i t c h i n g u n d e ra c c u r a t es w i t c ht i m e ，a p p r o p r i a t ew a ya n dt h em o s tf a v o u r a b l et i m e ，w h i c hi se s s e n t i a lt os o l v e t h i sp a p e rp r o v i d e sd e t a i l e da n a l y s i sc o n c e r n i n gt h es w i t c h - m o d ep r i n c i p l e so fb u sr e s i d u a lv o l t a g e f o rt h ef a s t s w i t c h i n gd e v i c eb a s e do ni l l u s t r a t i o n so fi t ss w i t c h i n gm e t h o d sa n dd e s i g np r i n c i p l e b a s e do n a n a l y s i so f p o w e rs y s t e mo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c si ni n d u s t r i a le n t e r p r i s e s ，p r o g r a m so f c o n v e r t i n gs t a n d b y p o w e rs o u r c ei n t of a s ts w i t c ha r ef o r w a r d e da n das p e c i a lf a s ts w i t c h i n gd e v i c ei 3d e s i g n e di nt h e p e t r o c h e m i c a li n d u s t r y , w h i c hm a yh e l ps o l v et h ep o s s i b l ep r o b l e m sa n dm e e td e m a n d so fc u s t o m e r s a f t e r c o m p a r i s o no ff a s ts w i t c h i n gb e t w e e np e t r o c h e m i c a li n d m t r ya n dp o w e rp l a n t ，as e r i 髓o fc o m b i n e d s i m u l a t i o nr e s u l t so nr t d sh a v er e v e a l e dt h ef e a s i b i l i t ya n da d v a n t a g eo ff a s ts w i t c h i n gd e v i c ei n p e t r o c h e m i c a li n d u s t r y k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e m ，s t a n d b yp o w e rs o u r c e , p o w e rs o u r c es w i t c h i n g ，f a s ts w i s h i n g ，p e t r o c h e m i c a l i n d u s t r y h 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 签名：继兰鱼日期：兰望：堡 东南大学学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生 院办理。 签名：弛臌名：钕伟嗍沙 廖 第一章绪论 1 1 本课题研究的目的和意义 第一章绪论 作为现代社会的一个关键部门，电力系统在工农业生产、交通运输、商业和人民生活各个方面 起着至关重要的作用。在电力系统运行中，保持电力系统的稳定性和可靠性是其重要的任务，系统 稳定破坏可能导致系统瓦解和大面积停电等灾难性事故，给社会带来巨大的损失。因此，保持对电 力系统运行的稳定性，对于电力系统安全可靠的运行具有非常重要的意义。 备用电源自动投入装置就是当工作电源冈故断开以后，能自动而迅速地将备用电源投入从而使 用户不致于被停电的一种自动装置，简称备自投。备自投可以有效地提高供电的可靠性，并且使环 网可以开环运行，变压器可解列运行，从而简化继电保护。在发电厂中，各自投用于投入厂用电备 用电源、备用变压器、备用线路及重要电动机的自动投入；在变电站中，变电站的分段母线上可以 由彼此无联系的线路或变压器供电，通过备自投装置，在主电源跳闸后，可以转由备用电源供电， 使用户重新得到供电。 备用电源自动投入装置主要应用于1 1 0 k v 以下的中、低压配电系统中。其接线方案主要有三种： 低压母线分段断路器自动投入：内桥断路器的自动投入；线路备用自动投入。备用电源投入装置须 校验备用电源和备用设备投入时过负荷的情况以及电动机自起动情况，如过负荷超过允许限度，或 不能保证电动机自起动时，应有自动投入装置动作于自动减负荷。 当备用电源自动投入装置动作时，往往是由于电网运行中已经发生了永久性故障、人员误操作 或一二次设备不正确动作等严重情况。在这种情况下，备自投装置如果仍不能可靠动作，必将导致 停电事故或停电范围的扩大，所以在系统发生故障或事故的情况下，要坚决防止有备用电源自投装 置拒动而导致停电事故或停电范围扩大。 虽然备自投装置可增加供电的可靠性，但如果设置不当，可能导致严重的后果：轻者导致备自 投不成功，失去电源的设备不能进入稳定运行状态；重者甚至还导致提供备用电源的电网随故障电 网一起崩溃。因此对备用电源自动投入时电网的动态过程进行分析并提出保证安全的控制方法具有 重要的理论意义和工程实用价值。 发电厂中，厂用电系统的安全可靠关系到机组、电厂乃至整个系统的安全运行，而厂用电切换 则是厂用电安全可靠的重要部分。厂用电系统的任何故障都会影响电能的正常生产，严重的还会导 致电厂出力的下降，甚至会迫使全厂停电，中断对电力系统的供电，这对不允许停止供电的重要用 户来说，是个严重的威胁。厂用电是发电厂中最重要的负荷，厂用电工作的可靠性在很大程度上决 定着整个电厂的安全发电i l j 。 随着大型机组的迅速发展，一方面厂用高压电动机的容量和数量增加了很多，由于大容量电动 机在断电后电压衰减较慢，母线上在一定长度时间内都会存在残压且残压的幅值也很大。若此时重 新接通电源，起动备用变压器和电动机将有可能受到严重冲击而损坏，或者冈冲击电流过大而引起 保护动作再次跳开备用电源，使切换失败；若待残压衰减到一定幅值( 2 0 4 0 u ) 后再投入备用电 源，则由于断电时间过长，母线电压和电动机的转速都下降很大，将严重影响锅炉运行工况，甚至 被迫停机停炉。另一方面多数机组采用了机、炉、电单元集控方式，厂用电切换的安全性、可靠性 对整个机组乃至整个电厂运行的安全、可靠性有着相当重要的影响【2 3 】。 厂用电切换过程是一个复杂的机电动态过程，特别在事故切换过程中，电流、电压、频率( 滑差) 、 相角、电动机转矩等将发生快速变化 4 1 。如果切换设备不具备实时响应这些瞬变参最的能力，将造 成切换失败或设备损坏。所以，有必要深入研究厂用电切换暂态过程，改进厂用电切换方式，应用 功能更加强大，原理、算法更为完善，性能更为可靠稳定的厂用电切换装置，从根本上解决厂用电 切换存在的问题，实现安全、经济、有效的电源切换操作。 东南大学硕士学位论文 在石化、冶金等大中型工业企业或者变电站中，由于外部电力系统原因，如故障( 雷击、短路 等) 、异常( 低频振荡等) 、运行方式变化( 机组线路检修、停运等) 等，往往会直接或问接地影响 工业企业内部或者变电站供电系统的正常运行；在工业企业和变电站内部，由于总降、各级变配电 所主设备( 如变压器、母线等) 发生故障，或负载( 如电动机) 网路发生故障，也会对内部供电系 统造成局部或整体的影响。由于外部或内部的原因，造成非正常停电、电压大幅波动或短时断电( 俗 称“晃电”) 的情况屡见不鲜。由于冶金、石化企业工艺流程的特殊性，供电的中断或异常往往会导 致严重的后果，造成设备停运、工艺流程中断、大量废料废品，甚至生产设备的报废。因此对于在 工业企业变电站系统中，如何减小电源切换时电动机再起动的冲击电流问题应加以重视。 工业企业备自投装置存在的主要问题是其动作时间长，造成这种情况的主要原因有二：一是装 置启动太迟；二是装置启动后将备用电源投入的时间太长。追根溯源，工业企业总降和中低压变电 站目前使用的备自投装置几乎百分之百套用电网变电站的备自投装置工作原理，并没有针对工业企 业的需求和技术特点进行原理、功能、性能的专门性设计和开发。例如：在起动条件上，采用失压、 工作电源跳闸，没有考虑把有关的保护动作条件作为起动条件以缩短起动时间；在合闸( 合备用电 源) 条件上，采用延时和低电压检定，没有采用先进的母线电压、频率、相位实时跟踪技术，实现 “快速切换”。尤其对于石化、钢铁等企业，由于存在人量的感应电动机，母线失压后电动机惰行， 反馈电压下降较慢，为了避免备用电源合上时由于反相或相位差大造成大的冲击电流，备自投装置 往往设定较长的延时和较小的低电压定值。 由于工业企业的供电可靠性问题来自多个方面，要解决这些问题，也需要从多个方面着手。除 了在一次系统和设备上进行投资外，还需要在二次系统的安全自动装置、继电保护装置、测控装置 及监控系统等方面，进行针对性的技术创新、设计和产品更新换代。针对外部系统电源及内部系统 电源，需要解决电源快速切换问题，以新型的快速切换装置更新换代现有的线路备自投，为了保障 快速切换装置的实片j 化，需要从保护配置、保护与快切装置的接口、快切装置的自身功能性能等多 方面着手，实现快切装置启动的快速性、切换的快速性。针对内部系统故障问题，需要从保护配置、 保护功能性能、定值整定等多方面进行分析设计，进行必要的产品更新换代，提高保护的可靠性、 选择性、速动性，把故障带来的影响减到最小。 1 2 国内外对本课题的研究情况 在备用电源切换方面，国内外都是经历了从备用电源自动投入装置到备用电源快速切换装置两 个阶段，这既是由于人们对厂用电源切换特殊性认识加深的结果，又是由于电力电子快速发展的结 果p 】。各用电源自动投入装置的关键在于备用电源投入时的快速切换技术，备用电源自动投入装置 发展至今从最初的低压切换，经过同期捕捉切换，到目前的快速切换。究其本质区别，主要在于切 换判据的不同。 随着对发电厂厂用电系统安全可靠性的不断重视，国内已经开展了大型火力发电厂厂用电切换 动态过程的机理和快速切换装置设计方面的研究工作。理论方面，清华大学的高景德教授在8 0 年代 提出了单台异步电动机及电动机群在重投入中过渡过程的数值计算方法1 6 j ；哈尔滨理工大学的汤蕴 缪教授提出了异步电机断电重投暂态过程的动态分析法【_ 7 】；天津大学的余贻鑫教授开发出了研究电 动机群在厂用电母线切换过程中的动态软件仿真包嗍；阿城继电器厂的晏国华提出了厂用电切换的 向量分析方法1 9 ；武汉大学的叶念国教授对快速切换装置的功能进行了重新定位【1 0 】等等。装置设计 方面，中国电力科学院、南京电力自动化研究院、南京电力自动化设备总厂、江苏金智科技股份有 限公司等科研院所和生产厂家都相继推出了自己的产品。 国外在2 0 世纪5 0 年代后期就己经开始采用快速切换方式，装置现已基本实现微机化，较好的 解决了厂用电源在切换过程中对大型锅炉运行工况的稳定性及对旋转负载的冲击影响。考虑到机组 的负载特性，一般国外的观点认为2 0 0 m w 以上的机组需采用快速切换装置。与国外相比，我国在 这方面的研究和应用起步较晚，以往国内广泛采用的是备用电源自动投入方式。各自投装置一般是 2 第一章绪论 用工作电源辅助接点直接( 或经低压继电器、延时继电器) 起动备用电源投入。当时6 k v 电源开关 多为少油开关，这种方式无相频检测，厂用电切换成功率低或切换时间长，电动机及起动备用变压 器易受冲击损坏或绝缘老化缩短使用寿命。直到2 0 世纪9 0 年代后期才逐步开始研究和选用快速切 换装置。随着真空和s f 6 开关的j “泛应用，开关开断和闭合速度已经能够满足快速切换的要求，并 且随着机组容量的不断增大，人们逐渐意识到了切换安全的重要性，采用快速切换装置已无容置疑， 现在当务之需是研制更为先进、可靠、经济的快速切换装置i l 。目前国内厂家开发的快速切换装置， 无论是设计原理还是系统平台还有许多值得改进的地方。众多厂家采用的切换方式判据原理还存在 不合理之处，对于现有装置有的功能不完善，有的通讯方式单一，速度慢，可靠性、抗干扰能力差。 由于硬件条件的限制，普遍存在处理速度慢，计算精度差等缺陷。这些缺陷使得现有装置不能很好 的满足现场的需求，特别是绝大多数电厂开始采用分布式集散控制系统( d c s ) ，对现场的自动安全 装置提出了更高的要求。因此，有必要开发研制基于全新平台的功能更为强大的新型快速切换装置。 通过对一些电厂的调查表明，现场对快速切换装置的需求十分强烈，这说明功能强大、设计合理的 快速切换装置在电厂中有着巨大的市场前景。目前，我国生产的厂用电系统快切装置已能很好的满 足切换技术要求。 而在石化、钢铁等工业企业变电站中，长期以来，当母线工作电源失电后，主要采用备白投装 置投入备用电源以保证供电。备自投的启动条件是失压，或频率降低、角差满足条件。传统的备自 投切换成功率高，但也存在明显不足，主要表现为切换的延时较长，其目的也是为了保证电源切换 的安全性。由于不同级的6 k v 上所带的负荷不同，其断电时的残压衰减时间不同，负荷越大残压衰 减越慢，则备自投投入备用电源的时间越长，6 k v 上的高压电动机跳闸的机率越大，以上情况很容 易造成大面积停产。在石化行业中，6 k v ( 1 0 k v ) 母线的备自投，通常设定的延时为o 8 1 5 s 。 此时，部分电动机已经被切除，即使没被切除的电机，其电压和转速已经有很大下降，此时切换到 另外一侧母线，需要相对较长的时间才能恢复正常运行，对一些石化产品的生产造成不利影响，甚 至发生过因各自投工作较慢，加上人为操作不及时造成事故扩大，引起重大损失的案例。因此，随 着科学技术的发展，在工业企业中，我们要研究快速切换装置代替备自投的可行性，而在技术上则 迫切需要一种既能在0 秒级快速切换，又能避免合闸冲击的备用电源快速切换装置应用于工业企业 系统中，来克服传统的备自投装置带来的切换延时长的问题，以保证石化行业的安全连续性生产。 1 3 本课题的主要研究工作及解决的问题 本论文是在研究目前应用较为成熟的厂用电系统电源切换机理的基础上，通过对工业企业中电 源切换过程中存在的问题及注意的事项，提出了用快速切换装置代替备自投的可行性研究。 本文完成的主要工作有： 1 分析目前应用较为成熟的电厂厂用电系统电源切换的原理及实现方式。 2 介绍了目前工业企业中备自投的应用情况，通过分析工业企业电源切换存在的问题及应注 意的事项，提出了备白投问题的解决方案，并且比较了电厂与变电站电源切换的异同。 3 在现有的较为成熟的厂用电源快速切换装置的基础上，通过对软件程序的修改，研制了适 用于工业企业电源切换的快切装置，并简要介绍了其主要的功能。 4 结合动模试验，通过分析现场数据，得出在工业企业中备自投改造为快速切换装置是可行 的结论。 3 东南大学硕士学位论文 第二章厂用电切换的原理及实现方式 本章首先探讨电源切换的第一个典型应用一厂用电系统电源切换。厂用电是发电厂中最重要的 负荷。厂用电工作的可靠性在很大程度上决定着整个电厂的安全发电，因此，如何保证对厂用电高 度的供电可靠性和不间断性具有十分重要的意义 1 2 1 。随着大容量机组的不断出现，厂用电容量也在 不断增加。因此，对于厂用工作电源与事故( 或称起动) 备用电源之间的切换问题更加关注了。近 年来，在厂用电源切换的过程中，提出了采用快速切换的方式，它比较满意的解决了厂用电源在切 换过程中对大型锅炉运行工况的稳定性和对电动机冲击的影响【l l3 1 。 2 1 厂用电系统概述 发电厂厂用机械用电及照明用电称为发电厂的厂用电，厂用电绝大部分是使用交流电，少量的 是使用直流电。 发电厂厂用电的全部电力网络、厂用电配电装置和厂用电的交直流电源等所构成的总体，称为 发电厂的厂用电系统。 发电厂厂用电系统由以下各部分组成： ( 1 ) 发电厂各车间的全部电动机； ( 2 ) 发电厂的照明； ( 3 ) 各种电压等级的厂用电配电装置： ( 4 ) 直流装置； ( 5 ) 供电给厂用电的电源等。 典型的厂用电系统如图2 1 所示： 图2 16 k v 厂用电一次接线系统图 4 第_ 二章厂用电切换的原理及实现方式 厂用电系统的任何故障都会影响电能的正常生产，严重的还会导致电厂出力的降低，甚至会迫 使全厂停电，中断对电力系统的供电，这对不允许停止供电的重要用户来说，是个严重的威胁，处 理不当将给国民经济造成不可估量的损失。厂用电是发电厂中最重要的负荷。厂用电t 作的可靠性 在很大程度上决定着整个电厂的安全发电，因此，如何保证对厂用电高度的供电可靠性和不间断性 具有十分重要的意义。 2 1 1 厂用电接线的基本要求 厂用电工作的可靠性在很大程度上决定整个电厂的安全发供电。为了保证厂用电的连续供电， 厂用电接线应满足下列基本要求： 一安全可靠，运行灵活 厂用电接线方式和电源容量戍能适应正常、事故、检修等方面的供电要求，还应考虑到机炉起 动和停用过程中的供电要求，同时还应满足切换操作的方便。一旦发生故障时，应尽量缩小事故范 围，并能将备用电源及备用设备正确及时地投入，发生全厂停电事故时，应能尽快地从系统中取得 起动电源。 二投资少，接线简单清晰，运行费用低 在考虑安全可靠的同时，还必须注意到它的经济性。因为不必要的相互连接，过多的备用设备 和备用电源，不但会造成基建投资费用的浪费和运行费用的增加，而且还将使厂用电接线复杂、运 行操作繁琐，增加设备的故障机会和维修工作量等。 三供电的对应性 在正常运行方式下，本机、炉的厂用电源由本机、炉供给。这样，当厂用电系统发生故障时， 只影响一组机炉的运行，可缩小故障范围。这个原则对多台机组的大、中型火电厂尤为重要。这种 供电的对应性，可使厂用电接线简单、清晰，并给运行、维护、检修带来方便。另外，当发电机与 主变压器成单元连接时，有时可避免主变压器限制发电机容量的情况( 如5 0 0 0 0 k w 发电机配 6 0 0 0 0 k v a 主变压器) 。为了满足机、炉、电的对应性，要求把厂用电母线按炉分段，且各段单独运 行。 四与电气主接线的关系 厂用电接线应根据电气主接线的方式来考虑，尤其是高压厂用备用电源的引接问题。厂用电接 线对有无厂外系统电源及电厂在电力系统中所处的地位等应作统一考虑。 五整体性 厂用电接线要考虑到电厂分期建设、连续施工等情况。对全厂性的公用负荷，要结合远景全面 规划、统一安排、便于过渡。对扩建工程，应充分注意到原有厂用电系统的特点，做到厂用电系统 的整体性。 2 1 2 厂用负荷 厂用负荷包括机组本体负荷和全厂公用负荷。按运行方式可分为经常连续、经常短时、经常断 续、不经常连续、不经常短时和下经常断续等六种类型【1 4 】。 一i 类负荷：指短时( 手功切换恢复供电所需的时间) 停电将影响人身或设备安全，使机组 运转停顿或发电量大幅度下降的负荷，如给水泵、凝结水泵、引风机、循环水泵等。对i 类负荷的 电动机必须保证自起动，并应由两个独立电源供电，当一个电源失去后，另一个电源应立即自动投 入。 二i i 类负荷：指较长时间的停电虽会损坏设备或影响正常的生产，但在允许的停电时间内通 过及时操作能重新取得电源而不至于造成生产混乱的负荷，如工业水泵、输水泵、灰浆泵及输煤设 备等。对于这类负荷应由两个电源供电，一般采用手动切换。 三类负荷：指长时间停电不致直接影响生产的负荷，如中央修配厂、实验室和油处理室等 处的负荷。对于这类厂用负荷，一般由一个电源供电。 5 东南大学硕上学位论文 四事故保安负荷：指在停机过程中和停机后一段时间内仍麻保证供电的负荷，否则将引起主 要设备损坏、重要的自动控制失灵或推迟恢复供电。根据对电源的不同要求，事故保安负荷分为两 种： l - 直流保安负荷：由蓄电池组供电，如发电机的直流润滑油泵等。 2 交流保安负荷：平时由交流厂用电供电，失去厂用工作和备用电源时，交流保安电源( 一般 采用快速自起动的柴油发电机组) 应自动投入，如2 0 0 m w 及以上机组的盘车电动机。 五不间断供电负荷：指在机组起动、运行到停机过程中，甚至停机以后的一段时间内，需要 连续供电并具有恒频恒压特性的负荷，如实时控制用电子计算机。不问断供电装置一般采用蓄电池 组供电的电动发电机组或配备静态开关的静态逆变装置。 2 1 3 厂用电源的引接 一高压厂用工作电源引接方式【1 4 1 高压厂用_ t 作电源( 变压器或电抗器) 应由发电机电压回路引接，并尽量满足炉、机、电的对 应性要求( 即发电机供给各自炉、机和主变压器的厂用负荷) 。 1 当有发电机电压母线时，高压厂用工作电源由各母线段引接，供给接在该母线段的机组的厂 用负荷。1 2 m w 机组接在馈线不带电抗器的6 k v 主母线上时，采用轻型断路器即能满足母线短路 容量的要求，而且2 0 0 k w 及以上容量的电动机很少，因此，高压厂用电动机和低压厂用变压器均 可接在主母线上，不另设高压厂用母线段。 2 当发电机与主变压器成单元连接时，高压厂用工作电源一般由主变压器低压侧引接，供给该 机组的厂用负荷。 3 当兼有发电机电压母线和单元连接机组时，根据上述原则引接各自的高压厂用工作电源。 二低压厂用工作电源引接方式 1 低压厂用工作变压器一般由高压厂用母线段上引接。当无高压厂用母线段时，可以从发电机 电压主母线或发电机出口引接。 2 按炉分段的低压厂用母线，其工作变压器应由对应的高压厂用母线段供电。 三备用电源引接方式 火力发电厂一般均设置备用电源。备用电源的引接应保证其独立性，避免与厂用工作电源由同 一电源处引接，引接点电源数量应有两个以上，并有足够的供电容量。 ( 一) 备用电源的数量 高低压备用电源的数量如表2 1 所示。 表2 1 高、低压备用电源的数最 电厂类别高压厂用备用电源低压厂用备用电源 一般电厂与第6 个工作电源同时设置第2与第8 台低压厂用工作变压器 个备用电源同时设置第2 个备用电源 单元控制的1 0 0 - - 一1 2 5 m w 机组与第5 个工作电源同时设置第2与第8 台低压厂用工作变压器 个备用电源同时设置第2 个备用电源 2 0 0 m w 机组 三台机组及以下设一个，超过3 两台机组设l 台备用变压器 台时，每2 台机组设1 个起动( 备 3 0 0 m w 机组 每台机组设一台备用变压器，或 用) 电源 采用两台变压器互为备用的方 6 0 0 m w 机组 当高压厂用起动( 备用) 变压器 式 检修时，不应影响机组起停 ( - - ) 高压厂用备用电源的引接方式 1 当有发电机电压母线时 ( 1 ) 发电机电匪母线为6 3 k v 时，一般用电抗器从主母线引接一个备用电源。当电厂有与电 力系统连接的3 5 k v 母线时，根据装机容量及其在系统中作用( 如6 3 k v 主母线上的发电机总容量 6 第二章j 用电切换的原理及实现方式 超过系统容量的2 0 时) ，为了在全厂停电时迅速取得备用电源，也可由3 5 k v 母线引接。 ( 2 ) 发电机电压母线为1 0 5 k v 时，并具有两个电源( 包括本厂电源) 的3 5 k v 母线时，可由 1 0 5 k v 或3 5 k v 母线引接，决定于技术经济比较。如无3 5 k v 母线或3 5 k v 母线上仅有一个电源时， 则应由1 0 5 k v 主母线引接一个备用电源。 2 发电机与主变压器成单元连接时 发电机与主变压器成单元连接时，高压备用电源的引接方式有以下几种，如图2 2 所示： v ( a ) 厂外较低电压电网 区域变电所 ( c ) ( d ) 图2 - 2 单元连接机组高压厂用备用电源引接方式 ( a ) 从3 5 k v 母线引接；( b ) 从联络变压器第三绕组引接；( c ) 从厂# p j i 接，并设有备用母线段： ( d ) 从区域变电所较低电压母线引接 7 东南大学硕士学位论文 ( 1 ) 厂内有两级或三级升高电压母线( 如5 0 0 k v 与2 2 0 k v 两级电压或2 2 0 k v 、1 1 0 k v 与3 5 k v 三级电压) ，备用电源应由与系统有联系的最低电压级母线引出。若厂内3 5 k v 母线与系统无联系， 但通过两台变压器与高一级电压的系统连接，或3 5 k v 母线上接有两个本厂电源时，高压厂用备用 变压器仍可由3 5 k v 母线引接。 ( 2 ) 由联络变压器的低压绕组引接。但要注意断路器的短路容量、电源电压及联络变压器阻抗 对厂用母线电压( 正常及起动时) 的影响。 ( 3 ) 当电厂仅有一级或两级升高电压母线，而附近又有较低电压级的电网，且在全厂停电时能 由该电网取得足够的电源时，可从该电网引接专用线路作为备用电源。必要时可设置备用母线段， 向两台及以上备用变压器供电。一般情况下，对于3 0 0 m w 机组，应由1 1 0 k v 及以上电网供电。 ( 4 ) 当发电机变压器一线路组与区域变电所相连接时，厂用备用电源可以由该变电所较低电 压级的母线上引接专用线路取得；也可由地区网络上引接。条件是在发电厂停电时，能从电力系统 取得足够的电源，即电厂全厂停电时，能满足炉、机起动的要求，并在负荷潮流变化引起电压降低 的情况下，能起动大容量厂用电动机。 3 全厂设有两个高压厂用备用电源时 两个高压厂用备用电源应分别由相对独立的两个电源上引接，如： ( 1 ) 分别接到同一电压等级，但电源不同的母线段上( 包括由母联断路器固定连接的母线段) ； ( 2 ) 分别由不同电压级的母线上引接： ( 3 ) 分别由母线和联络变压器第三绕组上引接。 ( 三) 低压厂用备用变压器引接方式 ( 1 ) 低压厂用备用变压器虑避免与需要由它充当备用电源的低压厂用工作变压器接在同一段高 压母线段上，否则当该高压母线段故障或停电时，低压备用变压器也将失去电源。 当主厂房内低压厂用工作变压器的台数少于高压厂用母线段数时，低压厂用备用变压器应由未 接有低压厂用工作变压器的高压厂用母线段上引接。 ( 2 ) 对于2 0 0 m w 及以上机组，为了强调低压厂用备用电源供电的可靠性和独立性，低压厂用 备用变压器宜由经常带电运行的高压厂用备用变压器引接。 当高压厂用备用电源为电抗器时，低压厂用备用变压器可以由经常带电运行的备用电抗器引接。 ( 3 ) 发电机电压母线上的馈线不带电抗器时，低压厂用备用变压器可由该母线引接，但也应该 满足上述( 1 ) 的要求。 2 1 4 厂用电切换过程及切换要求的定性分析 一厂用电切换要求 1 厂用电系统的任何设备不能由于厂用电源切换而承受不必要的过载和冲击。 这里所指的任何设备，主要是指电动机和断路器。它们不应因受到过大的鹿力而损坏。由于在 工作电源断路器跳闸后，厂用母线电压不会马上消失，而是逐渐衰减并移相的。如果备用电源在此 时合到厂用母线上，且工作母线残压与备用电源之间相角差达1 8 0 。，则将产生很大的冲击电流。此 冲击电流的大小与母线残压大小、残压与备用电源之间的相角差以及残压频率有关。一般情况下， 断路器能承受住这种冲击。但是电动机在厂用电源切换过程中，不应受到过火的冲击力。电动机受 到过大的冲击力，会造成如下的危害性： 1 ) 会使电动机绕组从槽中移位而损坏。 2 ) 电动机轴受到扭曲。 2 在厂用电源切换过程中，必须保证重要机组的连续输出功率，且在切换之后保证连续工作或 安全停机。 按第二准则，要保证机组的输出和控制，更为重要的是要保证机组特别是锅炉( 或反应堆) 的安 全运行。如果厂用电源切换时间过长，将使风机及泵的转速明显下降，并使锅炉受到压力冲击或者 泵产生气隙作用。其次，大型锅炉的发展趋势是采用直流炉，其燃料系统具有相对小的储备容量， 8 第二章厂用电切换的原理及实现方式 因此，更要求降低切换时间。厂用电切换允许的最长时间随锅炉( 或反应堆) 形式、燃料种类变化、 蒸汽工况运行、厂用电设计等的不同而有差异，一般都在运行中确定其允许时间。 对煤粉炉而言，在厂用电切换过程中，对切换允许最长时间起决定因素的是磨煤机与排粉机。 当磨煤机与排粉机的转速降到一定程度时，就不能保证其风粉比，不能维持锅炉的正常燃烧。当这 种情况发生时，必须立即停运磨煤机和排粉机。否则，当火焰熄灭，而厂用电压随后义恢复时，末 燃烧的燃料吹进炉膛里，将引起严重的爆炸事故。 随着机组容量不断地增大，对厂用电切换时间的要求越来越高，快速切换的优越性更加明显， 它不仅可减小对电动机的冲击，且能加快厂用电压的恢复，有利于锅炉的稳定运行【l 毛川。 二厂用电切换过程母线残压变化情况 发电厂的正常运行需要厂用电的安全可靠为其提供保障，在发电厂厂用电负荷中异步电动机是 其最主要和最重要的部分。在厂用母线失电后。由于电动机定子绕组仍处于相互连接的状态。冈此， 在它们的定子绕组中仍有电流流通( 单机切断后，定子电流为零) ，电流不为零，并有可能使备用电 源合闸时各定子电流还未衰减到零。但所连厂用母线的总电流为零，各电动机的电压相同。在整个 母线失电后，由于接在同一母线上的电动机各不相同，某些电动机的残压可能较大，另一些可能较 小。所以在断电时间内电动机间进行能量的转移，某些电动机以“感应发电机”方式运行，而其它 电动机以电动机方式运行。由此每个电动机电压的衰减程度将有所变化，即与单机失电时相比有些 电动机电压衰减较慢，而有些电动机电压衰减较快，其结果是在切换过程中一些电动机将承受较大 的冲击电流，另一些电动机将承受较小的冲击电流1 1 1 7 , 1 8 , 1 9 。 断电后厂用母线的电压是其所连接的所有电动机残压的综合反映。由于各个发电厂的情况并不 相同，而且对于具体的发电厂来说，某段时间参与运行的电动机数量及种类可能不一样，所以厂用 母线电压需作具体分析。图2 3 所示是一典型的切换过程中厂用母线电压变化曲线，它表示在厂用 电切换过程中，厂用母线电压随时间变化的关系。 图中，a - b 段表示电动机正常带负荷情况下厂用母线电压值。b 点表示厂用母线电压突然消失( 如 误操作或控制回路故障) 时，由于电动机的空气隙磁场和其转动惯量储能的存在，使母线上产生了残 压。它具有向外接负载输出电功率的能力，残压的大小与频率是随时间变化的。在大型电厂中，厂 用电动机储存的电磁能和机械能，在数量上是很可观的。b _ c 段表示在无外界能量供给的情况下， 电动机的机械能由于消耗到负载上而使其转速下降，母线残压逐渐衰减。 图2 3 切换过程中厂用母线电压变化曲线 h 段曲线下降的速率取决于两个因素： 1 ) 电动机的特性、转动惯量、摩擦和风力影响以及电动机的时间常数。 2 ) 拖动负载的转动惯量、拖动负载的力矩情况和外部电气负载等。 图中c 点表示，当厂用母线电压低到一定值时，低电压保护起动，工作电源跳闸，备用电源断 路器准备以固有时间进行合闸。 c _ d 段表示在切换过程中残压下降的情况。这个切换时间也可称为断电时间，在这个过程中残 压已达到很低的值( 2 5 额定电压以下) ，电动机之间的能量转换可以忽略，电动机可根据负载和惯量 情况分别减速。 9 东南大学硕十学位论文 d 点表示备用电源合闸，电动机受到冲击电流使备用电源电压下降，随后电动机加速，电压又 恢复上升，一直达到额定电压值e 点。整个厂用电切换过程的总时间为b 点到e 点。如果此时间过 长或电源阻抗选择不当( 太大) ，将使厂用电动机停机。 母线电压和频率衰减的时间速度和达到最初反相的时间，主要取决于试验前该段母线的负载。 负载越多，电压频率下降得越慢，达到首次反相和再次同相的时间越长；而相同负载容量下，负荷 电流越大，则电压频率下降得越快，达到最初反相和同相的时间越短。 2 2 传统的厂用电源切换( b z t ) 分析 2 2 1 备用电源自动投入装置的提出 在电力系统中，为了提高供电的可靠性，一般采用环网供电或采用两台及两台以上变压器并联 运行的供电方式。这样，当一条线路或一台变压器发生故障时，保护装置将保护元件断开后，仍能 保证用户的不间断供电。但也带来了新的问题：如系统的阻抗减小，系统的短路电流水平相应的提 高，要求选择容量较大的一些电气设备；另外，采用环网供电后，网络的继电保护装置趋于复杂化。 因此在生产实践中提出了用其中的一条线路或一台变压器作为正常运行情况下的供电电源，而另一 条线路或另一台变压器处于断开位置，作为备用。一旦发生故障时，工作线路或工作变压器将被切 除，值班人员可以手动合上备用线路或备用变压器的断路器。但由于操作时间很长，将造成长时间 的停电，这显然是不允许的。为此，提出了采用备用电源自动投入装置( 简称b z t 装置) 的方案。 所谓备用电源自动投入装置，就是当工作电源因故障被断开以后，能自动迅速地将备用电源投入工 作，或将用户切换到备用电源上去，使用户不至于停电的一种装置。 一般在下列情况下采用备用电源或备用设备的自动投入装置： 1 发电厂的厂用电和变电所的所用电。 2 由双电源供电的变电所，其中一个电源经常断开作为备用。 3 降压变电所内有备用变压器或有互为备用的母线段。 4 生产过程中某些重要机组有备用设备，如给水泵、循环水泵等。 2 2 2 备用电源自动投入装置的基本要求 备用电源自动投入装置的接线形式多种多样，但它们需要满足的基本要求却是一样的【”o 】。主 要有以一f k 点： 1 不论什么原因使工作母线失去电压时( 如工作电源故障或被误断开等) ，b z t 装置均应起动 2 工作电源断开后，备用电源才能投入【3 1 】 这一要求的提出，主要考虑了以下两个因素： 1 ) 防止两个不同期的电源非同期并联运行。 2 ) 提高了b z t 装置动作的成功率。当工作电源发生故障，断路器尚未断开时，就投入备用电 源的断路器，此时，故障不但不会被消除，反而会使故障进一步扩大，甚至加重设备的损坏程度。 3 备用电源自动投入装置只允许动作一次【3 l 】 当工作母线或其引出线上发生持续性短路故障时，备用电源第一次投入后，由于故障依然存在， 其继电保护装置动作，又会将备用电源断开。此后，就不允许再次投入备用电源。因为再次投入备 用电源不仅成功的可能性很小，而且还会对系统造成再次的冲击。 4 备用电源自动投入装置的动作时间，以使负荷的停电时间尽可能短为原则 从工作母线失去电压到备用电源自动投入为止，这一段时间间隔，即为负荷的停电时间。从用 户的电动机容易自起动的角度来看，停电时间应当短些。如果停电时间过长，电动机转速将降得很 低，甚至到零。这时电动机自起动需要很长时间，会使绕组过热。另外，长时间的自起动还会使厂 用母线的电压降低。通常，为了保证重要电动机的自起动，在次要电动机上会装设低电压保护，它 1 0 第二章，用电切换的原理及实现方式 的动作时间约为0 5 s 左右。 5 电压互感器二次侧的熔断器熔断时，备用电源自动投入装置不应动作 在实际运行中，电压互感器低压侧熔断器可能熔断。如果b z t 装置设计不正确，当电压互感器 低压侧熔断器熔断时，会引起和工作母线上电压消失同样的动作效果，b z t 装置就会把工作电源断 开而把备用电源投上，电路的这种动作是不允许的。 6 当备用电源无电压时，备用电源自动投入装置不应动作 7 手动断开工作回路时，不起动备用电源自动投入装置 8 备用电源自动投入装置中，可设置工作电源的电流闭锁回路 2 2 3 传统b z t 装置存在的问题 传统的厂用电源自动切换，普遍采用的是备用电源自动投入装置( b z t ) 3 2 , 3 3 】。它主要由以下 功能： ( 1 ) 当6 k v 母线电压的残压低于电压继电器的定值，备用电源正常时，延时跳开工作电源开 关，再合入备用开关。 ( 2 ) 上一级开关跳闸后联跳本侧开关，再合入备用开关。 ( 3 ) 为了防止工作开关偷跳或误拉工作开关后，备用开关自动投入。 ( 4 ) 有保证只发一次合闸脉冲的闭锁同路。 传统的b z t 装置有检同期、检无压功能。检同期是防止非同期合备用电源，检无压是保证工作 电源开关跳闸后，工作母线失压时，成功地切换厂用电，这样就延长了厂用电切换时间。即传统b z t 装置普遍采用延时切换和串联切换两种切换方式。延时切换是指母线电压消失，母线残压下跌至低 电压继电器动作值时，经延时先跳工作电源开关，再合备用电源开关。同时，为了防止开关偷跳或 运行人员误拉工作电源开关，b z t 一般采用将工作电源开关辅助接点直接( 或经低压继电器、延时 继电器) 起动b z t 出口中间继电器，实现备用电源自动投入。长期的运行实践证明，用这种方式进 行厂用电切换，弊大于利，现已不能适应大容量机组厂用电源切换的要求，它主要存在以下几个问 题【3 ”5 1 。 1 切换时间长 由于采用低电压起动，其低电压时间必须躲过系统故障和高压电动机内部故障切除时间，即： t = t l + a t ( 2 1 3 ) 式中：指系统故障以及高压电动机内部故障继电保护最大动作时限； 出指时限阶段，一般取0 5 o 7 s 。 厂用电工作电源以及电动机过流保护动作时间一般为0 5 - - - 1 5 s ，所以b z t 延时切换时间为l 2 s 。b z t 切换时间过长，首先是对机、炉辅机电动机不利，电动机容易发热。其次是对锅炉的稳定 运行不利，切换时间过长，锅炉辅机转速明显i 卜降，如磨煤机和排粉机转速下降到一定程度，其风 粉比就不能保障，就不能维持锅炉的正常燃烧。若此时b z t 装置自投成功，厂用电恢复，未燃的燃 料吹进炉膛，可能造成严重的爆炸事故。目前大多数电厂为了防止此类事故发生，母线低电压保护 0 5 s 跳送风机、磨煤机开关，并由制粉系统连锁动作，把其中一侧的制粉系统停下来，这也有利于 b z t 自投，提高母线电压恢复速度。但机组的出力将下降，影响了机组的带负荷能力。 2 厂用电母线故障，b z t