保守≠安全,技术进步是安全的基石.doc

保守安全，技术进步是安全的基石叶念国 翁乐阳（深圳市智能设备开发有限公司，广东 深圳 518033）摘要 安全是电力生产的生命线，这是电力工业各专业领域工作者的共识，理由很明确，电力涉及到国民经济发展的全域，些微疏漏都将导致严重的后果。但令人遗憾的是：常鸣的安全警钟却诱发了无处不在的保守，不少电力部门不自觉的给安全与保守画上了等号，于是几十年前应对小机组、小系统的技术，还纹丝不动的照搬到当前大机组、大系统的场合，自然规律是无情的，给我们的回应是隐患、事故频出。但这并未引起人们警觉，原因很简单，使用传统过时技术引发的事故不会追究执行者的责任。我国电力系统以惊人的速度发展，很多过去不曾有的问题都相继出现，我们不能再拒绝新技术了，有关部门是否应制订因使用过时技术造成严重后果的责任人进行惩罚的条例。本文引用几个例子来描述“保守=安全”的后果。关键词 检同期 功角 快切 捕捉同期 残压1 引言在电力系统中不论是发电厂、或是变电站、或是调度所、或是设计院在决定使用新设备的时候都会不约而同的对设备制造厂家提出一个问题：“这个设备在哪里使用过？”这一问题蕴含着两层涵意，一是使用效果如何？一是我会不会是第一个使用者？而提问者更看重的是第二层涵意，即防止自己成为新产品的试验品。显然，如果所有使用者都不做第一个使用者，新技术如何变成生产力？！笔者无意鼓动滥用劣质产品，而是希望在电力工业各专业领域的工作者要理性的对待新技术、支持新技术，只有这样，电力生产才能更安全。当然，所谓理性不仅是从理论和实践上剖析新技术的本质，而且还要勇于正视自己可能存在的明哲保身的人格弱点。2 两个危害深广的传统技术举例好象用了几十年的技术一定是可靠安全的，答案是：错。因为环境在变、被控对象的特性在变，而控制的手段不变，没有不出错的道理。下面举两个电力自动化的例子：21 检同期“检同期”技术早期是用于两系统的联络线正常投运，或联络线故障跳闸后重合闸的场合，如图2.1所示。在断路器B2为合位时，投运联络线L可通过合断路器B1实现，合B1是典型的同期操作，考虑到线路有较大的阻抗，因此 ，为简化设备，传统的做法只检查B1两端的电压差U及相角差，只要U合格，当小于给定值z时即实施自动合B1的操作，这就是“检同期”技术。显然，它是服务于两解列系统S1及S2的并列目的。此外，“检同期”还用于L因保护动作被切除后的重合闸。这一技术在联络线重负荷时实现检同期重合闸遇到了困难，因两系统解列后负荷受端出现大的功率缺额，电压及频率大幅度下降，导致角的变化速度极大，如图2.2所示。以电压U1为参考轴，B1跳开后，U2因频率下降向滞后方向旋转，设检同期相角差的整定值为Z，B1的重合闸只能在2Z的区间获得合闸回路，如解列后的频差为f，B1断2Z路器的合闸时间为t1,接通合闸回路的时间360ft2= 。设f=3HZ，Z=30，则t2=55.5 ms,这说明如断路器合闸时间t1小于55.5ms,则重合闸可能成功，否则将可能失败。因此，这种“检同期”只适用于频差较小，及快速断路器的场合。随着电力系统的不断扩大，系统结构渐趋复杂，环网开始出现，于是出现了环并的问题。如图2.3所示。这是一个最简单的双回线构成的环网。当线路L2断开，只有L1运行时，此时的工作方式与图2.1相同。如需再投入线路L2，一般的做法是先将L2一端的断路器例如B4在检查线路L2无电压时自动合上，然后再在断路器B3处“检同期”，如B3两侧电压的相角差小于整定值Z，则自动合上B3，实现L2的投运操作。问题出在定值Z应取多大，奇怪的是几乎全国的电网都选择Z=30，这30如何来的谁都说不明白。我们不难看到这个古老的“检同期”被滥用了，事实上图2.1中B1的检同期是为防止非同期并列而设的，选择Z=30是限制合闸时的冲击电流。而在图2.3中B3的合闸不存在非同期并列问题，B3两侧的系统S1和系统S2已经被线路L1联通了。在B3两侧人们看到的相角差在本质上完全不是图2.1中B1两侧的相角差，而是图2.3中的正在运行线路L1的功角，的数值随转输功率P1的增加而增加，故称为功率角，其取值范围在090之间，众所周知，当接近90时将威胁两系统并列的稳定性。限制B3合闸的功角值绝不应是千篇一律的30，而是取决于B3合闸后L2对L1分流的负荷大小，如分流负荷过大，则导致线路L2的保护跳闸。因此，B3合闸的允许功角是需要经过潮流计算决定的。遗憾的是在我国的各个发电厂和变电站中我们都可以看到这个30，有的是用古老的电磁型同期检查继电器TJJ实现，有的则是用最先进的32位微处理器来实现，硬件在大踏步前进，而设计思想原地踏步。更让人感到奇怪的是我们的各级调度从不告知各发电厂和变电站如何正确选择合环操作的功角定值，尽管调度员对各种运行方式下的潮流状况了如指掌。 在图2.3中L1单独传输轻负荷时，在B3两侧看到的功角数值很小，离极限值90还很远，此时投入线路L2分流的必要性不大。而当L2传输功率很大时，将会出现线路末端电压U2过低或L1的稳定储备临近极限，此时正需要线路L2投入分流，然而B3两侧测到的功角已远大于30，它将拒绝投入，这是典型的见死不救。我们不难想到这个30的“检同期”闭锁使我国的多少线路在需要它投运时它拒绝，这对线路资源的浪费及对系统运行的安全威胁造成的后果有多么严重。十年前笔者就指出两电源的同期方式有两种，即“差频同期”和“同频同期”，前者为两解列电源的同期，后者为开环点两侧电源的同期，即常称之“环并”或“合环”。差频同期的条件有三个，即在同期点两侧的电压差及频率差满足要求的前提下，在相角差接近零度时完成同期操作。同频同期的条件只有两个，即在同期点两侧的电压差及功角满足要求时完成同期操作，这个功角的定值来源于在该运行方式下潮流计算的结果，而不是一成不变的30。在电网中同一个同期点在系统不同运行方式下会出现不同的同期方式，因此，同期装置的设计者应将同期装置设计成具有自动识别同期方式的装置。然而，当前的各类同期装置竟然都是按人工整定同期方式设计，这是一个严重的错误，并可能引发严重的后果，因为不是所有发电厂和变电站的工程师都能及时获知该同期点当前的同期方式。遗憾的是至今我们也没听到设计及运行单位对这一问题的质疑。这都是传统的“检同期”给我们留下的后果。2.2 厂用电快切装置设计的认识误区厂用电快切装置是大型燃煤电厂不可或缺的安全装置，其作用是保证在工作厂用电源因故消失时，快速的投入备用电源，以确保不间断正常发电。然而正是由于人们对两电源同期操作的僵化认识，导致当今厂用电快切装置出现了原则性错误，这些错误大大恶化了发电机的运行条件。然而一些设计者还津津乐道自己的杰作。下面剖析几个认识误区的成因。221 把失去电源的感应电动机群的异步发电状态等同于正常发电机发电状态：失去电源的感应电动机群靠正常工作时的剩余动能及磁路的剩磁进入异步发电状态，表面上是个发电机，但将其与正常具有汽轮机驱动及励磁装置供给励磁电流的发电机相比有本质的不同，前者没有动力及励磁源支持，导致异步发电的电压及频率持续下降。这种异步发电的电动机群无力反抗强大的备用电源将其拉入同步的电磁转矩，也就是说它们会很顺从地被备用电源拉入同步。但当今快切装置的设计者则将这一过程按两个都具有动力及励磁源支持的正常发电机同期过程来处理，于是就出现了快切装置的所谓“快速切换”和“捕捉同期切换”。其结果是丧失了大好的切换时机，硬让厂用机械等到残压与备用电源在第一个同期点出现时才恢复供电。此时已有大量的厂用电动机被低压保护切除，他们号称的“快切成功”实质上只是指备用电源投入后没再次跳闸，而大量的厂用电动机被切除，留下一个残缺不全的厂用机械组合他们都不在意。222 完全漠视感应电动机特有的电压特性图2.4是典型大型感应电动机的静态电压特性曲线，它描述了感应电动机吸取电源有功功率P和无功功率Q与端电压的关系。可以看出当端电压降低到临界点K以下时，电动机吸收的有功功率P急剧下降，而吸收的无功功率Q急剧增大。这说明厂用电动机在失电后进入异步发电状态时的厂用母线残压在K点之前其电压值及频率的下降速度较慢，而在K点之后则迅速下降。显然，投入备用电源的时刻绝不能在K点图2.4典型大型感应电动机的静态电压特性以后，否则大量的电动机将被低压保护切除，且剩下未切除的重要电动机将面临极恶劣的自起动条件，使厂用母线电压迟迟不能恢复。而当今的各品牌快切装置的捕捉同期都是在K点以后才进行切换的，其后果是留下大量的工作让运行人员去收拾那些瘫痪厂用机械的残局。223 对“环流”的错误认识导致错误的厂用电正常切换方式图2.5是一个典型的300MW发电机组的主接线图，高压厂用分裂变压器通过工作分支2DL、4DL给两段厂用母线供电，起动备用变压器通过3DL、4DL作为A、B两段厂用母线的备用分支。厂用电的正常切换是指工作分支和备用分支间互换工况的切换，即厂用母线改变供电电源的切换。以A段厂用母线为例，正常工作时，断路器2DL与3DL的状态是互非的，即一个在“合”状态，另一个在“分”状态。例如3DL合，2DL分，即A段母线由备用分支供电，如进行一次正常切换即可实现3DL分，2DL合。不难看出这一切换可以先分3DL，后合2DL，也可以先合2DL，再分3DL。当今的各类快切装置几乎都采用先分后合，即所谓的“串联切换”和“同时切换”。设计者认为这样可以避免2DL和3DL都合上时产生环流。似乎环流是个很可怕的东西，他们忽略了在进行环网的同频同期时一定会产生环流，这个环流就是因合环操作引起了潮流的重新分配，只要根据通过潮流计算确定的允许功角定值进行同频同期操作，出现的环流没有任何可怕之处，毫无必要用先分后合的方式进行正常切换，何况先分后合是人为制造厂用母线短时停电，诱发电动机群进入异步发电状态，而且一旦后合的断路器拒动时，将引发厂用电停电事故。这些快切装置的设计者也提供了先合后分的另一种切换方式，即所谓的并联切换。这种并联切换完全继承传统的“检同期”概念，按固定的同期闭锁角闭锁合闸回路，至于这个先合的断路器面临的是差频同期还是同频同期全然不顾，其后果在前节已给出了答案。正确的正常切换应该是按照严格的同期准则进行先合后分，而且必须由装置自动识别先合断路器的同期方式，在完成先合操作后立即执行后分，不容许两个断路器同时在“合”状态的时间过长，这是为避免主系统故障而保护拒动时由2DL和3DL来切除故障遭到损坏。由此也可以看到这些快切装置为正常切换所设计的半自动方式也是错误的，它允许在先合完成后的后分由手动实施，这就给两个断路器制造了前述情况下遭受损毁的可能。224 不负责任的支持起动备用变压器冷备用为了保证在厂用电工作分支因故障跳闸时快速的投入备用分支，一般起备变采取热备用方式，即图2.5中的断路器6DL经常在合状态。这样就不致因冷备用空投6DL时，励磁涌流引起备变保护误动使备用电源投入失败。显然，起备变热备用将带来可观的空载损耗，特别是起备变大多由系统取得负荷，在厂网分开的当今电力体制下，发电厂将以工业用电的电价向电网公司缴交高价电费。以一台50MVA的起备变为例，如空载损耗为额定容量的1%，则一年应向电网公司上交的电费超过600万元，这不是一个小数。目前的各类快切装置在不采取任何措施的前提下声称支持起备变冷备用是不负责任的，因仅仅可以自动操作起备变高压侧断路器合闸是远远不够的，因它不能保证起备变投入一次成功。笔者在设计快切装置时针对支持起备变冷备用的需求，使用了抑制励磁涌流的专利技术，确保起备变一次投入成功。这一技术针对各种磁路、各种接线组及各类操作机构断路器（分相操作或三相同时操作）的特殊性，在计及剩磁影响的因素下成功的实现了对励磁涌流的完全抑制，或使涌流具有可简单识别的固定特征。这种对起备变冷备用的支持才是可信的。3 结语从两个例子中我们不难看出简单继承前人的技术遗产不一定是安全的，因为电力系统在发展，就必须有相应的技术产品支持它的需求，不论在科研部门、设计部门、运行部门、制造部门乃至于教学部门都应实事求是的面对现实和未来。那些害怕承担责任，而一味拒绝新技术的作风再不扫除，我们的电力系统不仅不会更安全，而是会出更多更大的事故。作者简介：叶念国（1935-），男，湖北红安人，教授，主要从事电力系统自动化的研究与教学工作，现任深圳市智能设备开发有限公司董事长、深圳市政府科技顾问，武汉大学兼职教授。翁乐阳（1961-），女，福建福清人，高工，主要从事电力系统自动化设备的研究与开发工作，现任深圳市智能设备开发有限公司总工程师。 电子邮箱：SID-8BT型多微机同期快切复用装置特点简介1、 装置名称解析（1）多微机：基于实时多任务的需要，必需构造多CPU协同紧密配合的控制系统。（2）同期快切复用：发电机变压器组及厂用电工作、备用分支的各断路器，不论是正常操作，还是事故切换，都面临两个电源的差频或同频（合环）同期问题。此外发电机的同期操作与厂用电的正常及事故切换不可能同时发生，只有在发电机完成并网操作后，才有必要让装置进入快切工况。因此，发电机的同期操作与厂用电源的正常切换由同一装置按同期原则处理不仅可行，而且必需。这样既精练了机组自动控制系统，又降低了造价。2、 装置的控制对象每台同期快切复用装置最多可控制七个断路器，即图中的1DL、2DL、3DL、8DL、9DL、10DL、11DL。装置按每段厂用电母线配备一台的原则设计，可以看出对发变组用于自动同期操作的三个断路器（1DL、2DL、3DL）每台装置都可进行控制，因此，有足够的备用冗余量。3、 对装置的主要技术要求（1）对发电机自动同期功能的技术要求 能自动识别被控断路器的同期性质，即是两解列电源的差频同期，还是环网开环点的同频同期； 差频同期时应具备良好的调频，调压控制品质； 自动补偿电压互感器的幅值及相角偏差； 合环点容许功角有足够的定值整定范围； 支持单侧或双侧无压操作； 同期时不产生有功和无功逆功率； 装置具备友好的人机界面，包括同步表及相应工况提示； 足够的备用冗余度。（2）对厂用电正常及事故切换功能的技术要求 工作及备用分支断路器的正常切换严格按同期规则实施，即在自动识别同期性质后执行差频或同频同期，差频同期时可实行自动调频或自动调压。同频同期按压差及功角定值控制； 充分考虑厂用感应电动机的静态电压特性，即当电动机端电压下降到临界点K以下，将会出现电动机群大量吸取无功及转矩急剧下降的灾难性后果，因此备用电源事故切换时的电压应不低于K点的电压值； 算法及硬件速度（装置运算速度及断路器合闸速度）应支持捕捉首次出现的快切时机，该时机为合上备用电源时分配到电动机群上的电压值不超过电动机的耐受值，此电压一般为1.1倍额定电压。如因断路器合闸速度慢，导致必须在U达到最大值后才能实现事故切换时，也要遵循前述原则，使用捕捉第一个同期点是错误的，因那时电动机群电压及频率已落入临界点K以下； 具备实时计算厂用负荷（主要是电动机）等值阻抗的功能，因该阻抗与厂用负荷的大小及运行方式有关，不可能预知，必须实时测量，以确保在备用电源投入瞬间分配到电动机群阻抗XM上的电压不超过允许值；在已知工作变电抗XG时，可通过测量空载时及负载时的电压UG及UM，即可求得XMUG/UM=IG（XG+XM）IGXM=（XG+XM）XMUGUM= UMXG+ UMXM（UG-XM）XM= UMXGUG-UMUMXGXM=求得XM后，即可通过已知的起备变电抗XB计算出允许投入备用电源时的U值。 具备抑制起备变冷备用方式空投时励磁涌流的功能，保证起备变在事故切换时空投高压侧断路器一次成功，这将节约可观的电厂应缴交给电网公司按工业用电计价的热备用空载能耗电费； 具备正常及事故录波、自学习功能，不断自动优化事故切换品质。4、 当前国内流行快切装置的致命要害漠视厂用电正常切换是同期操作的实质漠视异步电动机对端电压的特殊敏感规律正常切换不按同期规则进行控制，而事故切换却用捕捉同期切换，这是绝对错误的做法，忽视了同期点到来时（母线残压相对备用电源运动一周后）大量厂用电动机已因电压和频率过度下降被切除，剩余电动机的自起动条件急剧恶化，厂用母线电压在备用电源投入后长期无法恢复正常。下面是某型微机厂用电快速切换装置的实录数据及曲线。根据实测厂用母线在失电后残压频率滑差约为20HZ/S，电压滑差约为80V/S。由于厂用母线残压下降速度较快未能实现快速切换，进而转入捕捉同期切换。该快切装置在A点（电压为70.7220.4）发出投备用命令，经历断路器合闸时间tH后在B点（电压为40.73.9）备用电源接入。由于在B点厂用母线电压已大大低于感应电动机的临界电压，导致电动机自起动条件恶化，厂用母线电压恢复极缓慢，失电后1秒多UM才上升到0.7额定电压。这说明该装置的设计思想是错误的。正确的设计思想应是在不能实现快速切换时捕捉电动机能耐受的电压（1.11.2倍额定电压）点，且厂用母线残压不低于临界电压前完成备用电源投入，而绝不是浪费宝贵的时间去捕捉同期点。如果无法满足这一要求，表明厂用电系统设备选型有问题，应改选快速精确的快切装置及合闸时间更短的断路器。而不应使用诸如残压切换、长延时切换等有损设备及安全的切换方式。5、 同期快切复用装置的配置每段厂用母线配置一台SID-8BT同期快切复用装置，每台装置均可对发电机变压器组的不少于三个断路器进行自动同期操作，还可实现该厂用母线一个工作分支、两个备用分支断路器、起备变高压侧断路器的正常及事故切换。工作方式及操作对象的选择都受控于DCS或ECS，也可手动选择。产品按屏柜方式提供，每面屏的合理配置是不多于三台同期快切复用装置及一台带打印机共享器的打印机。如用户需要，可配备手动同期装置，对发变组及厂用电断路器在装置故障时进行手动同期操作。所使用的同步表是我公司的SID-2SL多功能同步表，该同步表由数字集成电路构成，可供12个同期点使用，对每个同期点可单独整定转角、线电压或相电压、同期闭锁角（同步表内附数字型同期闭锁继电器）。当同期点数量较多时，可配备SID-2X型微机同期选线器，由DCS或ECS自动选择同期点。SID-2SL 同步表对外接线图SID-8BT与同类装置的差异表我们在设计SID-8BT同期快切复用装置时，详细分析了国内外一些主要厂家的同类产品，发现它们的设计在许多重大原则问题上出现了错误，以致使装置产生了一些不可低估和恶劣后果。SID-8BT彻底批判和纠正了这些重大错误，它以崭新的特征真正面对大容量燃煤发电机组对厂用电可靠性的各项需求，通过现场运行及“电力工业电力系统自动化设备质量检测中心”和“国家电网公司自动化设备电磁兼容实验室”对SID-8BT各项技术性能的严格检测，并由知名专家组成的鉴定委员会鉴定。给予它的评价是：“装置技术水平达到国际先进水平”。SID-8BT是2003年推出的新产品，尽管目前还无法提供众多的业绩，但我们确信它会在业内人士对其本质理解后被大量接受，事实上该装置已开始进入大容量机组发电厂。下面列表给出SID-8BT与国内外其他厂用电快切装置的重要技术差异及这些差异产生的严重后果差 异内 容SID-8BT同期快切复用装置国内外其他厂用电快切装置差异引发的后果厂用母线工作分支与备用分支的正常切换认为这种切换是典型的同期操作，应在自动识别同期性质（即是差频同期，还是同频同期）后严格按同期准则先投入待投入的分支，再紧接切除原先工作的分支。简言之：先投后切。由于害怕引起环流，采取先切后投的方式，即所谓串联切换、同时切换，或是按一个固定的同期闭锁角（一般取2030）进行所谓的并联切换。完全漠视同期准则及合环的闭锁角应由潮流计算确定这一基本原理。先切后投会导致厂用电短时停电，诱发后投入的分支电源与异步发电状态的电动机群的冲击。如后投分支的断路器拒动将造成厂用母线停电。按固定闭锁角的并联切换会使本来可以投入的分支电源因超过闭锁角而拒动。同期与快切两种功能复用厂用电工作与备用分支的正常切换是典型的同期操作，且厂用电的正常切换不可能与发变组的同期操作发生时序上的冲突。因此，将发变组的同期与厂用电的正常操作集成在同一装置内是合理的，这将大大简化DCS或ECS控制系统，降低造价，减少屏位占地。需要专门的发变组同期屏及厂用电快切屏。即同期与快切分立。使DCS或ECS的控制复杂化，造价提高，屏位占地增加。厂用电的事故切换认为厂用电工作分支断开后在厂用母线上产生的残压是一群无动力源、无励磁源支持的电动机群异步发电的表现，这群发电机没有任何反抗被备用电源拉入同步的能量。因此，投入备用电源的时机应以当时施加在电动机群上的电压为主要制约条件，因过高的电压所产生的电动力会导致电动机受损。而备用电源与残压间的相角差不是重要条件，这样就使备用电源可投入的时段大大扩展，确保在