6KV厂用电快切装置动作分析及改进措施

厂用电6kV快切装置动作分析与改进
厂用电6kV快切装置动作分析与改进
陈悦 查志军
（南通华能电厂，江苏 南通 226003）
摘 要：发电厂中，厂用电的安全可靠直接关系到发电机组、电厂乃至整个电力系统的安全运行。

分析了高压厂用电备用电源自动切换中存在的问题。

通过华能南通电厂中快切装置的定值计算和快切试验分析,可知备用电源快速切换装置可有效避免备用电源电压与母线残压在相角、频率相差过大时合闸而对电动机、变压器等电器设备造成冲击，并通过慢切提高厂用电切换的成功率。

关键词：快切 备自投 残压切换 慢切 冲击电流引言
发电厂中，厂用电的安全可靠直接关系到发电机组、电厂乃至整个电力系统的安全运行。

以往的厂用电切换大多采用工作电源的辅助接点启动备用电源投入。

这种方式未经同步检定，电机易受冲击。

合上备用电源后，母线残压和备用电源之间相角差已接近180°，当备用电源合闸时将会对电机、电源变压器造成过大的冲击。

对微机保护动作行为及其定值计算进行分析，减小对电机造成冲击，提高厂用电切换的成功率，是我们面临的一个技术难题。

本文通过华能南通电厂2＃机快切装置改造，对微机型厂用电切换装置及其动作行为和定值整定进行了详细的分析。

1 概况
华能南通电厂#1、2机组的厂用电共设6段6kV母线。

正常运行时，单元段1A1、1A2和2A1、2A2母线分别由#1、#2高厂变（三卷分裂变）供，公用段CS1、CS2母线由#01启动变（三卷分裂变）供；#01启动变作为1A1、1A2、2A1、2A2的备用电源（通过快速切换装置实现）；1A2、2A2分别作为CS1、CS2的备用电源（通过备自投装置实现），相应的母线联络开关6CS1B、6CS2B处于热备用状态。

电厂＃2机组6kV 2A1、2A2母线快切装置原是瑞典ASEA公司的基于集成电路的电气自动化设备。

该设备运行已有18年，运行情况良好，但目前缺乏备品，运行中缺乏监测手段，检修工作量大。

因此，将＃2机组6kV 2A1、2A2快切装置更换成国电南自的WBKQ-01B型微机快切装置。

对2号机组6kV单元段2A1/2A2快切自动装置进行计算，并设置定值。

2 高压厂用备用电源自动切换问题　
高压厂用备用电源自动切换(备用电源自动投入)，国内通常设计有两种方式：一为无时限快速切换，二为低电压闭锁限时切换(即慢速切换)。

2.1高压厂用电动机在备用电源投入时所承受的电压分析
在高压厂用电源因某种原因跳闸后，该段母线上所有电动机将作减速惰走运行，由于电动机的反电势作用，在母线上产生残压。

该残压的幅值、频率都将随时间逐渐变小，残压和系统电压的相位差随时间变化而变化。

如图1所示。

电源切换后，高压厂用电动机上承受的电压Um：
Um=△U·Xm/(Xs+Xm)　
令 K=Xm/(Xs+Xm)　
则 U=K△U　
当备用电源切换到母线上时，电动机上将突加一个电压K△U，如△U过大会对电动机造成很大的冲击。

如果切换时间愈短，则△U愈小，对切换越有利。

在《电力工程电气设计手册》第22－1节指出：当K＝0.67时，在0.3 s 以前切换时是安全的。

相角差θ随时间的变化，主要和母线上所带大型电动机的容量及机械惯量有关。

所以，对于不同容量的发电机组θ角随时间的变化不一样，就是同容量发电机组也因所选主要辅机的不同而不同。

第二届全国发电厂电气专业技术交流研讨会论文集 厂用电系统
θ角大约达120°～240°时切换最危险。

电动机将承受的冲击电压最大，这可能造成电动机的损坏、损伤或过流保护动作跳闸。

如果切换时间过长，机组辅机转速降低过多，造成锅炉运行工况的恶化。

另外，母线残压过低，切换后电动机自启动困难，都可能造成机组的运行工况大的扰动甚至停运。

2.2 快速切换存在的问题。

根据机组所选用的辅机的电动机情况，有些机组的高压厂用电切换设计为无时限切换。

若选用的断路器是国产少油式开关，其合闸时间在0.2 s左右，再加上继电器动作时间，切换时间将长达约0.3 s，所以切换是不安全的。

已投入运行的电厂如果是这种切换方式的，应尽快将高压厂用母线上电源开关改换为合闸速度快的真空断路器或SF6断路器，(其合闸时间是：0.08～0.2 s)这样切换才比较安全。

有的进口机组将快速切换限定在150 ms以内，如果切换失败自动转换成慢速切换，这种设计更为合理。

　
2.3慢速切换存在的问题。

国产机组高压厂用电自动切换采用慢速切换的也不少，设计采用低电压检定加时间闭锁的切换方式，即切换条件为：① 母线电压低于某值才允许切换；②切换限定在某整定时间内完成。

现在的问题是低电压检定继电器和时间闭锁继电器如何整定。

既要保证切换一次成功，又要保证高压厂用电动机在切换中不受到过电压冲击，并在电动机允许承受的电压下实现尽快切换。

　
低电压检定继电器的整定必须考虑最坏的情况，即系统电压和厂用母线残压正好反相时切换。

如果备用电源切换瞬间系统电压在高压厂用变压器上的压降约30 V(具体压降值可由计算或试验求得)，为了保证切换时加在母线上高压厂用电动机的电压不超过1.1 Ue，考虑到低电压检定继电器接点闭合到备用电源合闸这一短暂时间内，厂用母线电压仍在降低，所以低电压检定继电器的整定值可整定为45 V，但一般不应大于45 V。

时间闭锁继电器的整定，要保证在整定时间内能可靠完成切换，又不能整定时间过长，以致可能造成的过低电压下切换，使厂用电动机不能自启动。

正确的整定值最好通过试验确定，例如录制机组在正常运行方式下高压厂用电源跳闸时厂用母线残压随时间变化的曲线，以求得在某一低电压检定继电器的整定值下闭锁时间继电器的整定值。

　
值得注意的是不少国产机组在启动试验时，并未作过细的工作去求得低电压检定继电器和时间闭锁继电器合理的整定值，有的甚至只做静态下厂用电切换试验，不作机组正常运行方式下的切换试验，这样，一是不能保证机组运行中高压厂备用电源自动切换成功，二是即使切换成功了，厂用电动机在切换过程中可能受到过电压的冲击，影响电动机的使用寿命，或者是切换时间过长，使机组运行受到运行工况较大扰动的威胁。

３ WBKQ-01B快切定值整定：
（1）手动并列、串联切换：
由于接口回路中设计了模拟盘手动分合2A1/2A2正常及备用进线开关的功能，因此无需手动切换。

（2）事故切换方式选择：
事故切换方式：同时
同期判别切换功能：本功能需装置进行同期捕捉，工程应用中难于正确设定同期捕捉的允许范围，且6kV快切一旦失败，没有必要立即在1～2s内恢复6kV母线。

因此，同期判别切换功能退出。

残压切换功能投退：投入
长延时切换功能投退：投入
（3）工作电源开关偷跳启动切换：投入
（4）快速切换定值：
母线与目标电源频率差：0.5Hz
母线与目标电源相角差：取原定值12O
同时切换合备用延时：50ms，即正常进线开关
跳闸时间＋30ms－备用进线开关合闸时间＝60ms+30ms-40ms = 50ms
2A1(2A2)快切等效电路阻抗图见右。

电动机馈供源
220KV系统源
图2： 2A1(2A2)快切等效电路图
快切前，单元变带6kV负荷，忽略主变、单元变负荷电流引起的相角差，可以认为220KV、6kV电源相位角相同。

启动变阻抗为0.4（以100MVA计算）
考虑磨煤机(72×6.71)2台，循泵(161×4.5)、凝泵(82.1×5)、送风机(77×4.82)、吸风机（高速）(135×5)、一次风机(113×4.9)各一台运行，全部自启动负荷为：3700A，启动容量计算值为：3.7/100*1.732*6=0.3845，等效计算电抗为：1/0.3845=2.6。

快切发生前，E1、E2初相角相同。

根据以上定值，计算最大冲击电流：
设t f
E
1
2
sin
1π
=，t f
E
2
2
sin
2π
=
则t f f t f f E E E )(sin )(cos 2212121−⋅+=−=Δππ 见图3，由图可见，决定ΔE 幅值大小的是第二项。

t
f O ⋅Δ=Δ360||
φ
图3 Δf=0.5Hz，Δφ=12°时的录波
当f 1=50Hz，Δf=0.5Hz，Δφ=12°时，t=(Δφ/360)/ Δf=0.0667
考虑合备用延时50ms，开关合闸时间40ms，在备用开关合上时刻为：t=0.157s。

仍以Δf=0.5Hz 计算，ΔE 的最大幅值为2*sin(3.14*0.5*0.157)=0.488
因此，最大冲击电流Imax=0.488/(0.4+2.6)=0.163，即1.56kA，有效值为1.107kA，远小于62A1E(62A2E)开关的速断定值11.5kA。

即使考虑了电动机残压幅值、频率的变化，最大冲击电流估计不会超过2kA。

因此，上述快切定值是可取的。

4 快切试验
2006年，#2机组进行了2次快切试验，第一次是在大机超速试验前由运行人员打闸汽机进行切换，当时风机、水泵在运行。

本次快切的同期条件不满足，实际发生了残压切换（以下称慢切）。

装置的记录为我们提供了宝贵的数据。

从快切装置的录波数据，经过EXCEL 重新整理，可
以得出下列图表，如图4所示。

图4 快切未成功转为慢切的录波
根据上述情况，将“同时快切合备用延时” 由0.05s 改成0.02s 后，在机组带30MW 负荷情况下由试验人员短接快切启动接点进行，发生了快切。

试验录波如图
5
图5 快切成功的录波
从2次快切试验中可以得出以下结论：
（1）快切不满足的原因是“同时切换合备用延时”为。

快切启动分正常进线后经该延
备用进线开关脉冲。

从录波数据看，保护启动0.05s 后，角差为15.5°，不满足12°的角差定值。

整定时间过长，应予以调整。

（2）从快切装置发出“合备用”脉冲到开关辅接（NO）发生变位的典型时间：61ms
（3）从快切装置发出“跳工作”脉冲到开关辅接（NC）发生变位的典型时间：78ms
（4）快切装置的跳、合脉冲均为200ms
（5）快切（短接点）跳开工作分支的时间比慢切（打闸）跳开工作分支的时间慢25ms，实为发变组保护86A/B 总出口继电器动作时间。

（6）母线残压从100%降到70%的时间为0.17s，从100%降到20%的时间为0.5s，从100%降到0%的时间为0.6s。

（7）母线残压幅值衰减较快，但频率变化不超过3Hz。

这说明电动机的机械惯性常数相当大，但电时间常数很小。

从残压趋势图看，残压呈线性衰减，时间常数约为0.6s。

（8）母线残压相角变化也很快，这是由于频率变化引起的。

从0°变化到19.7°只需70ms 。

原快切相角定值为12°，偏小。

（9）6kV电动机低电压保护定值为：70%、0.5s。

从残压趋势图可以看出，电压从70%降到20%只需0.3s就发生残压切换，此时电动机尚未跳开，所有电动机发生残压自启动。

自启动总电流为1800A，是电动机正常运行电流的4~5倍。

（10）由于残压切换时电动机尚未跳开，且残压的相位角不能确定，虽然根据计算我厂6kV母线可以带全部电动机自启动，但这是不必要的。

因此，将快切的残压启动退出。

这样，快切的方式有：快切、长延时切换、偷跳切换。

（11）根据上述情况，重新整定快速切换定值：
母线与目标电源频率差：2Hz
母线与目标电源相角差：20°
快速切换时母线低电压闭锁定值：80%
同时切换合备用延时：20ms
根据上述定值，计算快切最大冲击电流：
设E1=1，E2=0.8＜20°
则ΔE=SQRT(1+0.8*0.8-2*1*0.8*COS20°)
=0.37
最大冲击电流Imax=0.37/(0.4+2.6)=0.123，即1.2KA，远小于62A1E(62A2E)开关的速断定值11.5KA。

5. 结束语
采用微机型备用电源快速切换装置并通过正确的整定计算，可有效避免备用电源电压与母线残压在相角、频率相差过大时合闸而对电机造成冲击，如失去快切的机会，则装置自动转为慢切，极大提高了厂用电切换的成功率。

参考文献
[1]《电力工程电气设计手册》
[2]《WBKQ－01B微机备用电源快速切换装置技术和 使用说明书》
[3]《<国家电网公司十八项电网重大反事故措施>继电保护专业重点实施要求》
[4]《江苏电网继电保护配置选型导则》。