厂用电快切原理和整定计算讲课笔记1

讲课笔记
讲课内容：厂用电快切原理及整定计算
讲课日期：讲课人：吕亮
五、厂用电快切原理
基本概念
5.1.1 厂用电系统
为确保对厂用系统供电的可靠性，脱硫厂用电源均由两路电源
图10－1脱硫压厂用电系统
如图10－1所示，在运行时，有进线I、II供电。

此时3DL分闸。

故称单母分段方式供电。

正常运行时，断路器1DL、2DL闭合，3DL处于“热备用”状态。

当工作电源出现问题时，1DL、2DL互为备用，3DL合闸。

5.1.2 厂用电源的切换。

正常工况下进行两路电源的相互切换，可由人工切换。

当工作电源故障时（发变组故障或异常）的切换，必须由自动装置进行。

将该自动装置称之为备用电源自投装置。

当然，备用电源自投装置也可进行正常工况下的切换。

5.1.3 备用电源自投需解决的几个问题
为确保发电机组的安全运行，厂用电系统安全可靠尤为重要。

当工作厂用电源出现问题时，为确保备用电源自投成功，需要解决以下几个问题。

5.1.3.1 厂用母线残压与备用电源之间的相角差问题
当工作电源被切除后，由于电动机是电感元件，其蓄积的能量不会使厂用母线电压立即消失，但是由于电动机的隋转，厂用残压的相位在发生变化，若在厂用残压与备用电源之间的相位差为1800时合上备用电源，将造成对电动机很大的冲击。

另外，由于两电源的相位差为1800，相当于非同期合闸，备用电源的电流过大，对备用变压器也很不利。

5.1.3.2 切换速度问题
工作电源跳开之后，若备用电源投入过晚，厂用母线电压很低，电动机转速下降过多。

备用电源合上后，由于电动机群自启动电流太大，母线电压难以恢复，备用电源自投失败，危及重要设备的安全。

另外，若备用电源自投过快，当厂用工作母线发生瞬间故障，工作电源切除之后，故障点的介质绝缘未恢复的工况下备用电源投入，必定又引起故障。

使备用电源自投失败。

5.1.3.3 自投于故障母线问题
当厂用母线上发生永久故障时，工作电源跳开。

此时，若再自动投入备用电源，使备用电源曾受短路电流冲击，有害于变压器，同时也有害于故障设备。

扩大事故。

基本功能
5.2.1 启动方式
5.2.1.1 正常切换
正常切换也叫手动切换，是指电厂正常工况时，手动切换工作电源与备用电源。

这种方式可由工作电源切换至备用电源，也可由备用电源切换至工作电源。

（1）手动并联切换
a：并联自动
并联自动指手动起动切换，如并联切换条件满足要求，装置先合备用（工作）开关，经一定延时后再自动跳开工作（备用）开关。

如果在该段延时内，刚合上的备用（工作）开关被跳开，则装置不再自动跳开工作（备用）开关。

如果手动起动后并联切换条件不满足，装置将立即闭锁且发闭锁信号，等待复归。

b：并联半自动
并联半自动指手动起动切换，如并联切换条件满足要求，装置先合备用（工作）开关，而跳开工作（备用）开关的操作则由人工完成。

如果在规定的时间内，操作人员仍未跳开工作（备用）开关，装置将发告警信号。

如果手动起动后并联切换条件不满足，装置将立即闭锁且发闭锁信号，等待复归。

注意：
手动并联切换只有在两电源并联条件满足时才能实现，两电源并联条件满足是指：
I、两电源电压幅值差小于整定值。

II、两电源频率差小于整定值。

III、两电源电压相角差小于整定值。

IV、工作、备用电源开关一个在合位、另一个在分位。

V、目标电源电压大于所设定的电压值。

VI、母线PT正常。

（2）手动串联（同时）切换
手动串联切换指手动起动切换，先发跳工作电源开关指令，不等开关辅助接点返回，在切换条件满足时，发合备用（工作）开关命令。

如开关合闸时间小于开关跳闸时间，自动在发合闸命令前加所整定的延时以保证开关先分后合。

（3）开关的单独操作
在厂用电源倒送电及其它情况下需对工作分支进线开关及备用分支进行单独操作，因而应在快速切换装置内增设单独的对单一开关进行操作的接口，此时应在工作母线与相应开关合闸回路中增设同步继电器判别功能，在母线无压或同步的情况下允许合闸。

5.2.1.2 事故切换
事故切换指由保护（或其它跳工作电源开关的保护）接点起动，单向操作，只能由工作电源切向备用电源。

事故切换有两种方式可供选择。

（1）事故串联切换
由保护接点起动，先跳开工作电源开关，在确认工作电源开关已跳开且切换条件满足时，合上备用电源开关。

（2）事故同时切换
由保护接点起动，先发跳工作电源开关指令，不等待工作开关辅助接点变位，一旦切换条件满足时，立即发合备用电源开关命令（或经整定的短延时“同时切换合备用延时”发合备用电源开关命令）。

其中：“同时切换合备用延时”定值可用来防止电源并列。

5.2.1.3 非正常切换
非正常工况切换是指装置检测到不正常运行情况时自行起动，单向操作，只能由工作电源切向备用电源。

该切换有以下三种情况。

（1）母线低电压
当工作母线三线电压均低于整定值且时间大于所整定延时定值时，装置根据选定方式进行串联或同时切换。

（2）工作电源开关偷跳
因各种原因（包括人为误操作）引起工作电源开关误跳开，装置根
据选定方式进行串联或同时切换。

5.2.2 切换原理
由图1所示，正常运行时，厂用母线电源由1DL,2DL提供，当一路电源侧故障时，工作分支开关1DL将被跳开，此时连接在厂用母线上的旋转负载部分电机将作为发电机方式运行，部分电机将惰行，此时母线上电压（残压）的频率和幅值将逐渐衰减，此时如3DL 合上，不可避免地将对厂用母线上的电机造成冲击，严重威胁厂用旋转负载的自起动及安全运行。

图2所示为电动机重新接通电源时的等值电路图和相角图，从图中可以看出，不同的θ角（电源电压和电动机残压二者之间的夹角），对应不同的ΔＵ值，如θ=180o时，ΔＵ值最大，如果此时重新合上电源，对电动机的冲击最严重。

根据母线上成组电动机的
残压特性和电动机耐受电流的能力，在极坐标上可绘出其残压曲线，如图3所示。

电动机重新合上电源时，电动机上的电压Um 为：
Xm
Xs Xm U
Um +∆= （4－1） 式中 Xm — 母线上电动机组和低压负荷折算到高压厂用电压后的等值电抗；
Xs — 电源的等值电抗；
∆U — 电源电压和残压之间的差拍电压。

令Um 等于电动机起动时的允许电压，即为倍电动机的额定电压U De ：
De U Xm
Xs Xm U
Um 1.1=+∆= （4－2） 则： Xm
Xs Xm
U U De +=∆1.1 令： Xm
Xs Xm K +=
则： K
U 1.1(%)=∆ （4－3）
图10-4 电动机的残压特性曲线和电动机耐受的冲击电流确定的允许极限假设K＝，计算得到△U（％）＝。

在图3中，以A点为圆心，以为半径绘出A’-A’’圆弧，其右侧为电厂备用电源合闸的安全区域。

在残压特性曲线的AB段，实现的电源切换称为“快速切换”即在图中B点（秒）以前进行的切换，对电机是安全的。

延时至C点（秒）以后进行同期判别实现的切换称为“同期判别切换”此时对电机也是安全的。

等残压衰减到20％～40％时实现的切换，即为“残压切换”。

为确保切换成功，当事故切换开始时，装置自动起动“长延时切换”作为事故切换的总后备。

5.2.2. 1 快速切换
式（4－3）中的K值（分压系数），与机组负荷有关，负荷轻时，投入的辅机少一些。

此时，Xm增大，K值也增大，允许的△U则减小，此时在图3中，以较小的△U（％）画出的圆弧就向A’-A’’曲线右侧移动,如图中的B’-B’’曲线。

据有关资料分析，按K=作出的允许极限是最危险的，因此K值应该取一个较大的数值，对同期判别及其他慢速切换，△U （％）取110％；对快速切换，△U（％）取100％；如取△U（％）＝100％则从图3可看出此时残压与备用电源之间的相位差约为65O，此时如开关的固有时间为100mS，则合开关的指令约需提前40 O 左右，即残压向量与母线电压向量夹角为25 O 以内时实现的快速切换对电机是安全的。

5.2.2.2 同期捕捉
当母线上电机负载较轻及因故障时电机的能量释放一部分以后，母线残压的频率衰减较快时，当工作分支开关跳开以后，有可能此时的相角差、频率差已超出快切的整定范围，装置通过对当时相角的变化规律，计算开关准确合闸的提前量，保证残压与目标电压向量在第一次相位重合时合闸。

从而减小了对厂用旋转负载的冲击，该次合闸过程我们称之为“同期捕捉”。

大家知道，厂用母线的残压是个变频、变压的过程，母线电压（残压）的采样只有采用自动频率跟踪技术，才能准确地对残压的幅值、频率、相位进行测量，同时能更快速地对残压变化相角进行测量，在同期捕捉计算过程中，计算出目标电源与残压之间相角差速度及加速度，按照设定的目标电源开关的合闸时间进行计算得出合闸提前量，从而装置发合目标电源开关指令，实现同期捕捉判别功能。

；
5.2.2.3 慢速切换
（1）残压切换
当母线电压（残压）下降至20％～40％额定电压时合上备用电源，此时实现的切换称为“残压切换”，该切换可作为快速切换及同期判别功能的后备，以提高厂用电切换的成功率。

（2）长延时切换
当某些情况下，母线上的残压有可能不易衰减，此时如残压定值设置不当，可能会推迟或不再进行合闸操作。

因此有必要设置长延时切换功能，该功能在装置启动后计时，一旦设定延时到后，无条件进行切换，该功能作为备用电源的“抢合”操作，也可作为以上三种切换的总后备。

5.2.3 快切装置的闭锁
5.2.3.1 工作分支保护闭锁
当某些判断为母线故障的保护动作时（如工作分支限时速断），为防止备用电源误投入故障母线，可由这些保护给出的接点闭锁装置。

一旦该接点闭合，装置将自动闭锁切换，同时等待人工复归方可进行下次操作，该接点的输入回路宜设计成具有记忆功能，可有效防止当保护接点返回后启动快切装置。

5.2.3.2 控制台闭锁装置
当控制台（或DCS系统）闭锁装置时，装置将自动闭锁出口回路，该接点的输入回路宜设计成自动返回，当外部闭锁条件消失时，自动解除闭锁回路，恢复正常切换功能。

5.2.3.3 TV断线闭锁
当厂用母线PT断线时，装置宜自动闭锁低电压切换功能，发TV断线信号，当母线电压恢复正常后，自动开放低电压切换功能。

5.2.4 其它功能
5.2.4.1 开关位置异常
厂用电正常运行时，1DL,2DL在合位，3DL在分位。

如装置检测到开关位置异常（工作开关误跳除外），装置需闭锁切换，同时发开关位置异常告警信号。

5.2.4.2 去耦合
该功能仅适用于采用同时切换，在切换过程中，因装置发跳工作开关指令后，是不等待其辅助接点断开后就发合备用开关指令，如果工作开关未跳开，势必将造成两电源并列。

此时如去耦合功能投入，装置将自动将刚合上的备用开关再跳开，以防止事故进一步扩大化。

5.2.4.3 等待复归
电力规程要求备自投装置只允许动作一次，因而快切装置也不例外，在以下几种情况下，需对装置进行复归操作,以备进行下一次操作。

a)进行了一次切换操作后；
b)发出闭锁信号后,且为不可自恢复发生装置故障及修复后（直流消失除外）。

在装置等待复归期间，装置将不响应任何外部操作及起动信号，只能手动复归解除。

如故障或闭锁信号仍存在，需待故障或闭锁消除后才能复归。

5.2.4.4 装置故障
一般指装置在正常运行时，装置自动对装置内的重要部件（如CPU、FLASH、EEPROM、AD、电源电压、继电器出口回路等）进行动态自检，当发现装置存在故障时的报警信号。

5.2.4.6 装置录波功能
随着新一代快速切换装置的推出，装置本身内部的CPU寻址范围不断扩大，及大容量的记忆存储
芯片的采用，为快切装置的录波、大容量事件的记录提供了有效的保证，通过对整个切换过程重要参数的录波，可有效对装置定值整定的合理性、装置动作行为的正确性以及研制更新一代快切均提供了更为简捷的路径。

整定计算
5.5.1 快速切换装置的整定
5.5.1.1 工作母线低电压继电器的整定
按照工作母线上允许的最低工作电压，低电压继电器动作的条件整定。

即
TV
rel r op n K U K U min = 式中min U －最低工作电压，取额定电压的90％；
rel K －可靠系数，取～；
r K －返回系数，取～；
TV n －电压互感器变比。

该低电压继电器的整定值约为额定电压的70％。

5.5.1.2 延时整定
当网络内发生故障、母线残压降低到低电压继电器的起动值时，应由网络保护切除故障，快切装置不应动作。

即
t t t op op ∆+=max .
式中max .op t －断开集中阻抗前短路和高压电动机内部短路时保护装置的最大动作时间；
t ∆－时间级差，取～.
综合考虑锅炉在出力不稳的情况下，以及不能提供厂用电的安全稳定运行，一般延时整定为：
～之间。

5.5.1.3 母线残压的整定
1）必须小于线路上集中阻抗（例如变压器或电抗器的阻抗）后发生短路时的残压，即
TV
rel K op n K U U = 式中K U －母线残压；
rel K －可靠系数，取～；
TV n －电压互感器变比。

2)在线路集中阻抗前发生短路时，厂用母线残压接近于0，残压继电器必然动作。

当故障由出线断路器切除后，由于电动机在起动，母线电压为自起动电压m U ，残压继电器应该返回。

TV
r m op n K U U =
式中
r
K－返回系数，取～；
由于残压继电器是反应工作母线消失的，而不是反应母线电压降低的，因此，起动电压应尽量整定得低些，通常取额定电压的25％，就能满足上述两个条件。

我厂取30.
5.5.1.4 快速切换的整定计算
快切装置一般采用采用角差（ϕ
∆）加频差（f∆）这一判据
当以上两个条件都满足时，进行快速切换。

母线残压（
.
1
U）、备用电源(
.
2
U)及向量差(∆
.
U)之间的相位关系如图10－5所示根据余弦定理：
母线残压（
.
1
U）、备用电源(
.
2
U)及向量差(∆
.
U)
ϕ
∆
-
+
=
∆COS
U
U
U
U
U
2
1
2
2
2
1
22，
2
1
2
2
2
2
1
2
arccos
U
U
U
U
U∆
-
+
∆＝
ϕ
式中
.
.
2
.
1
U
U
U∆
、
、分别为母线残压、备用电源电压及它们之间的矢量差ϕ
∆为备用电源电压与母线残压之间的相位差
5.5.1.5 同期捕捉定值的整定
在不满足快切条件的情况下，等到残压的相位首次与备用电源电压重合时，合上备用电源开关，这就需要提前一个开关合闸时间或角度发出合闸命令
on
on
ah
t
t=
.
2...21on ah s on ah s on ah t dt
d t ωωδ+= on on ah t t 、.－分别为导前时间（ms ）和开关全部合闸时间（ms ） on ah .δ－同期捕捉合闸导前角（°）
s ω－母线残压与备用电源电压间的频差角速度（f s ∆⨯=360ω）（°/ms ） dt
d s ω－频差角加速度（°/ms 2） 按通常快切装置的设计，首次同相位切换还有一个频率差整定值f ∆
5.5.1.6 并联手动切换
并联切换的相位差整定值一般取10度，电压幅值差取5V ，频率差取。

谢谢大家！。