厂用电源快切装置原理及切换中注意问题

厂用电源快切装置原理及切换中注意问题
河北大唐王滩发电有限责任公司
师淑英、赵福军
摘要：本文介绍了厂用电源快速切换装置中快速切换，同期判别切换，残压切换、长延时切换的原理以及在定值整定和切换中应注意的问题。

关键词：厂用电源快速切换、同期判别切换、残压切换、长延时切换
概述
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。

以往厂用电切换大都采用工作电源的辅助接点直接（或经低压继电器、延时继电器）起动备用电源投入。

这种方式未经同步检定，电动机易受冲击。

合上备用电源时，母线残压与备用电源电压之间的相角差已接近180°，将会对电动机造成过大的冲击。

若经过延时待母线残压衰减到一定幅值后再投入备用电源，由于断电时间过长，母线电压和电机的转速均下降过大，备用电源合上后，电动机组的自起动电流很大，母线电压将可能难以恢复，从而对电厂的锅炉系统的稳定性带来严重的危害。

微机型备用电源快速切换装置是专门为解决厂用电的安全运行而研制的。

采用该装置后，可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，如失去快速切换的机会，则装置自动转为同期判别或判残压及长延时的慢速切换，同时在电压跌落过程中，可按延时甩去部分非重要负荷，以利于重要辅机的自起动。

提高厂用电切换的成功率。

一、快速切换、同期判别切换、残压切换及长延时切换原理说明
图1所示为厂用电系统的某一段接线图，图2为电动机切换时的等值电路图。

图１厂用电系统的某一段接线图
图2 电动机重新接通电源时的等值电路图和相量图
（a）等值电路图（b）相量图
Us—电源电压；Ud—母线上电动机的残压；Xs—电源等值电抗；Xm—母线上电动机组和低压负载的等值电抗（折算到高压厂用电压）；ΔU—电源电压与残压之间的差拍电压。

由图1所示，正常运行时，厂用母线电源由发电机端经厂用高压工作变压器提供，备用电源由电厂高压母线或由系统经起动/备用变提供。

当发电机组保护
动作或工作电源侧故障时，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，此时如备用电源2DL 及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1.1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3 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＝0.67，计算得到△U（％）＝1.64。

在图3中，以A点为圆心，以1.64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（0.3秒）以前进行的切换，对电机是安全的。

延时至C点（0.47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。

1.1 快速切换
式（4－3）中的K值，与机组负荷有关，负荷轻时，会切除一些辅机。

切除部分电动机后，Xm增加，K值也增加，△U则减少，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=0.67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25O 以内时实现的快速切换对电机是安全的。

1.2 同期判别切换
在厂用电源快速切换装置中，厂用电源母线电压（事故切换时为残压）的采样采用了自动频率跟踪技术，各电源电压的频率、相位及相位差采用软件测量，使得残压幅值计算的准确性及各相位计算的准确性、可靠性得到了有效地保证。

在同期判别过程中，装置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，从而保障了在残压与目标电压向量在第一次相位重合时合闸。

减小了对厂用旋转负载的冲击。

设某时刻残压与目标电源角差速度为V O/mS ;
加速度为a O/mS2 ;
目标电源开关的固有合闸时间为TmS ;
则：目标开关发合闸指令的提前角度为：
θ＝V×T + 0.5×a×T2
设当前残压与目标电源之间相位差为ψ，则条件：
|360-(ψ+θ)|≤ξ；
ψ≥180O且第一次过反相点；
ξ为一固定小值；
同时满足时，装置发合目标电源开关指令，实现同期判别切换功能。

1.3 残压切换
当母线电压（残压）下降至20％～40％额定电压时实现的切换称为“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。

1.4 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。

因此在该装置中另设了长延时切换功能，作为以上三种切换的总后备。

二、厂用电源快切装置原理说明
2.1正常手动切换功能
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。

它主要用于发电机起、停机时的厂用电切换。

该功能由手动起动，在控制台或装置面板上均可操作。

手动切换可分为并联切换及串联切换。

2．1.1 手动并联切换
◆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。

◆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：
1：手动并联切换只有在两电源并联条件满足时才能实现，并联条件可在装置中整定。

2：两电源并联条件满足是指：
⑴两电源电压差小于整定值。

⑵两电源频率差小于整定值。

⑶两电源相角差小于整定值。

⑷工作、备用电源开关任意一个在合位、一个在分位。

⑸目标电源电压大于所设定的电压值。

⑹母线PT正常。

2.1.2 手动串联切换
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。

切换条件：快速、同期判别、残压及长延时切换。

快速切换不成功时自动转入同期判别、残压及长延时切换。

2.2 事故切换
事故切换指由发变组、厂变保护（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。

◆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。

切换条件：快速、同期判别、残压及长延时切换。

快速切换不成功时自动转入同期判别、残压及长延时切换。

◆事故同时切换（切换逻辑示意图见附图5）
由保护接点起动，先发跳工作电源开关指令，在切换条件满足时（或经用户延时）发合备用电源开关命令。

切换条件：快速、同期判别、残压及长延时切换。

快速切换不成功时自动转入同期判别、残压及长延时切换。

2.3 非正常工况切换
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。

该切换有以下两种情况。

◆母线低电压
当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。

切换条件：快速、同期判别、残压及长延时切换。

快速切换不成功时自动转入同期判别、残压及长延时切换。

◆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，装置可根据选定方式进行串联或同时切换。

切换条件：快速、同期判别、残压及长延时切换。

快速切换不成功时自动转入同期判别、残压及长延时切换。

2.4 低压减载功能
本装置可提供两段式定时限低压减载出口功能。

该功能的设置主要为了在厂用母线电压降低时，先逐级切除部分非重要辅机，以保证重要辅机能正常自起动。

三、切换当中应注意的问题
3.1采用快速切换及同期判别的目的是为了在厂用母线失去工作电源或工作电源故障时能可靠、快速地将备用电源切换至厂用母线上，而从以往快切装置反馈的信息看，往往是快切装置正确动作，而备用电源因速断或过流保护动作而跳开，从某种意义上说，此时的切换也是失败的。

究其原因主要是备用电源速断及过流保护定值整定的依据往往以躲过变压器励磁涌流及所带负荷中需自起动的电动机最大起动电流之和。

根据经验，快速切换及同期判别切换一般在0.5秒左右完成，如果切换其间母线残压衰减较快，所带负荷中的非重要辅机可能还来不及退出，如此时合上备用电源，所有辅机将一起自起动，引起起动/备用变压器过流，其值可能超过过流定值，甚至达到速断定值。

为避免出现上述情况，在快速切换及同期判别时，分别增加了母线电压的判据（可通过控制字投退）。

当母线电压小于定值时不再进行快速切换或同期判别切换，等切除部分非重要辅机后再进行残压或长延时切换，提高厂用电切换的成功率。

3.2由于厂用工作和起动/备用变压器的引接方式不同，它们之间往往有不同数值的阻抗，当变压器带上负荷时，两电源之间的电压将存在一定的相位差，这相位差通常称作“初始相角”。

初始相角的存在，在手动并联切换时，两台变压器之间会产生环流，此环流过大时，对变压器是十分有害的，如在事故自动切换时，初始相角将增加备用电源电压与残压之间的角度，使实现快速切换更为困难。

初始相角在200时，环流的幅值大约等于变压器的额定电流，在切换的短时内，该环流不会给变压器带来危害。

因此在厂用工作与起动/备用变压器的引线可能使它们之间的夹角超过200时，建议采用手动串联切换方式进行。

作者简介：师淑英（1971—）女高级工程师，从事发电厂保护设备检修与维护工作。