发电厂厂用电快速切换技术
张海燕 张钧 2010-01-26
摘要：传统的备用电源自投装置采用慢速切换方式，切换时间长，对系统稳定运行不利。随着继保技术的发展，微机型厂用电快切技术得到广泛应用，本文介绍了发电厂厂用/备用电源切换的新技术和新原理。
关键词：厂用电 同期快切
0 引言
中小容量发电厂的厂用电源自动投入装置多为慢速切换方式，基本上满足中小容量机炉运行要求。但慢速切换方式切换时间长，电动机转速下降的幅度大，成组启动时间长，对机炉运行系统不利。并且在事故切换过程中，电流、电压、频率、滑差、相角和转矩等将发生快速变化，为保证工作电源跳闸或母线电压消失时，备用电源快速投入，使厂用电系统中各设备连续运行而不中断，我们引入快速切换及同期捕捉切换等新型的切换方法，实现厂用电源快速准确的进行切换，提高供电可靠性。
下面结合厂用电源的接线方式，介绍厂用电快速切换过程及切换方式。
1 厂用电源快速切换过程
基本的厂用/备用电源热备用接线方式，厂用电同期快切装置控制CB1和CB2开关。
厂用电源切换过程分为正常切换和事故切换两种方式。正常切换方式指厂用工作分支和备用分支间根据运行方式要求进行的切换； 事故切换方式指厂用工作电源消失后快速投入备用电源的切换方式。
上述两种切换方式都存在工作和备用电源的同期问题，正常切换方式是同频同期的合环操作。事故切换方式是差频同期，即厂用工作母线上的残压、残压频率与电压、频率正常的备用电源进行同期。
2 同期捕捉切换的几种方法
2.1 基于“恒定越前相角”原理，即根据正常厂用负荷下同期捕捉阶段相角变化的速度和合闸回路的总时间，计算出合闸提前角，快切装置实时跟踪频差和相差，当相差达到整定值，且频差不超过整定范围时，即发合闸命令，当频差超范围时，放弃合闸，转入残压切换。这种方法缺点是合闸角精确度不高，且合闸角随厂用负荷变化而变化。
2.2 基于“恒定越前时间”原理，即完全根据实时的频差、相差，依据一定的变化规律模型，计算出离相角差过零点的时间，当该时间接近合闸回路总时间时，发出合闸命令。该方法从理论上讲，能较精确地实现过零点合闸，且不受负荷变化影响。但实用时，需解决不少困难：一是要精确地找出频差、相角差变化规律并给出相应的数学模型，不能简单的采用线形模型；二是由于厂用电反馈电压频率变化的不完全连续性及频率测量的间断性，造成频差及相差测量的间断和偏差；另外，合闸回路的时间也有一定的离散性。由于在同期捕捉阶段，相差的变化速度可达1-2°/1ms，因此任何一方面产生的误差都将大大降低合闸的准确性。
2.3 捕捉电动机群允许的冲击电流时机原理，即捕捉电动机群允许的冲击电流的时机进行切换。此时，大量电动机还未被切除，自启动条件较好，可保证厂用电安全恢复运行。
合上备用电源后电动机承受的电压：
UD=XD△U/（XS+XD）
式中：XD——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——电源的等值电抗令K0=XD/（XS+XD）；
为保证电动机安全自启动，UD应小于电动机的允许最大起动电压，设为1.1倍额定电压UGN，则有：
K0△U＜1.1UGN
根据大型感应电动机的静态电压特性曲线，当施加在感应电动机上的电压低于K点，约0.62Ue时，电动机的有功和无功功率发生跳跃性变化，即转矩急剧下降至停转，且大量吸取无功功率使电源电压大幅度下降，因此投入备用电源必须在反馈电压降到K点之前。
为此，捕捉电动机群允许的冲击电流时机原理的捕捉同期的过程如下：
设UG为工作母线电压，UB为备用母线电压，△U为UG与UB的电压相量差(差拍电压)，δ为UG与UB的初始相角。工作电源消失后，UG幅值下降并且向滞后UB的方向旋转，如图UG1、UG2、UG3、UG4、UG5、UG6，对应压差分别为△U1、△U2、△U3、△U4、△U5、△U6，对应相角差分别为φ1、φ2、φ3、φ4、φ5、φ6。如在△U2时投入备用电源所产生的冲击电流为电动机群安全自启动的允许值，则以U2为半径UB的始端A点为圆心画出的圆弧C⌒E右侧为投入备用电源的安全区。
当断路器一侧有电源，一侧无电源时，即单侧无压合闸。△U4=△U2，C点的△U2为安全切换电压，而E点残压和频率较C点下降很多，电动机自启动备件恶劣，故E点为非安全切换电压。则在ABC段内不满足快切条件时，安全切换点应在选在E点之后进行切换。
3 厂用电切换必须具备的外部条件
为能成功地进行厂用电系统的切换，必须具备以下3个条件：
3.1 正常运行情况下工作电源电压和备用电源电压之间允许有一定的相角差，但一般不宜大于20°。
3.2 快速断路器。少油式断路器因其合分闸时间较长，不适合应用于厂用电系统的切换，宜使用真空断路器，其合、分闸时间一般在40～80ms左右。
3.3 厂用工作电源应配备快速动作的保护继电器，目前广泛使用的微机保护继电器可满足要求。
4 结束语
厂用电切换是一个复杂的动态切换过程，通过深入研究其本质规律，发展了厂用电快速切换技术和装置。微机型厂用电快速切换装置在切换原理和实现方式上有重大改进，并成功地得到了广泛应用。本文研讨了厂用电同期快切原理，推广了厂用电快切技术应用。
