快投装置在发电厂的应用

大容量火电机组的特点之一是采用机、炉、电单元集控方式，其厂用电系统的安全可靠性对整个机组乃至整个电厂运行的安全、可靠性有着相当重要的影响，而厂用电切换则是整个厂用电系统的一个重要环节。
发电机组对厂用电切换的基本要求是安全可靠。其安全性体现为切换过程中不能造成设备损坏，而可靠性则体现为提高切换成功率，减少备用变过流或重要辅机跳闸造成锅炉汽机停运的事故。
以往的厂用电切换方式主要采用以下几种方式：
 以工作开关辅助接点直接（或经低压继电器、延时继电器）起动备用电源投入； ; I9 t3 Z! t7 J) v8 W) P' d
 在合闸回路中加延时以图躲过180反相点合闸（短延时切换）； 0 S r/ T0 }$ ~* ^
 在合闸回路中另串普通机电式或电子式同期检查继电器；
 合闸回路中串残压检定环节，即残压切换。 4 q8 t$ b) E! l: O+ |) w2 d5 ?6 D
以上几种厂用电切换方式都不能很好地满足安全性、可靠性的要求。国内有关资料已经提供了不少同厂用电切换有关的问题和事故，如停机停炉、设备冲坏等。事实上，厂用电切换不当引起的问题有些是明显的、突发的，而有些是渐变的。譬如：电动机或备用变受一两次冲击并不一定马上就损坏，即使坏了，也并不一定引起足够的重视。厂用电切换过程与很多因素有关，较长时间未发生问题并不意味着不存在隐患。
国内已发生多起与厂用电切换有关的问题和事故。如某电厂600MW引进机组由于原设计不合理，几乎每次切换都不成功, 只好增大备用变保护定值，但这显然留下了更大的隐患；某电厂由于厂用电切换不成功, 造成无法安全停机以致大轴损坏；某电厂由于工作电源与备用电源间电气距离很大, 连正常切换都无法保证。
国外在厂用电的事故切换中已广泛采用快速切换，国内近几年的新建工程也基本采用了快速切换装置。随着真空和SF6开关的广泛应用，厂用电源采用新一代快速切换装置已毋容置疑。 ( k& Z0 Y) z) ~; C. M& |; S! p7 o
厂用电源切换的方式可按开关动作顺序分，也可按起动原因分，还可按切换速度进行分类 ) Q: f V7 {& ^& w
按开关动作顺序分类(动作顺序以工作电源切向备用电源为例）： 7 R) `$ e6 |& z+ Y1 Y. d! N4 O
 并联切换。先合上备用电源，两电源短时并联，再跳开工作电源。这种方式多用于正常切换，如起、停机。并联方式另分为并联自动和并联半自动两种。
 串联切换。先跳开工作电源，在确认工作开关跳开后，再合上备用电源。母线断电时间至少为备用开关合闸时间。此种方式多用于事故切换。 5 D! k) z% x: ~7 `9 V- O& Q
 同时切换。这种方式介于并联切换和串联切换之间。合备用命令在跳工作命令发出之后、工作开关跳开之前发出。母线断电时间大于0ms而小于备用开关合闸时间，可设置延时来调整。这种方式既可用于正常切换，也可用于事故切换。 5 l' W0 r! m6 ~7 Y) a
 按起动原因分类：
 正常手动切换。由运行人员手动操作起动，快切装置按事先设定的手动切换方式（并联、同时）进行分合闸操作。 7 D4 ?- V& M& E3 B/ Q; T
 事故自动切换。由保护接点起动。发变组、厂变和其它保护出口跳工作电源开关的同时，起动快切装置进行切换，快切装置按事先设定的自动切换方式（串联、同时）进行分合闸操作。 4 u2 I" f [/ N2 ?
 不正常情况自动切换。有两种不正常情况，一是母线失压。母线电压低于整定电压达整定延时后，装置自行起动，并按自动方式进行切换。二是工作电源开关误跳，由工作开关辅助接点起动装置，在切换条件满足时合上备用电源。 % z0 A7 G; t/ c' O
按切换速度分类: 0 A e. L( ^- O9 }6 n
 快速切换 E4 {' K% X" I4 k: [
 短延时切换 2 a: @. C2 k# B' X- s) {/ @
 同期捕捉切换
 残压切换
切换原理
快速切换
假设有图1所示的厂用电系统，工作电源由发电机端经厂用高压工作变压器引入，备用电源由电厂高压母线或由系统经起动/备用变引入。正常运行时，厂用母线由工作电源供电，当工作电源侧发生故障时，必须跳开工作电源开关1DL，合2DL，跳开1DL时厂用母线失电，由于厂用负荷多为异步电动机，电动机将惰行，母线电压为众多电动机的合成反馈电压，称其为残压，残压的频率和幅值将逐渐衰减。
# j, ?- p0 G" w* b) j
以极坐标形式绘出的某300MW机组6KV母线残压相量变化轨迹(残压衰减较慢的情况)如图2所示。 ; u& u+ W! o4 C5 r% \0 B


图１　厂用电一次系统（一段）简图　 图２　母线残压特性示意图 , P) ^1 e* n# S- q
图中VD 为母线残压，VS 为备用电源电压，△U为备用电源电压与母线残压间的差拍电压。合上备用电源后，电动机承受的电压UM 为： u \7 d. h S5 A4 j. z6 j
UM = XM / (XS ＋XM) △U （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.
令K＝ XM /（XS ＋XM），则 - A% b% T) o; O
UM＝K△U （2）
为保证电动机安全自起动, UM 应小于电动机的允许起动电压, 设为1.1 倍额定电压UDe ，则有： * Z4 A }# R1 M" V
K△U ＜1.1 UDe （3）
△U（％）＜1.1 / K 　 　 　 （4）
设K＝0.67，则△U（％）＜1.64。图２中，以A为圆心，以1.64为半径绘出弧线A'－A''，则A'－A''的右侧为备用电源允许合闸的安全区域，左侧则为不安全区域。若取K＝0.95，则△U（％）＜1.15，图２中B'－B''的左侧均为不安全区域。 / ^' d9 B3 m P0 _' V
假定正常运行时工作电源与备用电源同相，其电压相量端点为A，则母线失电后残压相量端点将沿残压曲线由A向B方向移动，如能在A－B段内合上备用电源，则既能保证电动机安全，又不使电动机转速下降太多，这就是所谓的“快速切换”。 2 [8 v- R, z7 k1 y9 _2 e7 Y, r
图2中，快速切换时间应小于0.2S，实际应用时，B点通常由相角来界定，如60，考虑到合闸回路固有时间，合闸命令发出时的角度应小于60，即应有一定的提前量，提前量的大小取决于频差和合闸时间，如在合闸固有时间内平均频差为1Hz，合闸时间为100ms，则提前量约为36。 ) t; f. P$ N* t
快速切换的整定值有两个，即频差和相角差，在装置发出合闸命令前瞬间将实测值与整定值进行比较，判断是否满足合闸条件。由于快速切换总是在起动后瞬间进行，因此频差和相差整定可取较小值。 8 _4 ]- }7 `" E7 H+ q+ |" a2 |
同期捕捉切换 # C# t- @: p0 }/ Z4 i
同期捕捉切换由东南大学首次提出，并成功运用于MFC2000快切装置。其原理概括如下：
图2中，过B点后BC段为不安全区域，不允许切换。在C点后至CD段实现的切换以前通常称为“延时切换”或“短延时切换”。前面已分析过，用固定延时的方法并不可靠。最好的办法是实时跟踪残压的频差和角差变化，尽量做到在反馈电压与备用电源电压向量第一次相位重合时合闸，这就是所谓的“同期捕捉切换”。以上图为例，同期捕捉切换时间约为0.6S, 对于残压衰减较快的情况，该时间要短得多。若能实现同期捕捉切换，特别是同相点合闸，对电动机的自起动也很有利，因此时厂母电压衰减到65％－70％左右，电动机转速不至于下降很大，且备用电源合上时冲击最小。
需要说明的是，同期捕捉切换之“同期”与发电机同期并网之“同期”有很大不同，同期捕捉切换时，电动机相当于异步发电机，其定子绕组磁场已由同步磁场转为异步磁场，而转子不存在外加原动力和外加励磁电流。因此，备用电源合上时，若相角差不大，即使存在一些频差和压差，定子磁场也将很快恢复同步，电动机也很快恢复正常异步运行。所以，此处同期指在相角差零点附近一定范围内合闸（合上）。 1 F4 c, c+ _5 b& v; {6 {6 {
在实现手段上，同期捕捉切换有两种基本方法：一种基于“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（取决于该时的频差）和合闸回路的总时间，计算并整定出合闸提前角，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，且合闸角随厂用负载变化而变化。另一种基于“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：一是要准确地找出频差、相角差变化的规律并给出相应的数学模型，不能简单地利用线性模型；二是由于厂用电反馈电压频率变化的不完全连续性（有跳变）及频率测量的间断性（10ms一点）等，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等。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。 6 B. J: }: X$ X \( a& W
MFC2000系列快切装置的“恒定越前时间”同期捕捉切换方法，采用动态分阶段二阶数学模型来模拟相角差的变化，并用最小二乘法来克服频率变化及测量的离散性及间断性，使得合闸准确度大大提高。如不计合闸回路的时间偏差，可使合闸角限制在±10°以内。
同期捕捉切换整定值也有两个。当采用恒定越前相角方式时，为频差和相角差（越前角）；当采用恒定越前时间方式时，为频差和越前时间（合闸回路总时间）。同期捕捉方式下，频差整定可取较大值。 & u% b* {: B# Z- v
残压切换
当残压衰减到20％－40％额定电压后实现的切换通常称为“残压切换”。残压切换虽能保证电动机安全，但由于停电时间过长，电动机自起动成功与否、自起动时间等都将受到较大限制。如上图情况下，残压衰减到40％的时间约为1秒，衰减到20％的时间约为1.4秒。而对另一机组的试验结果表明，衰减到20％的时间为2秒。