新型電源快速切換裝置在工業(yè)企業(yè)變電站的應(yīng)用

1、新型電源快速切換裝置在工業(yè)企業(yè)變電站的應(yīng)用馮小蘭1,李杰2,苗世華2,于志國1(1.中國石化股份有限公司茂名分公司,廣東茂名525000;2.江蘇金智科技股份有限公司,江蘇南京211100收稿日期:2010-07-12;修回日期:2010-12- 23電力自動化設(shè)備Electric Power Automation EquipmentVol.31No .4Apr.2011第31卷第4期2011年4月摘要:傳統(tǒng)電源快速切換裝置主要應(yīng)用于火電廠廠用電系統(tǒng)。為了更好地應(yīng)用于工業(yè)企業(yè)變電站,新型電源快速切換裝置做了如下方面改進(jìn)和創(chuàng)新:其一,裝置可由定值整定區(qū)分單母和單母分段接線,而對于不同運行方式,裝

2、置依靠自身采集的開關(guān)位置等信息自適應(yīng),無需人工設(shè)置,減少了設(shè)計和操作的復(fù)雜性;其二,提出了無流啟動、逆功率啟動、頻率及電壓變化量啟動等快速啟動方式,有效地解決了變電站所特有的故障情況下的快速啟動問題;其三,考慮使用工況的復(fù)雜性,裝置設(shè)計了完善的閉鎖邏輯,并引入方向過流閉鎖功能。通過在工業(yè)企業(yè)的成功應(yīng)用,充分驗證了新型電源快速切換裝置在該領(lǐng)域的先進(jìn)性和適用性。關(guān)鍵詞:工業(yè)企業(yè)變電站;電源快速切換裝置;無流啟動;逆功率啟動;頻率及電壓變化量啟動;方向過流閉鎖中圖分類號:TM 762文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B文章編號:1006-6047(201104-0139-040引言電源快速切換裝置在發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)(以下

3、簡稱廠用電的應(yīng)用已有多年,并已成為標(biāo)準(zhǔn)配置。工業(yè)企業(yè)變電站(以下簡稱工企變電站要求對現(xiàn)有電源快速切換的相關(guān)判據(jù)進(jìn)行改進(jìn),當(dāng)工作電源故障時在幾百毫秒內(nèi)將備用電源投入,母線電壓幅值在降低到低壓保護(hù)動作值之前恢復(fù),使生產(chǎn)負(fù)荷不間斷運行。本文首先介紹了工企變電站電源切換的現(xiàn)狀和電源快速切換的基本原理;然后分析了電源快速切換裝置在工企變電站應(yīng)用的難點并提出解決辦法,進(jìn)行了案例介紹;最后提出后續(xù)仍需研究的課題。1國內(nèi)工企變電站電源切換的現(xiàn)狀在石化、鋼鐵及煤礦等大型工企,由于連續(xù)生產(chǎn)及安全的重要性,都會在各個電壓等級進(jìn)行雙電源配置,目的就是在某一電源故障情況下,將另一電源投入,以使生產(chǎn)得以繼續(xù)。目前,工企變

4、電站仍廣泛使用備自投裝置或雙電源切換模塊來實現(xiàn)工作電源與備用電源之間的切換。由于備自投都是低壓啟動(70%額定電壓、殘壓切換(30%額定電壓,在備用電源投入前,工作母線電壓已經(jīng)降到30%以下,而電動機(jī)通常配置的低電壓保護(hù)定值是70%,延時0.5s ,這種情況下,低電壓保護(hù)基本都已動作跳開負(fù)荷開關(guān),即使開關(guān)未跳開,電機(jī)面對如此低的電壓在備用電源投入后也無法自啟動成功(自啟動電壓臨界值為60%70%的額定電壓,生產(chǎn)的中斷在所難免,給企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失甚至安全事故。在此意義上,故障情況下的備用電源形同虛設(shè),以致有一些企業(yè)用戶直接將備自投退出運行1-3。2電源快速切換的基本原理工作電源因故障切除后

5、,工作母線失電,由于慣性及存儲的磁場能量,電動機(jī)在短時間內(nèi)將繼續(xù)旋轉(zhuǎn),并將磁場能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。由于各電動機(jī)的容量、參數(shù)不一致,電動機(jī)之間將有電磁能與動能的交換,此時部分異步電動機(jī)實際上已轉(zhuǎn)入異步發(fā)電機(jī)運行工況,因此工作母線的電壓即是多臺異步發(fā)電機(jī)發(fā)出的反饋電壓的合成,稱為母線殘壓。由于不存在原動力和勵磁,殘壓的幅值和頻率將隨時間逐漸衰減,殘壓與備用電源電壓間的相位將逐漸增大。殘壓變化相量圖如圖1所示,U s 為備用電源電壓,U d 為母線殘壓。電源快速切換主要由啟動邏輯、切換邏輯和實現(xiàn)邏輯等3個部分組成。所謂啟動邏輯,就是電源快圖1殘壓相量圖Fig.1Phasor diagram of resi

6、dual voltageB90180270UAE U s U dF CD GA A 0.1s 0.2s第31卷電力自動化設(shè)備 速切換裝置啟動電源切換的條件判據(jù),主要有保護(hù)啟動、無流啟動、變位啟動及失壓啟動等;切換邏輯是指跳開工作開關(guān)和合上備用開關(guān)的順序,主要有串聯(lián)切換、同時切換和并聯(lián)切換;實現(xiàn)邏輯就是什么條件下發(fā)合備用開關(guān)命令的判據(jù),主要有快速切換、同期捕捉等。實現(xiàn)邏輯是電源快速切換理論中的核心內(nèi)容,根本任務(wù)是既要在工作母線電壓幅值較高的時候?qū)溆秒娫赐度?更要確保投入時對負(fù)荷設(shè)備的沖擊在允許范圍之內(nèi)。為保證切換安全,一般應(yīng)使合閘時電動機(jī)承受的電壓不大于1.1倍額定電壓。圖1中ABCD 螺旋形

7、曲線為殘壓變化軌跡,幅值逐漸變小,與備用電壓U s 的相位差在0°360°變化。AB 段為允許合閘范圍,在此段內(nèi)實現(xiàn)的切換稱為“快速切換”;BC 段不允許合閘;CD 段再次允許合閘,該階段完成的切換稱為“同期捕捉切換”?？焖偾袚Q和同期捕捉實時跟蹤和計算工作電壓與備用電壓之間的壓差、頻差和相差,以整定頻差、0°或整定相差為目標(biāo),通過負(fù)荷預(yù)測、頻率變化及相差變化預(yù)測等相關(guān)邏輯運算,適時將備用電源投入,達(dá)到工作母線電壓降幅最小、對負(fù)荷沖擊盡可能小的效果4-9。3電源快速切換裝置在工企變電站應(yīng)用的難點典型工企變電站主接線如圖2所示。 在廠用電應(yīng)用中,主接線基本都是單母方式

8、,而且工作電源和備用電源是固定不變的,電源快速切換裝置的切換過程就是將高廠變跳開、投入起備變。而在工企變電站,大多數(shù)情況都是單母分段方式,而且運行方式多樣,工作電源和備用電源不固定,一般都是2條進(jìn)線互為備用。這就要求裝置能自動適應(yīng)各種運行方式,不管哪個電源發(fā)生故障,都能迅速將其所帶負(fù)荷轉(zhuǎn)到另一個電源。電源快速切換裝置之所以能夠?qū)崿F(xiàn)快速切換,先決條件就是要能夠在第一時間捕捉到工作電源故障信息,然后啟動切換邏輯,而不能等到工作母線電壓低于70%額定電壓才啟動。電源快速切換裝置在廠用電應(yīng)用時,快速啟動條件主要靠接入工作電源的主保護(hù)動作信號實現(xiàn),當(dāng)工作電源發(fā)生故障時,主保護(hù)的動作延時一般在30ms 左

9、右,保護(hù)動作跳閘同時以信號方式通知電源快速切換裝置啟動切換。而在工企領(lǐng)域,由于管轄范圍以及距離等原因,電源快速切換裝置需要的保護(hù)動作信號往往無法接入,這種情況下,原來的快速啟動條件就無法使用。由于一些工企變電站在工作母線接有自備發(fā)電機(jī),正常運行時只需從電網(wǎng)吸收很小的功率,甚至還會向電網(wǎng)倒送功率,這種情況下,基于電流幅值和功率方向的啟動判據(jù)就存在問題。可見,鑒于工企變電站的復(fù)雜情況,任何一種啟動判據(jù)都無法適用于所有場合,必須設(shè)計多種啟動判據(jù)以適應(yīng)不同的工況。另外,強調(diào)電源快速切換裝置快速切換能力的同時,也不能忽視安全的重要性,需要充分考慮各種因素,尤其要防止誤切換或?qū)⑹鹿蕯U(kuò)大,在工作母線及其所帶

10、設(shè)備發(fā)生故障時,電源快速切換裝置要及時可靠閉鎖切換,絕對避免將備用電源投入到故障中。在廠用電中同樣依賴于其他保護(hù)裝置提供的信號,而在工企變電站,也會遇到這些信號無法提供的問題。4問題的解決首先要適應(yīng)工企變電站接線及運行方式的多樣性。電源快速切換裝置可由定值整定區(qū)分單母和單母分段接線。而對于不同運行方式,電源快速切換裝置依靠自身采集的開關(guān)位置等信息自適應(yīng)。如圖3所示,假設(shè)正常運行時母線分段運行,即進(jìn)線1、2各帶一段母線,QF 1、QF 2在合位,QF 3在跳位。當(dāng)進(jìn)線1發(fā)生故障后,裝置跳開QF 1,合上QF 3,由進(jìn)線2帶2段母線;同樣,當(dāng)進(jìn)線2發(fā)生故障后,裝置跳開QF 2,合上QF 3,由進(jìn)線

11、1帶2段母線;如果正常運行時,進(jìn)線2帶2段母線,進(jìn)線1處于備用狀態(tài),即QF 2、QF 3在合位,QF 1在跳位,當(dāng)進(jìn)線2發(fā)生故障時,裝置跳開QF 2,合QF 1,由備用電源進(jìn)線1帶2段母線;如果正常運行時,進(jìn)線1帶2段母線,進(jìn)線2處于備用狀態(tài),即QF 1、QF 3在合位,QF 2在跳位,當(dāng)進(jìn)線1發(fā)生故障時,裝置跳開QF 1,合QF 2,由備用電源進(jìn)線2帶2段母線。其次,設(shè)計多種啟動判據(jù)以適應(yīng)工企變電站的復(fù)圖2工企變電站典型主接線圖Fig.2Typical connection diagram of industrialsubstationS 1S 2T 2T 1M M MM母母母母進(jìn)線1進(jìn)線2

12、110kV6kV 圖3切換示意圖Fig.3Schematic diagram of switchover進(jìn)線1進(jìn)線2QF 1QF 3QF 2QF 1QF 3QF 2QF 1QF 3QF 2進(jìn)線1進(jìn)線2進(jìn)線1進(jìn)線2進(jìn)線2故障啟動切換進(jìn)線1故障啟動切換手動切換進(jìn)線2故障啟動切換進(jìn)線1故障啟動切換手動切換馮小蘭 ,等:新型電源快速切換裝置在工業(yè)企業(yè)變電站的應(yīng)用第4期雜工況。主要有以下幾種。a.保護(hù)啟動:裝置引入工作電源主保護(hù)動作節(jié)點,利用此信號來啟動切換。b.無流啟動:電源快速切換裝置采集進(jìn)線開關(guān)處的三相電流,以無流門檻值判斷,配合工作母線電壓判據(jù),主要用于當(dāng)工作電源開關(guān)和上級開關(guān)無跳或因故障跳開后

13、啟動切換,正常運行時的最小進(jìn)線電流要大于無流門檻值,否則此判據(jù)應(yīng)退出。c.逆功率啟動:利用進(jìn)線電流和工作母線電壓實時計算各相功率方向,當(dāng)功率方向出現(xiàn)由工作母線流向電網(wǎng)時,配合電流幅值和電壓幅值等判據(jù),確認(rèn)是工作電源發(fā)生故障,啟動切換,如果正常運行時工作母線就有可能向電網(wǎng)倒送功率,此判據(jù)宜退出運行。d.頻率及電壓變化量啟動:當(dāng)工企變電站接有自備發(fā)電機(jī)時,可能出現(xiàn)進(jìn)線電流很小甚至流向電網(wǎng)的情況,此時基于電流幅值和方向的判據(jù)都不能很好區(qū)分故障和正常運行。但在工作電源主保護(hù)動作跳開后,母線電壓幅值及頻率都將逐漸降低,利用這一特性啟動切換。與單純的低電壓啟動相比,此判據(jù)因結(jié)合頻率元件,可在電壓剛開始下降

14、時就啟動,而不必等到70%額定電壓左右。e.變位啟動:利用接入電源快速切換裝置的進(jìn)線開關(guān)輔助接點,加以無流輔助判據(jù),用于在進(jìn)線開關(guān)發(fā)生偷跳情況下快速切換。與此同時,為避免出現(xiàn)誤切換,專門設(shè)計開發(fā)了閉鎖邏輯組,在各種異常情況下閉鎖切換邏輯,如開關(guān)位置異常、TV斷線及裝置異常等。其中,首次在電源快速切換裝置中加入方向過流閉鎖邏輯,依據(jù)采集進(jìn)線開關(guān)處的電流和工作母線電壓,實時計算電流的幅值和方向,當(dāng)出現(xiàn)幅值大于整定值且方向流向工作母線時,結(jié)合電壓幅值降低,判斷出工作母線或其所帶設(shè)備發(fā)生故障,經(jīng)短延時閉鎖切換邏輯。其他相關(guān)邏輯也要進(jìn)行針對性的改進(jìn)和開發(fā),諸如判合閘條件中可能遇到的頻差正負(fù)問題等10-1

15、5。5應(yīng)用實例電源快速切換裝置在茂名石化的應(yīng)用案例如圖4所示,現(xiàn)場正常運行時單母分段,2條進(jìn)線各帶1段母線,互為備用。安裝于110kV母線處的電源快速切換裝置的作用是在一條進(jìn)線發(fā)生故障情況下跳開該進(jìn)線與母線之間的開關(guān),合上母聯(lián)QF3,由另一條進(jìn)線帶2段母線,保證2臺變壓器所帶的4臺電機(jī)不間斷運行。由于該企業(yè)地處雷電多發(fā)區(qū),110kV 進(jìn)線是架空線,故障概率較高。自改造后,共發(fā)生7次外線路故障,電源快速切換裝置均以快速切換或同期捕捉切換將備用電源投入,都在400ms內(nèi)切換成功,生產(chǎn)負(fù)荷不間斷運行,避免了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患。某次實際動作情況如下:進(jìn)線B相發(fā)生單相金屬性接地故障,該相電壓瞬間接

16、近于0,裝置在故障發(fā)生1個周期后即檢測到,發(fā)跳開進(jìn)線開關(guān)命令,2個周期后開關(guān)跳開,故障切除,B相電壓恢復(fù)為電機(jī)反饋的殘壓。然后電源快速切換裝置進(jìn)入判斷合備用開關(guān)條件邏輯,再過3個周期后備用開關(guān)合上,完成切換,工作母線電壓最低為75.72%額定電壓,生產(chǎn)負(fù)荷無一中斷運行。6后續(xù)要研究的問題工企變電站工作母線所帶設(shè)備眾多,除了一般的異步電動機(jī)外,比較常見的還有同步電動機(jī)、高壓并聯(lián)電容器組及發(fā)電機(jī)等。有必要對各種負(fù)荷特性進(jìn)行深入研究:一是要了解這些設(shè)備的存在對電源快速切換的影響;二是要清楚在電源快速切換過程中對這些設(shè)備有哪些影響,在什么情況下會對其造成沖擊損害,從而需要在投入備用電源前將其切除。7結(jié)

17、語本文就電源快速切換裝置在工業(yè)企業(yè)的應(yīng)用進(jìn)行了闡述,針對這些領(lǐng)域的特殊性,對已有電源快速切換邏輯進(jìn)行改進(jìn),使之能夠很好地應(yīng)用于工企變電站。與變電站廣泛使用的備自投等切換模塊相比,電源快速切換裝置可以實現(xiàn)真正意義上的“不停電”切換,保證安全、連續(xù)生產(chǎn)。參考文獻(xiàn):1鄭曲直,程穎.備用電源自投裝置設(shè)計、應(yīng)用的若干問題J.繼電器,2003,31(8:18-21.ZHENG Quzhi,CHENG Ying.A summarization on design and application of backup power switchover unitJ.Relay,2003, 31(8:18-21.2

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19、ce and thought of automatic bus transfer in power networkJ.Electric Power Automation Equipment,2005,25(8:99-101.4郭偉,胡敏羑,葉留金,等.廠用電切換方法的應(yīng)用及研究J.圖4電源快速切換裝置實際應(yīng)用圖Fig.4Application diagram of bus transfer device SM1M2M3M4母母裝置QF3STV2TV1TA2TA1QF1QF2進(jìn)線1進(jìn)線2TA3Application of high -speed bus transfer device in in

20、dustrial substationFENG Xiaolan 1,LI Jie 2,MIAO Shihua 2,YU Zhiguo 1(1.Maoming Petroleum &Chemical Corporation ,Maoming 525000,China ;2.Wiscom System Co.,Ltd.,Nanjing 211100,China Abstract :The high -speed bus transfer device is mainly used in power plant auxiliary system ,which has been improve

21、d to fit the industrial substations.It identifies the single bus connection or sectionalized single bus connection by setting and adapts to different running modes according to the self -acquired breaker status ,which reduces the complexity of design and operation.It applies substation -specific fas

22、t starting modes ,such as no -current starting ,reverse -power starting and frequency -voltage -change starting.With the consideration of different working conditions ,comprehensive blocking functions are designed ,including the directional over -current blocking function.Its excellence and applicab

23、ility are validated by some industrial substation applications.Key words :industrial substation ;high -speed bus transfer device ;no -current starting ;reverse -power starting ;frequency -voltage -change starting ;directional over -current blocking電力系統(tǒng)自動化,1999,23(15:26-29.GUO Wei ,HU Minyou ,YE Liuj

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