李 洲 方子朝 令彤彤 曹璐瑤 頓小寶

某電廠單母分段接線方式廠用電快速切換系統(tǒng)存在的問題及改進措施

李 洲1方子朝2令彤彤2曹璐瑤1頓小寶2

（1. 西安益通熱工技術(shù)服務有限責任公司，西安 710061；2. 西安熱工研究院有限公司，西安 710061）

本文介紹某國外二拖一聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠應用的一種特殊廠用電接線形式，分析該種接線方式下原有廠用電快速切換系統(tǒng)不能實現(xiàn)廠用電安全、快速切換的原因，并從設計、保護配置及二次回路方面加以改進，通過實際的切換試驗驗證改進方案的可行性。

廠用電；快切；主接線；聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠（CCPP）

0 引言

某歐洲東部新建項目為一套6F級二拖一燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組，一期工程包括兩臺安塞爾多AE64.3A燃機、兩臺燃氣輪發(fā)電機、兩臺自然循環(huán)臥式余熱鍋爐和一臺蒸汽輪發(fā)電機，燃機與汽機不同軸，聯(lián)合循環(huán)設計工況出力160MW。廠內(nèi)2號燃機通過2號主變（2號GT）與電網(wǎng)相連，1號燃機與汽機連接于1號主變（1號GT）低壓側(cè)兩個分裂繞組，通過主變與系統(tǒng)相連。發(fā)電機與主變之間均設有發(fā)電機斷路器。主變低壓側(cè)額定電壓為11kV，經(jīng)過T接于主變低壓側(cè)和發(fā)電機斷路器之間封閉母線的電抗器將電源送至11kV母線，再經(jīng)過高壓廠用變壓器（AT）將電源送至6.3kV母線，為三臺發(fā)電機提供起動電源。

中壓廠用電系統(tǒng)如圖1所示，廠用電接線方式采用單母分段方式，11kV及6.3kV母線均為兩段配置，兩段11kV母線相互獨立，兩段6.3kV母線之間設有母聯(lián)斷路器CB5，正常運行時為熱備用狀態(tài)，當任意一臺主變或高壓廠用變壓器停電時，母聯(lián)斷路器CB5應能通過快切裝置快速合閘，以滿足兩段6.3kV母線不失電或者短時失電的要求，之后由正常運行的主變和高壓廠用變壓器給三臺機組的廠用負荷提供電源。對于廠用電快速切換系統(tǒng)來說，斷路器CB2和斷路器CB4均為工作電源斷路器，而母聯(lián)斷路器CB5則是備用電源斷路器，因此，該項目的廠用電快速切換系統(tǒng)要求所采用的快切裝置應具備能夠同時控制三臺斷路器的功能[1-5]，也可稱之為三電源切換[6]。

圖1 中壓廠用電系統(tǒng)

該項目初始設計為配置一臺雙電源快速切換裝置，如圖2所示，控制對象只有兩個斷路器，CB1和CB2，顯然初始設計忽略了母聯(lián)斷路器的影響，不能滿足該項目對兩臺機廠用電通過母聯(lián)斷路器相互備用的要求。通過查閱國產(chǎn)主流快切裝置的原理說明發(fā)現(xiàn)，快切裝置的應用場合均為圖2所示的接線方式，類似圖1所示的單母分段主接線方式需通過備自投裝置來實現(xiàn)電源的相互備用，而備自投裝置的動作時間要遠遠大于快切裝置，且無快切裝置所具備的同期捕捉、殘壓切換等功能，一般用于低壓配電系統(tǒng)且對切換速度要求不太嚴格的場合。

圖2 快切裝置典型適用主接線

本文通過對比兩種廠用電接線方式的不同，綜合考慮快切裝置和備自投裝置切換功能的特點，提出用兩臺快切裝置共同作用來滿足同時控制三個斷路器的方案，下面從不同方面來說明初始設計的不足之處，并提出完善措施。通過試驗驗證及投運后的動作情況來看，該方案是可行的。

1 原廠用電快速切換系統(tǒng)存在的問題

1.1 裝置配置方面

該項目廠用電快切裝置選型為SID—8BT—A，根據(jù)文獻[7-8]可知，其典型控制原理如圖2所示，比較圖1與圖2兩種不同的廠用電接線形式可見，圖2接線方式中快切裝置的控制對象只有兩臺斷路器，是兩臺斷路器之間的切換；而圖1接線方式中快切裝置的控制對象為三臺斷路器，需要實現(xiàn)三臺斷路器之間的“三取二關系”，常規(guī)的快切裝置是無法實現(xiàn)的。因此，快切裝置的選型不合適。

1.2 保護配置方面

該項目對于高壓廠用變壓器高壓側(cè)保護裝置的選型為西門子保護裝置7UT85，安裝于高壓側(cè)斷路器CB1開關柜上，保護配置有過電流保護、過負荷保護、低壓側(cè)零序保護、差動保護及非電量保護。變壓器低壓側(cè)保護裝置選型為7SJ8021，安裝于低壓側(cè)斷路器CB2開關柜上，僅配置有電流速斷保護和復壓過電流保護。對于廠用變壓器高壓側(cè)保護來說，過電流保護、差動保護，以及設在7UT85里的低壓側(cè)零序Ⅱ段保護均應有“啟動切換”的功能，零序Ⅰ段應具有“閉鎖切換”的功能[9]。對于其低壓側(cè)保護來說，不管是速斷保護還是過電流保護均應具有“閉鎖切換”的功能，不需要“啟動切換”功能。因此，原設計高壓側(cè)保護動作后只有“啟動切換”而沒有“閉鎖切換”的功能是不合理的。

主變不僅要將發(fā)出的電能輸送至電網(wǎng)，同時還擔負著為廠內(nèi)提供廠用工作電源的職責，任意一臺主變跳閘都將造成本臺機組的廠用電失去，所以主變保護動作跳閘的同時應提供“啟動切換”的命 令[10-11]，以使快切裝置快速動作，將失電的6.3kV段切換至另一段供電。因此主變保護未設計啟動快切的信號，同樣是不合理的。發(fā)電機保護動作后通過跳開發(fā)電機出口開關即可切除故障，不影響廠用電，因此發(fā)電機保護不必配置啟動快切的信號。

母聯(lián)斷路器CB5作為備用電源斷路器，其保護配置了速斷保護和過電流保護兩種，均帶有延時。當某一工作電源失電并成功啟動快切裝置動作時，備用電源將自動投入，即CB5由快切裝置發(fā)出合閘命令，若此時故障未切除，也即備用電源投于故障母線，則備用電源的保護應無延時加速跳閘，這就需要備用電源保護要有收到快切裝置發(fā)出的“啟動后加速”信號且備用電源保護動作時，自動取消保護延時的功能。由此可見，備用電源保護未配置此功能也是不合理的。

1.3 二次回路方面

通過上述保護配置的分析可知，在廠用電快速切換系統(tǒng)的二次回路方面，至少存在以下幾點不足之處：

1）缺少廠用變壓器高壓側(cè)保護7UT85動作后閉鎖快切裝置動作的回路。

2）缺少主變保護動作后啟動快切裝置動作的回路。

3）快切裝置缺少啟動備用電源保護加速跳閘功能的回路。

2 改進措施

2.1 裝置配置方案優(yōu)化選擇

鑒于該項目廠用電接線形式的特殊性，可實施的方案有三種。

方案一：更換設備。國產(chǎn)常規(guī)的廠用電快速切換裝置均適用于圖2所示的主接線形式，即控制對象為兩臺斷路器，而備自投裝置可以控制三臺斷路器，且適用于單母分段接線方式，但備自投切換時間長，原理簡單，不具備快速切換、同期捕捉切換等功能，因此通過更換不同型號的設備不能滿足要求。

方案二：更換設備程序。國產(chǎn)的微機自動裝置，內(nèi)部邏輯基本是由硬件搭建而成，若要更換程序版本，就需要更換硬件板卡，從國內(nèi)發(fā)貨時間太久。另外即使更換了板卡，其對應的開入和開出信號勢必要變更和增加，盤柜內(nèi)部走線也要重新設計，在項目現(xiàn)場難以實現(xiàn)。

方案三：增加一臺快切裝置，每臺快切裝置控制兩臺斷路器，備用電源斷路器CB5由兩臺快切裝置共同控制。該方案通過增加一臺快切裝置，使每臺裝置只控制一個工作電源斷路器和母聯(lián)斷路器來實現(xiàn)兩段6.3kV母線的相互備用。即當圖1中1號機6.3kV母線失電時，快切裝置K1（將兩臺快切裝置命名為K1、K2）動作，跳開工作電源斷路器CB2，并合上備用電源斷路器CB5。反之，若2號機6.3kV母線失電，快切裝置K2動作，跳開工作電源斷路器CB4，并合上備用電源斷路器CB5。項目現(xiàn)場僅需考慮增加新增快切裝置的二次回路，并對快切盤柜內(nèi)部回路按照原有回路進行改造即可完成，無需考慮對原有快切裝置功能及二次回路的影響，便于執(zhí)行，因此采用此方案。

2.2 保護啟動切換功能的優(yōu)化

根據(jù)標準要求及上述分析，高壓廠用變壓器分支零序保護Ⅰ段保護動作后要閉鎖快切裝置動作，因此對高壓廠用變壓器高壓側(cè)保護7UT85的內(nèi)部邏輯進行再次配置，增加“閉鎖快切動作”出口，并將其對應的接線端子接引至端子排。

常規(guī)國產(chǎn)的主變壓器保護裝置基本都包括主變和廠用變壓器的保護項目，因此，只需要在一處設計一個保護動作后的“啟動快切”信號，這也是集中式理念保護裝置的優(yōu)點之一。而西門子保護設計的理念剛好相反，為分散式，即廠用變壓器的保護裝置僅保護廠變，主變壓器的保護只保護主變，造成主變保護遺漏“啟動快切動作”的出口設計，因此要對主變保護的內(nèi)部邏輯進行修改，增加“保護啟動切換”出口，并將其對應的接線端子接引至端子排。

對備用電源，即6.3kV母聯(lián)斷路器保護而言，同樣需要增加保護邏輯?？烨醒b置啟動切換的同時，會送出一個動作信號，該信號用于取消母聯(lián)斷路器速斷保護和過電流保護的延時，所以，母聯(lián)斷路器的保護裝置要增加兩個開入信號通道，即“啟動后加速”。此處的功能缺失同樣是由將快切裝置應用于單母分段接線方式而造成的。

2.3 二次回路

綜合上述優(yōu)化改進措施，廠用電快速切換系統(tǒng)接入信號匯總見表1。

表1 優(yōu)化后快切裝置信號

（續(xù)表1）

3 方案驗證

2021年11月22日，2號燃機在試驗期間手動解列時，由于燃機發(fā)電機保護未將跳11kV進線斷路器的邏輯解除而造成誤跳11kV進線斷路器，造成2號機廠用電源失去，快切動作波形如圖3所示。

從圖3可看出，本次廠用電實現(xiàn)電源切換的方式是失電壓啟動殘壓切換，這是因為燃機發(fā)電機保護動作誤跳11kV母線進線斷路器，而發(fā)電機保護不會啟動快切裝置，且此時主變保護及高壓廠用變壓器保護均無動作信號，因此快切裝置只有進入失電壓啟動的方式。

圖3 K1失電壓啟動切換波形

4 結(jié)論

本文對現(xiàn)有廠用電快切系統(tǒng)的設計進行較為全面的優(yōu)化改進，在一年多的運行中，經(jīng)歷了手動并聯(lián)啟動切換、失電壓啟動切換和保護啟動切換等實際工況的驗證，充分證明了本次優(yōu)化改造的正確性。發(fā)電廠正常工作廠用電源能否在故障情況下成功切換至備用電源，保證重要輔機不停電，直接關系到發(fā)電廠主設備的安全運行，因此快切裝置動作的可靠性與合理性至關重要。目前國內(nèi)快切裝置的應用已非常廣泛和成熟，但應用于圖1所示廠用電接線方式的案例不常見，該項目優(yōu)化改造的成功，具有一定的工程參考意義。

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Problems and improvement measures of fast switching system for the auxiliary power in power plant with single bus with subsection connection

LI Zhou1FANG Zichao2LING Tongtong2CAO Luyao1DUN Xiaobao2

(1. Xi’an YiTong Thermal Power Technology Service Co., Ltd, Xi’an 710061;2. Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd, Xi’an 710061)

This paper introduces a main wiring form applied to the auxiliary power system of combined cycle power plant (CCPP), and analyzes the reasons why the original fast-switching system for the auxiliary power cannot achieve safe and fast switching under this wiring method. The design, protection configuration and secondary circuit are improved, and the feasibility of the improved scheme is verified through the actual test.

auxiliary power; fast switching; main wiring form; combined cycle power plant (CCPP)

2022-02-11

2022-03-09

李 洲（1984—），男，河南省鶴壁市人，本科，工程師，主要從事電站設備調(diào)試及發(fā)電機組啟動調(diào)試工作。