发电厂

以国产600MW大型汽轮发电机厂用电系统方案为例，结合实际运行情况，对大型汽轮发电机组出口安装断路器方式和厂用电切换原理进行介绍，以供借鉴。

0　概述
天津大唐盘山发电有限责任公司装有两台600MW汽轮发电机组，均以发变组单元接线方式接入500kV京津唐电网，机端装有出口断路器。两台机组的厂用电系统相互独立，每台机有一台高压厂用工作变压器，其高压侧容量为63MVA，低压侧容量为35 MVA。每台机组厂用系统设有两段6kV厂用母线，两台机组共有一台高压厂用备用变压器（如图1所示）。

1　发电机出口断路器对厂用电方式的影响
由于我厂发电机出口装有断路器，所以厂用电方式较常规电厂更显得灵活，也有了新的特点。工作电源由发电机端经厂用工作变压器引入，备用电源由220kv系统经备用变引入。正常运行时，厂用母线由工作电源供给。当机组停机时，只需断开发电机出口03开关，厂用电由500kv系统经主变倒送供给，厂用母线仍由工作电源供电。当工作电源侧发生故障时，快切装置自动切换至备用电源，厂用电由备用变供给。此方案的优点是：
a．机组正常起、停不需切换厂用电，只需操作发电机开关，厂用电可靠性高。
b．机组在发生发电机开关以内故障时(如发电机、汽机、锅炉故障)，只需跳开发电机开关，厂用电源不会消失，也不需切换，提高了厂用电的可靠性，同时减轻了操作人员的工作量和紧张度。
c．对保护主变压器、高压厂用工作变压器有利。对于主变压器、高压厂用工作变压器发生内部故障时，由于发电机励磁电流衰减需要一定时间，在发电机-变压器组保护动作切除主变压器高压侧断路器后，发电机在励磁电流衰减阶段仍向故障点供电，而装设发电机开关后由于能快速切开发电机开关，而使主变压器受到更好的保护，这一点对于大型机组非常有利。
d．发电机开关以内故障只需跳开发电机开关，不需跳主变压器高压侧500kV开关，对系统的电网结构影响较小，对电网有利。
当时考虑到以上优点，经过各方技术人员的的研究论证，最后才选择了这种接线方案，安装了ABB公司生产的断路器。自2001年机组投产以来，经过多次正确动作，证实其性能良好。此接线方式经过实际运行考验，上述优点也充分显示出来。

2　关于6kV厂用电切换
2.1　切换原理
当厂用电断电后，由于惯性及存储的磁场能量，电动机在短时间内将继续旋转，并将磁场能转变为电能。由于各电动机的容量、参数不一致，电动机之间将有电磁能与动能的交换，此时部分异步电动机实际上已转入异步发电机运行工况，因此厂用母线的电压即是多台异步发电机发出的反馈电压的合成，称为母线残压。由于不存在原动力和励磁，因此残压的幅值和频率将随时间逐渐衰减，残压与备用电源电压间的相位差将逐渐增大。为了更清楚地表示出残压相位的情况，用极坐标形式画出残压相量图（见图2）。在备用电源投入前，备用电压一般即为系统电压，电压幅值和频率为额定值。
图2是以极坐标形式绘出机组6 kV母线残压相量变化轨迹(残压衰减较慢的情况)。随着大型机组的迅速发展，高压电动机的容量增加很多，600MW机组的启动锅炉给水泵容量为 6300kW以上，风机容量也在几千千瓦以上。大容量电动机断电后电压衰减较慢，残余电压的幅值也很大，给厂用电源的自动切换带来很多问题。假如在残压较大时重新接通电源，电动机可能会受到冲击而损坏，对机炉运行热工参数影响极大，可能造成机炉运行不稳定。现将电动机切换过程的工艺进行分析。电动机切换的等值回路如图3所示。

图中UD为母线残压，US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：
Um=△U×Xm/(Xm＋XS)
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Um等于电动机启动时的答应电压，即为1.1倍电动机的额定电压Ude
Um=△U×Xm/(Xm＋XS)=1.1Ude
△U /Ude=1.1(Xm＋XS)/Xm
令K=Xm/(Xm＋XS)
则△U(％)=1.1/K
如 K=0.67,计算得△U(％)=1.64。图2中，以A为圆心，以1.64为半径绘出A′-A″，其右侧为电厂备用电源合闸的安全区域。在残压曲线的 AB段，实现的电源切换称之为”快速切换”，即在图中B点(0.3s)以前进行切换是安全的；延时到C点后实现的切换称为”延时切换”，即在图中C点 (0.47s)以后进行的切换对电动机也是安全的；等残压衰减到20％～40％时实现的切换，即”低电压检定切换”或”残压切换”同样对电动机也是安全的。延时切换和残压切换都为”慢速切换”。

2.1.1　”快速切换”
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”。图2中，快速切换时间应小于0.2 s，实际应用时，B点通常由相角来界定，如60°，考虑到合闸固有时间，合闸命令发出时的整定角应小于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，如平均频差为1 Hz，合闸时间为100 ms，则提前量约为36°，整定值应设为24°。

2.1.2　 “延时切换”
过B点后BC段为不安全区域，不答应切换。在C点后至CD段实现的切换通常称为”延时切换”。

2.1.3 　”同期捕捉切换”
由于固定延时的方法并不可靠。最好的办法仍是以频差和角差来界定合闸区域，并尽量做到角差为零时合闸，这就是所谓的”同期捕捉切换”，以图1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，非凡是同相点合闸，对电动机的自起动也很有利，因此时厂母电压衰减到65%～70%，电动机转速不至于下降很大，且备用合上时冲击最小。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”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。

2.1.4　 “残压切换”
当残压衰减到20%～40%额定电压后实现的切换称为”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 机自启动成功与否、自启动时间等都将受到较大限制。

2.1.5　母线残压特性曲线的影响因素
由于厂用母线上电动机的特性可能有较大差异，合成的母线残压特性曲线与分类的电动机相角、残压曲线的差异也较大，因此安全区域的划定严格来说需根据各类电动机参数、特性、所带负荷等因素通过计算确定。实际运行中，可根据典型机组的试验确定母线残压特性。试验表明，母线电压和频率衰减的时间、速度和达到最初反相的时间，决定于试验前该段母线的负荷。根据残压特性可确定答应备用电源合上的最大相角差，考虑断路器的合闸时间，可进而整定出答应合闸前的最大相角差和频率差。

假定事故前工作电源与备用电源同相，并假定从事故发生到工作开关跳开瞬间，两电源仍同相，则若采用同时方式切换，且分合闸错开时间(断电时间)整定得很小(如10 ms)，则备用电源合上时间角差也很小，冲击电流和自启动电流均很小。若采用串联切换，则断电时间至少为合闸时间，假定为100 ms，对600 MW机组，相角差为20°～30°。备用电源合闸时的冲击电流也不很大，一般不会造成设备损坏或快切失败。有关数据表明：反相后第一个同期点时间为0.4～0.6 s，残压衰减到答应值(如20%～40%)为1～2 s，而长延 时则要经现场试验后根据残压曲线整定，一般为几秒，自启动电流限制在4～6倍。可见，同期捕捉切换，较之残压切换和长延时切换有明显的好处。我厂所用的开关为 ABB公司所生产的VD4真空开关 ，合分闸时间很短，这为实现快速切换提供了必要条件。

2.3　厂用电切换方式
我厂厂用电切换方式分正常切换、事故切换、不正常切换三种情况，具体介绍如下：

2.3.1　正常切换
正常切换由手动启动，在DCS系统或装置面板上均可进行。正常切换是双向的，可以由工作电源切向备用电源，也可以由备用电源切向工作电源。
厂用电的正常切换采用了并联切换，即先合后分的不断电切换，而不采用断电切换。因为运行人员对断电切换存在以下顾虑：一是怕断路器万一合不上会失去厂用电，二是假如断电时间长会影响机炉的稳定运行。但并联切换并不是十全十美的，也有不利的一面，即在并联切换过程中，厂用电系统的短路容量增大，如在并联切换过程中恰巧碰到厂用电系统发生故障，其比断电快速切换时碰到开关拒合造成的后果更严重。只是在并联切换过程中恰巧碰到厂用电系统发生故障的几率很低。经过利弊权衡，还是选择了并联切换方式。图4 – 图7波形为厂用电正常切换是单相电压、电流录波图，切换为正常切换，由备用电源切向工作电源。

系统结线、运行方式对正常并联切换影响很大，系统结线方式和运行方式决定了正常运行时厂用母线电压与备用电源电压间的初始相角，若该初始相角较大，(如大于 20°)，正常并联切换会因为环流太大而失败或造成设备损坏事故。
2.3.2　事故切换
事故切换由保护出口启动，单向，只能由工作电源切向备用电源。事故切换选择串联切换即保护启动，先跳开工作电源开关，在确认工作开关已跳开且切换条件满足时合上备用电源。串联切换有三种切换条件：快速切换、同期捕捉、残压切换。快切不成功时最佳的后备方案是同期捕捉。

2.3.3　不正常情况切换
不正常切换由装置检测到不正常情况后自行启动，单向，只能由工作电源切向备用电源。不正常切换包括两种情况：1）厂用母线失电：当厂用母线三相电压均低于整定值，时间超过整定延时，则装置进行串联切换。切换方式分三种：快速、同期捕捉、残压。2）工作电源开关误跳：因各种原因（包括人为误操作）造成工作电源开关误跳开，装置将在切换条件满足时合上备用电源。切换方式也分三种：快速、同期捕捉、残压切换。
除了正常情况下的并联切换，厂用电安全切换最佳方案是快速切换，快速切换能否实现，不仅取决于开关条件，还取决于系统结线、运行方式和故障类型。系统结线方式和运行方式决定了

图6 备用进线B相电流切换全程图

正常运行时厂用母线电压与备用电源电压间的初始相角，若该初始相角较大，(如大于 20°)，则事故切换时难以保证切换成功，故障类型则决定了从故障发生到工作开关跳开这一期间厂用母线电压和备用电源电压的频率、相角和幅值变化，此外，保护动作时间和各有关开关的动作顺序也将影响频率、相角等的变化。
在实际情况下，快速切换不成功时的最佳后备方案是同期捕捉，短延时切换实质上只是同期捕捉的最简单形式。

3　结束语
我厂厂用电结线采用装设发电机出口断路器的接线型式，机组正常启停不需要切换厂用电，在碰到发电机开关以内的故障如发电机、汽轮机、锅炉故障时，只须跳开发电机开关，不需要切换厂用电，厂用电扰动小，可靠性提高，减轻运行人员的工作量，非凡是故障情况下的工作量，给运行人员带来极大便利，受到电厂运行人员欢迎。
同时微机型快速切换装置原理清楚，动作正确性高。自投产以来仅发生过一次误动，原因是调试时未引入6KV母线PT断线信号辅助接点，造成PT小开关人为误动后，厂用电发生切换。经改造后未发生误动.