电厂厂用电源快切装置原理及注意问题

艾文虎

摘要：保持火力发电厂的稳定运行，对于企业和社会都有着巨大的意义。为了保证大型机组安全稳定的运行，厂用电快切装置即是保证这一切的基础。在该文中，根据厂用电的快切装置的工作原理和在进行厂用电切换方式的不同，对厂用电的装置在实际过程中出现的故障进行分析，提高快切装置的稳定性。

关键词：厂用电快切；工作原理；长延时切换

在我们的生活之中，电力系统在各个领域中都占据着不可忽视的地位，例如：电力系统在各个领域中都占据着很大的比例，能源供应在工业生产、农业生产、交通运输和人们的生活中占据着不可忽视的地位。电力系统的正常运转时，要求各个运行装置都保持最好的状态运行，而当电力系统出现故障时，就可能导致全面停电，对我国的经济造成直接的损失。所以，在日常生活中，保持电力系统的稳定运行是我们必须做到的。尤其是在发电厂中，厂用电的安全关系着整个工厂电力系统的安全运行。在电厂的厂用电切换过程涉及着多种数值的变化，包括电流、频率和电压等，需要消耗一定的人力物力。在对厂电切换的实际执行过程中，切换人员或者机器都应该考虑上述参数进行对电切换的执行。为了保证这个过程中电动机不会受到损害，需要选择性能较好的设备，才能更好地配合厂用电的切换，使执行操作更加有效和安全。

1、概述

火力发电厂厂用电系统一般都具有两个电源：即厂用工作电源和备用（启动）电源，目前绝大多数大型机组火力发电厂都采用单元接线，正常运行时机组厂用电由单元机组供电，停机状态由备用电源供电，机组在启动和停机过程都必须带负荷进行厂用电切换。另外，当机组或厂用工作电源发生故障时，为了保证厂用电不中断及机组安全有序地停机，不扩大事故，必须尽快把厂用电电源从工作电源切换到备用电源。厂用电系统切换分为两类：即机组启动、停机过程的正常切换和故障情况下的事故切换。

2、厂用电快切装置的工作原理

常用电源切换方式有正常和事故两种，正常切换方式是指厂用工作电源和备用电源之间依据正常的工作方式进行转换，事故切换方式是指厂用工作电源消失后备用电源快速投入的切换方式。正常切换方式属于同频同期合环操作，事故切换方式属于差频同期合环操作。残压频率与备用电源的正常电压和频率进行同期。

但是当厂用系统出现事故时，2DL快关处于断开状态，此种情况下，工作母线中残压逐渐减少，向设备传输的电压也会越来越少，由工作母线供电的设备将会表现出惰性状态。此时，如若将3DL开关闭合，母线将会收到强烈电压的冲击，容易造成线路断裂或设备故障，不利于常用系统的安全应用。

但是当厂用系统出现事故时，工作电源快关处于断开状态，此种情况下，工作母线中残压逐渐减少，向设备传输的电压也会越来越少，由工作母线供电的设备将会表现出惰性状态。此时，如若将备用电源开关闭合，母线将会收到强烈电压的冲击，容易造成线路断裂或设备故障，不利于常用系统的安全应用。

由于单台电机在断电后定子电路开路，此时电势VM就相当于机端电压。带备用电源合上后，电动机绕组承受的电压UM为：

经过计算后的得到的函数为：

为了保证电动机在事故发生到备用电源合并过程中是安全的，电动机绕组承受的电压应小于电动机的启动电压，设为1.1倍额定电压UDe可以得到不等式：

基于此，若△U（%）<1.64，可以确定图二中A'-A"的右侧为备用电源允许合闸的安全区域;若如△U（%）<1.15，可以确定图二中B'-B"的左侧均为不安全区域，理论上K=0～1，可见K值越大，安全区越小。所以，快切装置可以进行同期捕捉切换和残压切换。

图二电快切装置的工作原理

同期捕捉切换是在图二C点之后直至CD段可以进行切换，此种切换可以快速捕捉到反馈电压，使之与备用电压电位相重合。尽管同期捕捉切换过程中会产生冲击电流，但其比较微弱，不会造成任何影响。

残压切换是在事故发生后，工作母线电压衰减到20%～40%时将备用电压切换到线路中。需要说明的是残压切换虽然能够保证电动机不收电压或电流的冲击，但由于电动机停电时间过长，其是否能够再次自动启动不确定。

3、厂用切换功能简介

装置共有三种切换方式，分别为正常、事故、不正常切换方式；三种切换方式，即串联、并联、同时切换。并联切换是快速切换方式，而其余切换方式均以快速、同期扑捉或者残压、长延时中的一种方式实现切换的。

1）正常切换是指正常情况下进行的厂用切换。正常切换由手动起动，通过操作台或者控制切换面板手动启动装置，完成从工作电源到备用电源或者由备用电源到工作电源的双向切换。手动切换方式指的是通过手动切换方式来选择接点，一直都保持着这个接通方式，在需要断开时则选择并联的方式来断开，在厂用电厂正常工作时，在电源的选择上，可以通过手动的方式来选择工作电源或者备用电源，一般情况下，发电机组起、停机时厂用电进行工作电源切换至备用电源的相互切换。由于正常切换方式的启动方式是手动切换，所以启动工作可以在控制台和装置面板上直接进行操作，是一种较为简单的操作方式。同时，每个工厂的厂用工作和起动的方式不同，他们之间存在着阻抗，且阻抗的大小未定，带变压器有电流经过时，两个电源之间存在着相位差，该相位差被命名为初始相角。当初始相角产生较大的环时，变压器将会受到一定程度上的损伤。当初始相角为20°时，环流和额定的环流大小相等，符合电流的大小，不会对变压器造成损害，而如果初始相角超过20°时，通常采用手动串联的切换方式进行切换。

2）事故切换是指工作电源故障而引起的切换。它是单向的，只能由工作电源切换至备用电源。保护启动，先发跳工作电源进行开关指令，在切换条件满足时，发合备用电源进线开关指令。事故切换是单向切换过程，将工作电源切换成备用电源，在进行该操作时，由保护接点最开始运转，跳开工作电源的开关，对电源进行确认，在工作电源的开关跳开以后，确认符合切换的条件，合上备用的电源。切换方式一共有三种，和正常同时切换的方式相同。如果出现快速切换不成功的例子，那么实现方式也在一定程度上有所改变，将实现方式自动切换为同期判别、残压及长延时切换。同时，由于初始相角的存在，会增加快切装置的切换难度。

3）不正常切换是指母线非故障性低压引起的切换，它是单向的，只能由工作电源切换至备用电源。异常切换可分为以下两种情况：1低压启动。工厂母线的三相电压低于设计值，时间超过设计值。此时，需要进行串联切换。2工作电源开关调整不当。当开关在各种因素的影响下意外跳跃时，如果满足开关条件，则需要关闭备用电源。在发电机组运行的过程中，若如出现故障，需要立即运行快切装置。但如若在此时，发电机组保护装置因某些因素的影响而无法做出任何保护动作，那么，厂用电切换装置将无法快速、有效地进行切换，这就会导致快切换装置盲区出现。所以，在应用厂用电快切换装置的过程中一定要注意检查发电机组保护是否与厂用电快切换装置有效的连接，尽量避免出现快切装置盲区的情况。

另外，除了发动组保护与厂用电快切换装置不能够有效连接会导致快切换装置盲区以外，还有多种原因会导致快切换装置盲区。例如，高压开关跳闸后，高压开关常闭接点信号引入机组的气门关闭，整个系统处于瞬间关闭状态。由于正常电压未能与整个电路相连，信号的稳定性和应用性收到影响，不可能发送到发动机组保护装置，相应的保护装置无法和厂用电快切换装置有效连接，这也会导致快切换装置盲区。常用母线失压也会导致快切换装置盲区。在厂用电系统运行过程中，当开关合闸速度在60～100ms时，失压整定约为40%Un。这时，母线的电压并不是电动机的合成反馈电压，而是随着发电机转速下降的励磁电压，频差和相差大。

4）去耦合功能。切换过程中如发现整定时间内该合上的开关已合上但该跳开的开关未跳开，装置将执行去耦合功能，跳开刚合上的开关，以避免两个电源长时间并列运行。切换功能投入、退出、闭锁、闭锁解除功能。例如后备电源失电、装置自检发现异常情况、开关位置异常等情况下，装置自动闭锁切换。为了防止切换时将备用电源投入故障从而引起事故扩大，启动任何切换时，将同时输出一个短时间闭合的接点信号，同时将备用分支后加速保护投入，以便瞬时切除故障。装置还有显示参数、GPS对时及打印等功能。

5）闭锁功能：在电厂运行过程中，当出现母线失压情况的时候，以下情况不可以启动厂用快切装置，只能进行闭锁等待复归：其一，厂用母线故障导致出现失压情况，不能切换，这样可以避免故障范围的扩大;其二，备用电源故障，不能切换。

（1）厂用母线故障导致出现的失压，不能切换

一般而言，厂用电母线的工作电源开关均装设了过流保护装置，一些厂用电母线还装设了差动保护装置。通过这两个保护装置的安装，可以有效监测母线故障情况，进而在出现故障的时候，进行接点闭锁快切装置。

（2）备用电源故障，不能切换

备用电源工作方式的不同，也就体现了备用电源故障闭锁快切装置运行方式的差异。主要包括两种情况：备用变热备用、备用变冷备用。

手动切换是指电厂正常工况时，手动切换工作电源与备用电源。这种方式可由工作电源切换至备用电源，也可由备用电源切换至工作电源。它主要用于发电机起、停机时的厂用电切换。该功能由手动起动，在控制台或装置面板上均可操作。手动切换可分为并联切换及串联切换。

6）自动并联切换

（1）并联自动

并联自动指手动起动切换，如并联切换条件满足：⑴两电源电压差小于整定值。⑵两电源频率差小于整定值。⑶两电源相角差小于整定值。⑷工作、备用电源开关任意一个在合位、一个在分位。⑸目标电源电压大于所设定的电压值。⑹母线PT正常。装置先合备用（工作）开关，经一定延时后再自动跳开工作（备用）开关。如果在该段延时内，刚合上的备用（工作）开关被跳开，则装置不再自动跳开工作（备用）开关。如果手动起动后并联切换条件不满足，装置将立即闭锁且发闭锁信号，等待复归。

（2）并联半自动

并联半自动指手动起动切换，如并联切换条件满足（同手动并联自动切换条件），装置先合备用（工作）开关，而跳开工作（备用）开关的操作则由人工完成。如果在规定的时间内，操作人员仍未跳开工作（备用）开关，装置将发告警信号。如果手动起动后并联切换条件不满足，装置将立即闭锁且发闭锁信号，等待复归。

（3）手动串联切换

手动串联切换指手动起动切换，先发跳工作电源开关指令，不等开关辅助接点返回，在切换条件满足时（快速、同期判别、残压及长延时切换。快速切换不成功时自动转入同期判别、残压及长延时切换），发合备用（工作）开关命令。如开关合闸时间小于开关跳闸时间，自动在发合闸命令前加所整定的延时以保证开关先分后合。

4、运行方式规定及切换注意事项

1、正常手动切换试验采用“并联”“半自动”方式，切换完毕后仍倒换位换为“串联”“全自动”方式；

2、机组正常运行时厂用快切保护装置运行方式为“串联”“全自动”；

3、厂用电源由启备变供电时，快切装置在DCS上选择“退出”方式；

4、厂用电由启备变供电时，快切装置不断电，自动闭锁。

5、正常操作期间，电压可以具有一定相角差，但必须控制在20°以内。

6、装置动作后，必须进行复归，以备进行下一次操作。

注意事项

1、采用快速切换及同期判断的目的就是为了厂用母线失去工作电源或者工作电源故障时能可靠、快速的进行备用备用电源切换，而从以往快切装置反馈的信息上看，往往是快切装置正确动作，而备用电源因速断或者过流保护动作而跳开，从某种意义上说，此时切换是失败的。其原因主要是备用电源速断及过流保护的整定值得依据往往是以躲过变压器励磁涌流及所带负荷中需要自启动的电动机最大启动电流之和。根据经验，所带负荷中的非重要辅机可能还没来得及退出，如此是合上备用电源，所有辅机将一起自启动，引起备用变过流，其值可能超过过流定值，甚至到达速断定值。为了避免出现上述情况，增加母线电压判据，当母线电压小于定值时不在进行快速切换，而采用其余切换方式，提高厂用电切换的成功率。

2、由于工作电源和备用变得引接线方式不同，阻抗数值不同，当变压器负载情况下两个电源存在一定相位差，这个相位差通常称为“初始相角”，初始相角的存在，在手动并联切换时，就会产生环流，环流过大，对变压器十分有害的。若在事故启动切换时，初始相角将增加备用电源电压与残压之间的角度，使快速切换困难。初始相角在20°时，环流的幅值大约等于变压器额定电流，短时间切换不会对变压器带来危害。因此在厂用工作与备用变得引线可能使它们之间的夹角超过20°时，建议采用手动串联切换方式进行。

5、装置案例：

ABB公司推出的SUE3000是ABB公司于1960年代研制成功并经不断改进的新一代厂用电快切装置，采用了最新的快切理念及完整的保护逻辑，并将首次同期点切换，残压切换和延时切换等后备切换方式有机地和快切功能设计成一个整体，ABB快切装置在世界范围已经具备多年的运行经验，至今已投入运行的装置超过1600套。SUE3000快切装置具备以下特点：

装置按双向对称进行设计，即可从工作电源切换到备用电源，也可以从备用电源切换到工作电源。

切换装置具备自动解列功能，在切换过程中，如出现工作断路器拒跳而导致两电源并列，将自动解列系统。

切换装置提供远方、就地的投退功能，并可通过通信接口与后台综合自动化系统连接，支持国际通用的通信规约，如MODBUS等，为系统综合自动化提供便利。

切换装置具有完全灵活的PLC功能，改变功能简单方便。

当系统容量太大时，装置在快切失败后将执行自动减载功能，甩掉一些次要的负荷，降低产生的冲击。

切换装置采用双位信号方式，确保输入信号的可靠。

切换装置具有录波功能，可录制切换过程的母线电压、工作电源与备用电源的电压、工作电源及备用电源的电流等8个模拟量以及可根据用户定义的32个开关量。

切换装置具备在线监视和测试功能，所有功能均可通过灵活的编程方式实现。

用户界面友好、简单，且能动态反映开关状态及各种信号，测量值。

6、结语

快速切换装置是在电厂在用电过程中维持电厂正常工作的重要措施，根据实际情况对电厂的用电进行对快切装置的分析。尤其是对于那些大型的机组，厂用电的快切装置的安全性和速度是我们特别注意的，如果发生了故障，快切装置可以通过自动启动的方式在工作电源和备用电源之间切换，这样，能够在一定程度上降低故障的影响范围。除此之外，在将工作电源切换到备用电源时，切换时间受到电动机电流大小的影响，电流的倍数大小受到断电时间的影响，断电的时间越短，电流的倍数越小，能够更加容易地实现对备用电源的快速切换，我们在厂用电中，应该加强对快切装置的管理和维护，能够提高快切装置切换的成功率，让机组能够安全的运行。厂用电快切装置能够安全地实现同期切换，在一定程度上能够避免设备的损坏。

参考文献:

[1]项礼刚.浅述电厂厂用电源快切装置原理及注意问题[J]电力与能源2012（25）

[2]孙弘超.厂用电快切装置工作原理及应用分析[J].应用技术，2015（2）

[3]史慧峰.厂用电快切装置原理分析及应用研究[D].华北电力大学，2013