火力发电厂厂用电切换新理念的分析及应用
引言
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，其典型接线如图1所示 。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。
图1 常见 厂用电系统简图
厂用母线残压特性
对于大容量火力发电厂，尤其是300MW及以上的机组，厂用电高压电动机的容量大且数量较多，当厂用电源中断时，由于高压电机及负载的机械惯性，电动机将维持较长时间继续旋转，且将转变为异步发电机运行工况，因此厂用电母线在一段时间内会维持一定的残压并缓慢衰减，频率也会随着转速降低而缓慢下降。图2 为典型的厂用母线电压衰减曲线。从图中可以看出，在厂用电源中断瞬间，母线残压的衰减量还不大，但残压与备用电源电压的矢量角差已开始拉开，如果备用电源投入的时机不当，将产生很大的冲击电流，直接作用于电动机，这不但影响了电机的使用寿命，甚至可能导致切换失败造成厂用电中断，其后果是十分严重的。因此，厂用电切换必须根据系统的残压衰减特性，选择合适的切换时机。根据实际运行经验得出，为保证厂用电的成功切换且不产生大的冲击电流，备用电源断路器最合适的合闸时刻是厂用母线残压与备用电源电压的相角差不超过30°，即厂用电系统切换全过程在100ms以内。
图2 极坐标下的母线残压向量图
Vs备用电源电压 Vd厂用母线残压 DU差拍电压
A-A’ 与B-B’为不同负荷情况下允许电源切换的边界
厂用电切换必须具备的外部条件
为能成功地进行厂用电系统的切换，必须具备以下3个条件：
应具备源于同一系统的两个独立的供电电源：工作电源和备用电源。正常运行情况下两个电源电压之间允许有一定的相角差，但一般不宜大于20°。
快速断路器。少油式断路器因其合分闸时间较长，不适合应用于厂用电系统的切换，目前广泛使用的真空断路器，其合、分闸时间一般在40～80ms左右，均适用于厂用电系统的切换。如ABB 公司生产的VD4型真空断路器，其合闸时间约70ms，分闸总时间约60ms。 发电机组和厂用工作电源应配备快速动作保护继电器，目前广泛使用的微机保护继电器均可使用。
厂用电系统常见的切换模式和启动方式
并联切换：按“先合后断”的原则，先合上备用电源，两电源短时并列，然后发跳闸指令，跳开工作电源，但是如果在切换过程中，机组或工作电源发生故障，由于电源的并列，将加剧故障，扩大事故范围，因此，并联切换禁止使用于事故切换，但是手动切换过程中仍可能存在上述风险。
串联切换：按“先断后合”的原则，先跳工作电源，确认工作开关跳开后，再发合闸指令，合上备用电源，串联切换切换时间长，一般都在150ms以上，因此切换对系统和设备造
成的冲击较大，而且由于允许切换的条件之一是工作电源的成功分闸，其辅助接点的可靠性很可能是导致切换失败的因素之一。
快速切换：按“同时断合”的原则，同时发出断路器的分、合闸指令，系统实际无流时间仅为断路器合、分闸时间之差，一般不超过15ms，所以快速切换可达到极短的切换时间，满足系统对冲击电流的要求，切换成功率高，安全性好。
快速切换一般有两种启动方式：即手动启动和保护启动。机组开停机过程的厂用电切换采用手动启动方式，即由主控制室人为发出启动指令；事故情况下的切换采用保护启动方式，由机组或厂用工作电源的主保护发送启动命令。在某些特殊条件下，厂用电系统的切换也可由失压信号启动。
快切装置的功能特点
快切装置一般包括快速切换、首次同期点切换（也称同期捕捉切换）、残压切换和延时切换4项功能。
快速切换是当母线电源中断后，立刻同时发出断路器的分、合闸指令，跳开工作电源，同时合上备用电源。厂用电快速切换时，母线残压和备用电源电压之间的相位差拉开不超过30°，系统实际无流时间仅为断路器合、分闸时间之差，一般不超过15ms。快速切换可达到极短的切换时间，切换全过程不超过100ms，完全满足系统对冲击电流的要求，安全性好。 正常运行情况下，由于快速切换装置连续监视厂用母线电压与备用电源的电压、频率和相位，同时监视断路器的控制回路，当接到启动命令时，若快切的逻辑条件满足要求，立即执行快切功能，所以在实际应用中，快速切换的成功率几乎达到100%。图3表示采用快速切换模式进行切换的波形图，从图中可以看到，厂用电母线的实际无流时间为12.5ms，且电气设备实际所受的冲击电流几乎可忽略。
图3 快速切换录波图
首次同期点切换是当母线残压和备用电源电压相对旋转一周又回到同期点，这时角差为0，差压也较小，若在这一时刻合上备用电源，电气设备受到的冲击也较小，这种切换称为首次同期点切换。切换装置根据采集的电压可计算母线残压向量相对于备用电源电压向量旋转到第一个同期点的时间，并设定备用电源合闸的导前时间。图4 为首次同期点切换的录波图。从波形图我们看到，冲击电流比快速切换增大了许多，但还是在系统可接受的范围内。
图4 首次同相切换录波图
残压切换是当母线残压衰减到低于设定值时合上备用电源。一般来讲，当母线残压低于40％的额定电压时进行切换，冲击电流已降到可接受的范围内，但需要注意的是，不同的系统容量和备用变压器容量都会影响冲击电流值。图5为残压切换的录波图。从波形图中可看到，差压包络线的周期逐渐减小，反映了电动机减速的过程，残压切换引起的冲击电流较大。延时切换是在发出切换指令后经过一定的延时后合上备用电源的切换方式，一般可设定1.5s的等待时间。
图5 残压切换的录波图
综合以上四种切换模式的分析，切换装置设计的基本原则是尽量减小切换过程产生的冲击电流，其中最主要而且最理想的是快速切换，所以机组正常启停的切换以及故障时的切换必须首先采用快速切换，除非快切失败，才继续执行备用切换模式。需要特别指出的是，切换装置的所有4种切换模式是在同一时刻同时启动的，即4种不同的逻辑程序同时运行。表1 为典型机组在不同切换摸 式下的切换总时间。
表1
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。
参考文献：
《电力工程电气设计手册 》 能源部西北电力设计院编 中国电力出版社，1991 ABB SUE3000厂用电快速切换装置用户手册
ABB SYNCHROTACT HBT High Speed Busbar Transfer user catalogue