海门1036MW机组厂用电切换方式优化及试验

陈飞文，兀鹏越，刘 庆，侯亚飞

(1.华能海门电厂，广东 汕头 050310;2.西安热工研究院有限责任公司，陕西 西安 710032;

3.中国电力工程有限公司，北京 100048)

0 引言

自2006年底华能玉环电厂首台百万千瓦机组投产以来，已有数十台百万千瓦机组投入运行，火力燃煤机组已经进入百万千瓦级机组的时代。但目前百万千瓦机组的设计规程还是参照《DL5000-2000火力发电厂设计技术规程》[1]，该设计规程主要适用范围是600 MW以下机组，600 MW以上可参照使用。在该规程中，对600 MW机组高压厂用备用电源的规定，已经存在启备变容量不够、厂用电切换方式不明确的问题，给工程设计带来一定困扰[2];而对于单机容量达到1 000 MW级别机组，尤其是发电机出口装设断路器的接线形式，高压厂用备用电源参考该规定进行设计，在现场更是暴露出许多的问题[3]。

本文通过对华能海门电厂1，2号机组(1 036 MW)高压厂用备用电源设计问题的分析，指出按照现行设计规程设计存在的问题，以及由此给现场运行带来的无法进行厂用电快速切换的弊端，并在3号机组建设中，对高压厂用备用电源切换方式进行了改造和优化，通过现场试验验证其可行性、正确性，一定程度上解决了这些弊端，供同型机组参考。

1 海门电厂厂用电切换简介

华能海门电厂总规划容量为6×1 036 MW超超临界燃煤机组，一期共有4台1 036 MW超超临界机组，1，2，3号机组已于2009年6月31日、2009年9月27日、2010年12月31日投产发电，4号机组计划2011年底投产。

海门电厂发电机变压器组采用单元接线，发电机和变压器之间设置断路器，厂用工作电源接于500/27 kV变压器低压侧，每机设置2台分裂高厂变，容量均为50 MVA，高压厂用电压为6 kV。备用电源接于110 kV系统，根据《DL/T 5153-2002厂用电规范》第4.5.3.3条， “备变容量可为1台高压厂用工作变的60%～100%”，容量为600 MW的机组，当发电机出口装有断路器或负荷开关时4台及以下机组可设一台高压厂用备用变压器。因此设置备变容量为50 MVA，4台机组共用1台备用变。高压厂用电源切换方式采用备用厂电源自投 (慢速切换，延时10 s)方式，仅作为机组事故情况下的安全停机用。海门电厂系统图见图1;原设计厂用电切换逻辑见图2。

2 厂用电切换中存在的问题

目前600 MW机组几乎全部采用厂用电快速切换方式，无论正常切换还是事故切换，成功率已经非常高了。而该厂的1 000 MW级机组反而不能实现快速切换，显然是不合理的。但现有慢速切换的设计完全符合现行设计规程要求，设计单位系照章办事。

现行设计规程规定采用慢速切换的一个重要理由是，1 000 MW级别机组在发电机出口装设断路器以后，厂用电可靠性非常高，可以不需要厂用电事故切换。然而可靠性高不等于不发生，有发生的可能而不考虑显然是不妥当的。实际上，装设了发电机出口断路器，发生主变、厂变跳闸的事故概率依然很高。

案例1:2009年6月，海门1号机组启动期间，发电机机端软连接部分断裂导致定子接地，发电机跳闸，由于发电机断路器失灵保护回路接线错误保护误动，导致主变高压侧断路器跳闸，由于当时未投入备自投装置，备用电源没有自动投入，导致厂用电源全失的事故。幸好柴油发动机启动成功，保安电源恢复，保证了机组安全停机。

案例2:2010年10月12日，与海门电厂同样设计的某厂6号机组 (1 000 MW)主变发生故障，差动保护和重瓦斯动作跳闸，6 kV厂用电快切装置延时1.5 s动作 (实际上已经是慢速切换)，将A，B，C，D段厂用电切换到4号启备变。因大批高压电动机自启动，导致启备变分支过流动作，使得6 kV高压厂用B、D段失电，这两段所带的保安段A、B段也失电。柴油发电机自启动后，因连锁逻辑问题未跳开锅炉段至保安B段的电源开关，柴油机过负荷跳闸，顶轴油泵和盘车因失电未能自动联启，导致大轴抱死事故。

而从运行角度来讲，采用慢速切换会存在以下问题:

(1)正常运行厂用电的可靠性下降。

在大多数情况下发生6 kV单段失压的概率是比较大的，如果能够快速切换，可保证该段6 kV电压基本正常，厂用负荷平稳切换至备用电源 ，对机组运行无影响;而慢速切换过程中6 kV工作段会失电，该段厂用负荷瞬间全部停运，会对正常运行的机组造成冲击，必将造成减负荷、甚至机组停运。

(2)严重事故时安全停机的可靠性下降。

由于采用慢切，当厂用电源消失，等备用电源投入时 (10 s以上)，所有厂用高、低压电动机都已跳闸。如果保安电源 (柴油机)不能及时启动，也很难保证安全停机。无法采取快速切换，相当于减少了一个备用电源，无疑减少了安全停机的一道屏障。

(3)增加厂用电源切换难度。

在一些情况下，如果厂用负荷从备用电源切换到工作电源，或从工作电源切换到备用电源，都必须运行人员手动进行，需要进行大量的倒负荷操作，切换时间长达数小时，不但工作量大，而且误操作的可能性也随之增大。

(4)限制了机组启动的灵活性。

大机组启动时，需要预先启动厂用负荷，耗时较长。由于厂用电不能采取快速切换，因此只能在厂高变先受电的情况下才能启动，无法利用备变提前投入厂用负荷，在许多情况下无法为机组启动争取时间，限制了机组启动的灵活性。

由以上问题可见，原设计的厂用电切换方式虽符合规程要求，但对机组运行安全性、供电可靠性及运行方式的灵活性都有所影响，有必要考虑对此进行优化。

3 切换方式的优化方案

3.1 对切换方式改造优化的可行性

根据实测数据，1～3号机组厂用电率分别是3.21%，3.11%，2.95%，而启备变容量 50 MVA，完全可以满足单台机组的100%热备用。但是由于是4台机组共用一台启备变，不能满足2台及以上机组同时热备用。因此，在启备变容量有限的前提下，可以考虑单台机组单段母线失压快速切换，多台机组故障只保证最重要的负荷优先切换，这是实现快切改造方案的关键。

在1号、2号机组设计时，仅考虑到慢速切换，切换装置采用RCS-9629型备自投装置。为了在后续机组实现快速切换，在3号机设计时，将原来备自投装置更换为SID-40B快速切换装置，该装置具有快切和备自投两种功能，这是实现快速切换的物质基础。

优化改造工作首先在3号机组进行，3号机组试验成功后，再在1、2号机组实施改造。

3.2 各种工况下厂用电切换需求

(1)正常启停机切换。

当机组由启备变带厂用负荷启动时，主变和高厂变倒送电以后，需要将厂用电由备用电源切换到工作电源。采用并联方式，高厂变和启备变短时间合环运行，切换过程厂用电不失电，对负荷无影响。避免了原来人工倒负荷的繁琐过程。

(2)事故状态快速切换。

事故状态切换是优化的难点，既要保证单段失压时快速切换，又要全厂脱网故障时备用变不至于过负荷。事故状态切换逻辑如下:

a.任意一段开关偷跳。立即将本段厂用电快速切换到备用电源，保障机组带负荷正常运行。

b.单机主变或高厂变跳闸。立即启动63B段厂用电切换，同时闭锁63A，63C，63D段切换，保证本机组安全停机。

c.500 kV线路全部跳闸，全厂脱网。各机组只启动6XB段快速切换，同时闭锁各机组6XA，6XC，6XD段切换，保证4台机组安全停机。在这种最严重工况下，1号启备变要带4台机组的B段厂用电负荷。针对这种工况，统计了已投运的3台机组满负荷工况下的B段实际负荷容量，见表1。实际数据表明，4台机组满负荷同时跳闸的最严重工况下，启备变负荷不会大于50 MW的额定容量。

表1 全厂满负荷时备变负荷统计Tab.1 Load data of standby transformer on condition of full load

3.3 厂用电切换方式的优化

目前厂用电快速切换已经是很成熟的技术了，单个切换装置在正常及事故状态下的切换成功率也都很高。而本方案的技术难点是事故状态下只启动最重要的母线段切换，同时要闭锁其余各段的切换，即闭锁逻辑。整个逻辑的实现，是通过修改切换装置逻辑、修改定值、增加闭锁继电器及回路来实现的。

整个切换逻辑见图3。

由于本项目的特殊要求，快速切换装置的厂家在常规的逻辑基础上做了一些特殊修改。

(1)备自投方式和快切方式通过开入量来进行选择，即由控制按钮选择。

(2)每台机的任一段的快切装置动作时需要闭锁其他段的快切装置。实现方式为:当某段快切装置执行事故切换或低压切换或偷跳切换时，同时输出3对闭锁接点，闭锁其余3段切换装置启动。

(3)当单机的4段母线同时失压时，只投63B段快切装置。分两种情况:

图3 优化后的厂用电切换方式Fig.3 Mode of auxiliary supply changeover after optimizing

第1种，单台机组发变组回路故障。通过本机发变组保护动作去启动63B段快切装置，同时，保护动作此信号闭锁63A，63C，63D其余3段的快切装置。

第2种，500 kV出线同时跳闸导致本厂4台机组全停，每台单机4段母线同时失压。由于线路保护动作不会启动厂用电切换，而机组本身保护不会动作，因此机组保护不启动厂用电切换。针对这种情况，在每台机组设一低电压继电器，监视发电机电压，当电压低于70%电压时 (此电压值可设)，低电压继电器动作，去启动63B段快切装置，同时闭锁信号闭锁63A，63C，63D段快切装置。

3.4 对并联切换环流的计算

海门电厂启备变接于厂外独立110 kV线路，因此，在启备变和高厂变低压侧电压之间有一定的相位差。对于采取并联切时的厂用电切换过程而言，相当于电磁环网的短时合环操作，合环时相角差的存在会导致合环点出现功率潮流。功率潮流过大，会损伤变压器，也可能导致保护动作。鉴于厂用电切换失败可能对1 000 MW机组安全性的重要影响，在切换试验前，必须对并联切换时的环流进行估算。

典型输电线路电阻与电抗相比较小，假设R=0，即线路只有电抗，则电磁环网合环时功率潮流计算公式如下[4]:

式中:U1为工作电源电压;U2为备用电源电压;δ为U1与U2之间相角;X为整个电磁环网的阻抗和;P为有功潮流;Q为无功潮流。

由式 (1)、(2)可见，对于厂内备用电源接线方式，即δ=0°，合环时有功潮流P=0，只有无功潮流，大小主要取决于电压差，尽可能地减小电压差 (主要方法是启备变有载调压)，即可将无功潮流降低到最小。而对于厂外备用电源接线方式，即δ较大时，合环时既有有功潮流，也有无功潮流。由于δ的存在，不可能完全消除合环时出现的功率潮流，只能利用δ受功率影响的特性，抓住δ较小的时机 (即机组初并网尚未带负荷的时候)进行厂用电切换，可最大程度减轻功率潮流对变压器的冲击。

计算闭锁角度的依据，是备用变能够承受的最大电流，这个电流包括负荷电流和环流。将电网看做无穷大系统，由主变、高厂变、启备变构成的电磁环合环时的合环电流Ic可由下式 (3)计算:

式中:△E为压差;U1为工作电源电压;U2为备用电源电压;X1为高厂变短路阻抗;X2为启备变短路阻抗，X3为主变短路阻抗。注意计算时要将各短路阻抗折算到6.3 kV的等效阻抗。

海门电厂3号机组6 kV厂用电切换合环前，500 kV母线电压为538 kV;110 kV母线电压为110 kV;厂高变低压侧电压相量超前启备变低压侧电压的相角约为11°。各短路阻抗折算到6.3 kV的等效阻抗为:主变电抗0.005 1 Ω;高厂变电抗0.150 8 Ω;启备变电抗0.150 8 Ω。

500 kV母线电压经主变、高厂变低压侧6 kV电压为

110 kV母线电压经高备变变压至调到与厂高变电压最接近，6 kV母线的电压为

因此，合环电流Ic可计算出来

进一步将该电流与高厂变、备用变保护动作值进行比较核算，确认不会导致备变保护动作，并且有一定裕量，容许厂用电并联切换。

4 带负荷工况下的厂用电切换试验

检验以上切换方式的优化方案成功与否的标准，必须是在机组带负荷运行时，通过不同方式下厂用电切换试验来验证。

4.1 正常并联带负荷切换试验

2010年12月25日，海门电厂3号机组带340 MW负荷的工况下，实际进行了6 kV高压厂用电63A，63B，63C，63D段厂用电并联切换试验。切换试验过程中，3号机组发变组保护、备用变保护无异常，6 kV各段高压厂用电平稳无异常，厂用辅机工作正常。

3号机6 kV各段高压厂用电并联切换过程中，工作电源进线电流与备用电源进线电流波形见图4。环流在初始3～4个周波的冲击电流较大，以后进入稳态环流，此电流流经高厂变和备用变(也包含较小的负荷电流)，稳态值折算到一次侧约2 500 A，即证明了 (3)式中δ与合环电流Ic的关系与实际基本相符，估算是基本正确的。

这次并联切换试验是该机组首次并网后进行的，试验过程全部通过DCS远方操作，整个切换时间不超过5 min，与1号机组需要2个多小时停电倒负荷切换的人工切换过程相比，具有省时、省力、安全、可靠的优点，受到运行人员的一致好评。

4.2 事故状态下带负荷切换试验

图4 海门电厂并联切换波形Fig.4 Parallel changeover wave of Haimen Power Plant

由于事故状态下切换试验具有一定的风险性，必须选择适当时机，如正常停机的时候进行。因此，在2011年6月1日，进行了3号机组的厂用电事故切换试验。

(1)开关偷跳试验

3号机组计划停机前，并网运行，6 kV高压厂用电63A，63B，63C，63D段工作电源开关合位。手动跳开63A断工作电源进线开关，63A段快切装置立即启动，以快速切换方式合上063A备用电源进线开关，切换过程辅机无跳闸。切换过程波形见图5。

(2)事故切换闭锁逻辑试验

图5 A段开关偷跳试验Fig.5 Break off test of A section breaker

3号机脱网，3号主变及高厂变挂网运行，6 kV高压厂用电63A，63B，63C，63D段工作电源开关合位。手动跳开主变高压侧开关5031，3号机全部厂用电失压，6 kV高压厂用电4段工作电源开关同时跳闸，5 s后 (5 s设定可以更改)，切换装置启动“残压切换”方式，合上063 B备用电源进线开关，其余三段备用电源开关未合闸，逻辑正确。事故切换闭锁逻辑试验波形见图6。

图6 3号机组事故切换闭锁逻辑试验Fig.6 No.3 unit logic test of emergency changeover lock

通过这两次模拟事故切换，验证了优化后的快切切换方案能够实现在厂用电单段失压后快速切换，不影响机组运行;而4段全部失压后只投B段，防止备用变过负荷跳闸，保证机组安全停机的功能，使得机组厂用电的安全性、可靠性明显高于原设计，达到了优化的目的。

5 问题探讨及建议

5.1 进一步完善事故切换试验

经过现场试验，证明正常并联切换效果良好，而事故切换还存在一些问题，需要继续调整完善，并且要择机进行实际切换试验，验证最终效果。

(1)事故快速切换时间的调整

尽管在切换过程中，A段负荷无跳闸，机组运行正常，但由切换波形可以看出，断流时间约为80 ms，当备用开关合闸后，冲击电流较大且有波动。说明存在厂用辅机转速下降后再重新回归正常的过程，对辅机的运行已经有一定的潜在影响。因此，有必要通过调整定值进一步减小断流时间，提高切换安全性。根据有关资料[5]，此时间可缩短至30 ms。

(2)轻负荷不能快速切换

在事故切换闭锁逻辑试验中，063B段备用电源是5 s以后才合闸的，没有实现预期快速切换的目的。其原因在于当时已经准备停机，B段负荷几乎全部停运，当63B工作电源开关跳闸后，由于缺乏大电机的反馈电压支撑，母线电压迅速下降，快切装置来不及实现快速切换，延时5 s后实现残压切换。

而实际运行的机组，厂用负荷较大，母线残压会维持较长时间，有利于实现快速切换。

为防止轻负荷时快切无法自投，将B段残压整定为0 s，其余3段不投残压，如快切不成功转入长延时切换，延时分别设为11 s，13 s，15 s。

5.2 对当前设计问题的建议

对于多台机组共用一台启备变的主接线形式，如何实现厂用电源切换，现行规程没有明确规定。因此设计单位对此可以予以忽视，如常见的“两机一备”，不设计任何闭锁;可以趋于保守，如本文所述，采用备自投慢速切换方式，都给生产运行带来诸多问题。对此，很多电厂都进行了技术改造，采用的方法五花八门[7～10]。建议设计单位对此进行深入研究，设计出一套完善、合理且符合当前技术水平的最优解决方案，消除这个技术“盲点”。

6 结论

现行规程对百万等级机组厂用电的设计无法实现快速切换，本文对初始设计的备自投慢速厂用电切换方式进行了快速切换改造和优化，实现了厂用电正常切换全部快速切换、事故切换部分快速切换，极大地减轻了运行人员正常切换的工作量，提高了机组厂用电源的安全可靠性。

3号机组优化后的厂用电快速切换功能经实际带负荷试验检验，实际应用效果良好，可以在1号、2号机组推广。

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