关于厂用电快切装置功能的探讨

罗艳

(大唐石门发电有限责任公司，湖南常德415300)

关于厂用电快切装置功能的探讨

Discussion on auxiliary power fast cutting device function

罗艳

(大唐石门发电有限责任公司，湖南常德415300)

重点介绍PCS－9655型厂用电快切装置的功能及原理，在分析厂用母线工作电源和备用电源断路器切换原理的基础上，叙述了快切装置现有功能的不足，以及在使用过程中出现的问题及解决方法，并提出了解决的思路。

厂用电；快速切换；去耦合功能；分闸时间；PCS－9655

厂用电电源的安全可靠将直接关系到电厂的安全运行。在启动、停机、消缺、解列以及工作电源故障等情况下，成功、快速地进行厂用电切换，是确保厂用电系统乃至整个发电机组安全的重要环节之一。厂用电快切装置迅速发展，充分显示出它在生产实际运行中的优越性。如果厂用电的供电电源因某种原因中断时，厂用电母线失电，连接于上面的负荷将失去电源而停运，极有可能造成发电厂锅炉MFT，机组降负荷，甚至更为严重的后果。

大唐石门发电有限责任公司(以下简称石门电厂)2台300 MW机组均采用扩大单元接线，其6 kV厂用系统装设了4套某公司生产的PCS－9655厂用电快速切换装置，分别对应6 kV厂用Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ段系统。自投运以来，装置运行状况虽然较好，切换成功率几乎是100%，可以说基本安全可靠。然而，近几次曾发生因断路器本体原因，厂用电切换失败，而导致的厂用电失压事件。以下结合PCS－9655厂用电快切装置的功能、原理，对故障情况进行分析。

1 PCS－9655快切装置功能说明

1.1 正常切换操作

正常切换是指正常情况下进行的厂用电源切换。正常切换是双向的，切换过程主要有:

1)并联自动切换:手动启动切换，当并联切换条件满足，先合上厂用电备用(工作)电源，经延时定值，并确认合闸成功后，再自动跳开厂用电工作(备用)电源。

2)并联半自动切换:手动启动切换，当并联切换条件满足，先合上厂用电备用(工作)电源，而跳开工作(备用)电源的操作交人工完成。

3)串联切换:手动启动切换，先跳开工作(备用)电源断路器并确认后，切换条件满足时，再合上备用(工作)电源。

4)同时切换:手动启动切换，跳开工作(备用)电源断路器，经延时定值，无论工作(备用)电源是否已经跳开，切换条件满足时再合上备用(工作)电源断路器。

1.2 事故切换

事故切换亦是属于单向操作，分为串联切换和同时切换，只由工作电源切向备用电源，主要是工作电源故障，由保护启动的切换。

1.3 不正常切换

分串联切换和并联切换两种方式，属于单向切换，只能由工作电源切向备用电源，通常是指厂用母线失压起动的切换或是工作电源断路器偷跳，装置自动投入备用电源。

1.4 去耦合功能

去耦合功能是快切装置的必备功能之一，一般是同时切换或者是并联切换过程中，快切装置启动切换时，应该跳开的断路器没有跳开，而该合上的断路器已经合上，两电源并列运行，在这种情况下，快切装置去耦合功能起动，经一定延时后，跳开后合上的断路器，使得母线上只有一个进线电源，这整个过程就称为去耦合。

1.5 低压减载功能

在快切装置切换过程中，当厂用母线三相电压持续低于设定定值，经延时出口，切除次要辅机，以保障重要辅机可靠自启动。

1.6 后加速保护功能

一般应用于厂用电分支开关没有配置保护的场合。快切装置切换时，若目标电源误投故障母线，则立即跳开目标电源侧开关，快速切除故障。

2 问题的提出

2.1 事故的经过

石门电厂2号机组6 kV厂用Ⅲ段快切装置接线图如图1所示。2号机组6 kV厂用系统分为2段(Ⅲ段和Ⅳ段)，每段母线有2路电源，正常情况下，Ⅲ段母线由工作电源高厂变分支2301断路器供电，备用电源高备变分支2003断路器处于备用状态；Ⅳ段母线由工作电源高厂变分支2401断路器供电，备用电源高备变分支2004断路器处于备用状态。6 kV厂用Ⅲ段工作电源及备用电源均为真空开关，其跳闸时间为33～45 ms，合闸时间为55～67 ms。

图1 石门电厂厂用电快切装置接线示意图

石门电厂6 kV厂用电快切装置正常切换方式为并联自动切换，事故切换与失压切换方式均为串联切换，偷跳切换、快速切换、残压切换及越前时间切换投入，越前相角、低压减载、长延时切换与后加速保护功能退出。

2015年1月4日22时10分，厂用6 kVⅢ段系统A相单点接地，综合自动化系统监控画面发报警信号。由于接地部分高压电缆穿入零序TA方式不正确，小电流接地检测装置不能判别出接地间隔，运行人员进行负荷拉闸查找接地支路未果，怀疑2号高厂变分支有接地故障，遂决定倒换厂用电。1月5日00时40分，起动6 kVⅢ段快切装置正常并联自动切换，将6 kVⅢ段由工作电源切备用电源供电，因工作电源断路器拒动，切换失败，6 kVⅢ段失压。保安段自投成功，电除尘低压段自投成功，2号机降负荷至130 MW。6 kVⅢ段由01高压启备变带，逐步复电，此时6 kVⅢ段接地报警信号消失，2号机组逐步恢复正常运行方式。

2.2 原因分析及解决办法

2.2.1 情况分析

根据PCS－9655快切装置原理可知，在进行厂用电切换过程中(包括正常切换、事故切换和不正常切换)，若快切装置发出断路器跳(合)闸命令，因断路器本体机构原因，造成断路器分(合)闸时间过长，或是断路器辅助接点不可靠，快切装置未收到应跳断路器的跳(合)位开入接点，都将判断为断路器拒动。另外，对于无操作箱回路的断路器，断路器实际未合上或未跳开的情况下，装置输出的合(跳)闸命令盲目返回将会引起拉弧，甚至于烧损装置输出接点或继电器。因此，快切装置的跳(合)闸命令在未检测到断路器实际跳开(合上)之前，将一直保持不返回。

经过仔细检查，以及对6 kVⅢ段工作电源2301断路器分合闸时间的测试，发现其三相分闸时间均在700 ms以上。可以推断，当时启动快切装置并联切换，将厂用电从工作电源切向备用电源时，快切装置首先将6 kVⅢ段备用电源2003断路器合上，500 ms后，再对工作电源2301断路器发跳闸命令，由于6 kV厂用Ⅲ段工作电源2301断路器分闸时间过慢(大于700 ms，正常时应不大于55 ms)，使得工作电源和备用电源并列运行，快切装置等待200 ms未检测到2301断路器跳位开入接点，判断2301断路器拒动，通过去耦合功能跳开备用电源2003断路器。备用电源跳开后约500 ms左右，工作电源也相继跳开，导致6 kV厂用Ⅲ段母线失压。从整个过程看，装置此次动作属于误动，而仅就装置本身而言，则属于正确动作。通过动作报文、录波功能查询以及比较DCS中的历史记录，其动作情况与检查分析结果相符。

显而易见，工作电源断路器分闸时间过长是此次厂用电切换失败的直接原因，快切装置在合上备用电源后发出跳工作电源命令，而后又通过去耦合功能跳开备用电源，整个过程中，快切装置发出的跳工作电源命令一直保持不返回，导致两电源全跳，切换失败。

由于石门电厂2号高压厂用工作变压器和01号起动/备用变压器的引接方式不同，它们之间存在者不同数值的阻抗，当两台变压器分别带上负荷时，两路电源之间的电压将存在一定的相差，这个相差通常被称为“初始相角”。因为初始相角的存在，快切装置启动正常并联切换时，两台变压器之间就会产生环流，环流的数值过大时，对变压器是十分有害的。因此，该装置设有去耦合功能，且固话与程序软件中默认投入，当两电源并列运行超过200 ms，则跳开刚合上的断路器。可以看出，无论是退出该项功能还是延长“去耦合延时”，对厂用电系统的安全运行都会带来不利的影响，故去耦合功能是快切装置必不可少的一部分。

查出问题的关键后，检修人员立即对工作电源2301断路器的本体机构进行彻查，发现其跳合闸机构存在动作不干脆、弹簧压力改变的现象。更换了断路器相关部件，再次进行跳合闸测试，其三相分闸时间分别为:A相46.1 ms，B相46.5 ms，C相45.7 ms，结果正常。重复多次进行厂用电切换试验，切换正常。

2.2.2 事故反思

通过此次事故，一用一备原则设计的厂用供电方式并非完全可靠，当开关本体机构发生故障无法满足快切逻辑时，厂用电系统的可靠性受到威胁。当电气设备(包括断路器、接触器、电缆和电气保护等等)质量可靠性差时，可以考虑改进厂用电系统设计，根据实际优化运行方式，提高供电可靠性。主要方法有:

1)因石门电厂2号机组6 kV厂用电系统采用Ⅲ、Ⅳ段分段设计，可以在两段母线之间采用联锁开关自动投入，一旦某段母线出现故障(如失压等)，自动投入联锁开关将非故障母线投入继续供电。此类设计应在联锁条件、逻辑判别以及出口时间上和快切装置配合使用，避免冲突。

2)对主要的辅机设备，均要求有备用，同一类辅机设备、电源应接在不同厂用电母线上。

2.2.3 在使用快切装置时，建议着重考虑两点:

1)断路器执行机构动作不干脆或断路器辅助接点不可靠是造成快切装置误动(或拒动)的直接原因。厂用电电源断路器应统一采用机构性能优良的产品，保证分合闸时间的快速性；此外，还需定期对厂用电电源断路器进行整体大修，提高断路器使用可靠性及延长断路器寿命，重点检查断路器跳合闸机构、辅助接点等相关部件。

2)对于无法确保断路器本体机构快速动作，且对快速切换要求不高的用户，在进行并联切换时，可将正常切换方式由并联自动切换改为并联半自动切换或同时切换。并联半自动切换如前所述，即快切装置在满足并联条件时，先合上备用(工作)电源，再由运行操作人员在就地手动跳开工作(备用)电源，采用此种切换方式时，若经30 s工作(备用)电源仍未跳开，装置闭锁，并发出告警信号；而同时切换，即是快切装置在启动切换时同时发出跳工作(备用)电源开关命令和合备用(工作)电源开关命令，切换条件包括快速切换、越前时间切换、残压切换等等。

3 改进设想

PCS－9655快切装置在切换过程中，将电源断路器的辅助接点状态作为断路器状态判断的唯一依据，并按照固有逻辑而保持出口命令，执行切换程序。这种程序设计虽然简单但可靠性太低，是个安全隐患。

针对以上情况，可以进一步完善快切装置逻辑，使之具备更强大的容错能力。断路器本体故障造成开关拒动，从而引起母线失压的根本原因，就在于RCS－9655快切装置去耦合使得两路电源均跳开，造成母线失压后没有防误程序执行失压起动逻辑。故而，针对石门电厂6 kV厂用电系统，有以下几个方面的改进建议:

1)优化厂用电系统设计。如前所述，分段母线之间采用联锁互备方式，主要辅机设备实现冗余备用。

2)快切装置增设母线失压自动投入备用电源逻辑。当切换厂用电过程中发生两路电源全跳开，母线失压的情况下，快切装置应立即动作，有选择性的强合备用电源，保证厂用电供电的可靠性。当然，这里的“强合”并不是一种最好的选择，而只是一种“两弊相权取其轻”的选择。上述事件中，装置起动去耦合功能，跳开2003后，原先跳工作电源的命令一直保持，经过500 ms又将工作电源跳开，最终导致母线失压，这个过程完全可以列入诸如不正常切换的逻辑，装置可以再合上备用电源开关，保证厂用电供电正常。

3)完善快切装置去耦合逻辑。

首先，在并联切换去耦合逻辑中增加有流判据。如图1中，并联切换启动后，合2003，2003位置接点合位后延时跳2301，若在200 ms内2301仍有流，则起动去耦合跳开2003。

其次，取消快切装置出口保持功能。快切装置去耦合跳开备用电源后，立即将原跳工作电源的命令返回，工作电源断路器跳闸线圈无法继续励磁，无法跳闸，完全可以防止两路电源全跳开的情况发生。这种情况下，必须保证在开关实际未跳开或者未合上时，装置出口接点直接返回引起拉弧而不被烧损，或者装置元器件不被烧坏。这也对快切装置的硬件提出了更高的要求，装置的造价也必然会更加昂贵。

当然，要改进装置硬件质量，细化装置软件判据，还要保证装置的切换速度，对装置的设计和制造方面都存在一定的难度，从而提高了装置的造价。但是，考虑厂用系统的可靠性和稳定性，这样的改进还是值得去研究的。

〔1〕国家电力调度通信中心.国家电网公司继电保护培训教材:电力系统安全自动装置〔M〕.北京:中国电力出版社，2009.

〔2〕南京南瑞继保电气有限公司.PCS－9655厂用电快速切换装置技术和使用说明书(ZL_DYBH0701.0803.2007.09V1.00)〔R〕.2007.

〔3〕国家电力调度通信中心.电力系统继电保护规定汇编:继电保护及安全自动装置技术规程〔M〕.北京:中国电力出版社，1997.

〔4〕杜耀明.厂用电失电与快切装置逻辑缺陷分析与改进〔J〕.电力安全技术，2010，12(3):28-29.

〔5〕刘忠岳.电气设备及其系统〔M〕.北京:中国电力出版社，2003.

TM762

B

1008-0198(2016)01-0060-03

罗艳(1980)，女，汉族，湖南衡南人，工程师，工学学士，主要从事继电保护及自动装置的检修维护工作。

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.01.017

2015-05-11 改回日期:2015-06-04