發電廠起備變冷備用技術及問題探討

兀鵬越 孫鋼虎 邵云鵬 楊勝林 郭 琳

（西安熱工研究院有限責任公司，西安 710061）

火力發電廠都設置有一臺或多臺起動/備用變壓器（簡稱起備變），除了作為起停機過程中的廠用電源外，還在機組并網發電后作為廠用電的熱備用電源，以保證機組事故跳機時可以立即帶廠用電負荷，維持廠用電的連續性，保障機組安全。在機組發電運行期間，起備變處于空載運行狀態，長期空載運行的損耗是相當可觀的。據測算，一臺容量45MW 的油浸式起備變，一年空載運行電能損耗約30 萬kW·h。近年來，隨著發電廠對節能降耗工作的日益重視，降低起備變空載損耗就成了比較熱門的課題。一些電廠積極嘗試起備變冷備用技術，個別電廠還進行了試驗和應用[1-2]。

本文在廣泛調研及若干臺機組現場試驗的基礎上，對當前起備變冷備用技術中存在的幾個關鍵性的技術問題進行了分析，供有關的技術人員參考。

1 起備變的運行方式

1.1 運行方式簡介

圖1 火電廠電氣系統示意圖

圖1是典型的單元機組電氣一次系統示意圖。 目前的常規運行方式，當機組正常發電時，廠用電由高壓廠用變壓器提供，1DL、2DL、5DL、6DL 合閘，3DL、4DL 分閘。

當機組故障跳機時，由快切裝置快速跳開1DL、2DL，合上3DL、4DL，實現廠用電快速切換，保持廠用負荷持續運行。由于機組運行時起備變高壓側開關6DL 合閘，起備變充電運行，因此稱之為起備變熱備用。如果機組運行時，起備變高壓側開關6DL 分閘，起備變不帶電。當機組跳閘時，再由快切立即合6DL、3DL、4DL 投入起備變及廠用負荷。這種方式稱之為起備變冷備用方式。需要說明的是，文中這兩種方式定義不同于發電廠運行規程對冷備用的規定。

1.2 采用熱備用方式的原因

長期以來，火電廠起備變絕大部分都采用熱備用運行方式。原因就在于起備變運行中低壓側帶電，隨時可以進行廠用電源快速切換，一般情況下都可以切換成功；如果冷備用運行，當機組跳機時首先要給起備變充電，然后才可以進行切換，這樣切換時間變長，增大了廠用電切換失敗的風險。另一個原因，是變壓器空載合閘產生勵磁涌流有可能導致保護誤動作，使得變壓器空投失敗。還有一個因素，冷備用的變壓器有可能存在故障而未被發現，跳機投運時投運失敗。這些因素導致發電廠寧肯付出常年起備變空載運行損耗的代價，也不肯冷備用運行。

1.3 冷備用方式的實現

近年來，隨著火電廠節能工作深入開展，對于起備變冷備用方式逐漸重視起來。起備變冷備用控制方式中，為廠用電快切裝置增加了高壓側斷路器合閘出口，當發電機組保護動作起動快切時，快切裝置發出指令合起備變高壓側6DL 斷路器和低壓側3DL 斷路器，瞬時將處于冷備用的起備變投入運行并立即接帶廠用負荷運行。如圖2所示。

圖2 冷備用方式的控制回路（僅一段）

為了防止勵磁涌流引起變壓器空投失敗，在起備變高壓側斷路器6DL 處配置勵磁涌流抑制器，如圖3所示。當發電機組保護動作起動快切時，快切裝置發出合起備變高壓側6DL 斷路器指令給勵磁涌流抑制器，由勵磁涌流抑制器選擇合適的角度發出合閘指令，控制6DL 準確合閘于時機，使得變壓器勵磁涌流最小，防止差動保護誤動作，確保變壓器空投成功，然后再由快切擇機合低壓側3DL 斷路器。與圖2相比，這種方式可以防止勵磁涌流導致的變壓器空投失敗，但帶來了切換時間的延遲，從而增大了切換失敗的風險，控制方式也更復雜。

圖3 帶勵磁涌流抑制器的冷備用控制回路

2 影響起備變冷備用運行的問題

2.1 范區冷備用變壓器空投時差動保護誤動作

變壓器空載合閘產生勵磁涌流[3]，這是變壓器自身固有特性決定的，在不采取措施的情況下必然存在，大小約為變壓器額定電流的8～12 倍，如圖4所示。

圖4 變壓器空載合閘勵磁涌流

變壓器勵磁涌流會導致變壓器差動保護誤動作，這是繼電保護長期以來未能解決的難題，即使目前微機保護技術已經十分先進的情況下，仍然無法保證百分之百識別勵磁涌流不誤動，這一點是筆者咨詢國內幾個主要變壓器微機保護廠家的技術人員得到承認的。因此，由于勵磁涌流會導致保護誤動作，緊急事故時起備變投不上的可能性也是存在的。

以前人們認為空載合閘勵磁涌流是變壓器難以克服的固有特性，采取了各種方法來識別和躲避勵磁涌流?，F在在工程上采用了基于斷路器選相位關合技術的勵磁涌流抑制器，通過變壓器空載合閘的電壓角度，即可有效抑制勵磁涌流的大小。其主要原理為：變壓器外加電源電壓的波形與主磁通波形一致的，但超前90°，因此通過測量電壓的波形就可以得到主磁通的波形，進而通過測量斷電電壓時刻的波形可以獲取斷電時剩磁的極性。然后控制斷路器的合閘時機，使得變壓器空投上電時產生的偏磁與剩磁極性相反，再與穩態磁通共同作用，使得總磁通低于變壓器的飽和磁通，即可抑制涌流。

影響勵磁涌流抑制效果的一個重要因素是開關動作時間的離散性，當開關動作時間誤差超過3ms時，抑制效果就不可接受了。因此，選擇動作特性穩定的開關設備是一個很重的前提條件。

基于該技術的產品已經有多家公司可以生產，在工程中應用較多。勵磁涌流抑制器的效果已經得到我國南方電網公司的認可，2011年專門發通知要求在南方電網使用。根據工程實際應用來看，使用勵磁涌流抑制器可以將勵磁涌流大小限制在變壓器額定電流以下，杜絕了勵磁涌流導致的變壓器空投時差動保護誤動問題。

2.2 母線失壓時間增加導致快切失敗

由于冷備用情況下起動切換，需要先合起備變高壓側開關，再合低壓側開關，比熱備用情況下只合低壓側開關的動作時間要慢100～200ms。這樣一來，廠用高壓母線總的失壓時間在200～300ms 之間，這段時間母線殘壓如果下降較快，有可能無法實現快速切換，導致一些輔機跳閘，切換失敗。

母線殘壓下降特性取決于負荷特性，電機類負荷越多，容量越大，殘壓下降越慢，越有利于快速切換的實現[4]。一般運行中機組高壓廠用母線殘壓衰減過程都要持續好幾秒，冷備用方式下切換帶來的200～300ms 的失壓時間內，母線電壓電壓衰減大約5～15V，跌落不是太多，實現快速切換的幾率還是很高的。

2.3 冷備用時設備帶故障投入

發電廠運行人員還有一個顧慮，就是處于未充電冷備用狀態的變壓器如果已經存在故障而沒有發現，或者處于分閘狀態的斷路器已經有故障，關鍵時候無法合閘，都會造成事故時起備變投入失敗。這種可能性不是沒有，但是對于穩定性比較好、事故率較低的變壓器和斷路器來說，如果設備本身質量合格的話，發生這種情況的機率很小。

除了對設備加強監視以外，還可以采取的預防措施就是定期對變壓器充電，在惡劣天氣時將起備變熱備用運行。

2.4 對電壓跌落敏感的廠用負荷跳閘

由于廠用電切換過程存在短時的母線失壓，切換過程中在運行的負荷能否維持運行就很關鍵了。廠用電設計技術規程規定，短時停電會影響生產的Ⅰ類負荷低電壓保護跳閘定值40V，9s；短時斷電不影響生產運行的Ⅱ類、Ⅲ類負荷低電壓保護跳閘定值60V，0.5s。也即短時的試驗是不會導致重要輔機跳閘的，只要廠用電切換成功，是可以保證機組生產連續性的。在切換過程中，可能會有一些對電壓敏感的輔機跳閘，但這些輔機都是重要性較低的設備，可以手動恢復送電，不會影響機組運行。

因此，從以上分析可見，起備變冷備用運行存在問題對機組生產運行的影響是存在的，但都不是根本性的，且均有解決辦法。

3 冷備用切換過程

冷備用切換過程的關鍵問題在于盡量縮短切換過程的過渡時間。由于變壓器低壓側真空開關的分合閘固有動作時間約為40～60ms，而高壓側開關的分合閘固有動作時間約為80～100ms，必須采取措施防止低壓側開關先于高壓側開關合閘。措施之一是快切裝置判斷高壓側開關的輔助觸點，確保高壓側開關合閘后才發出低壓側開關合閘指令。措施之二是采取低壓側開關延時合閘，延時可整定。措施二可以通過時間配合將切換時間壓縮到最小。表1是采取延時配合的快切過程時序。

表1 切換過程時序

根據有關過程實際切換試驗情況，采用冷備用切換母線的失壓時間110ms 左右，不影響輔機的運行[4]。

4 實際應用情況

據了解，目前還有不少工程都設計了起備變冷備用方式，但進行了起備變冷備用實際切換試驗的不多，而實際起備變冷備用方式運行的更少。究其原因，就在于沒有這方面成熟的運行經驗，而冷備用試驗又存在廠用電切換失敗的風險，因此人們對于進行該試驗態度保守謹慎，大多數設計了冷備用方式的火電廠，實際上起備變還是熱備用運行，沒有達到設計目的。

據調查，在實際生產中起備變冷備用運行的機組不是很多。長期以來，電力系統內的發電廠節能要求并不嚴格，從保證機組安全的角度來講，大家還是愿意起備變熱備用運行。而在一些外資電廠或者企業自備電廠等小型機組，出于節能的考慮，已有多年起備變冷備用運行經驗。

這些機組大多都沒有采用勵磁涌流抑制器，因此冷備用切換時間較短，實際切換成功率都比較高。根據調研中了解到，在冷備用切換方式下，起備變都可以快速切換成功，且機組的主要輔機都可以維持不跳閘，但是會有個別對電壓波動敏感的設備跳閘。這些設備一般采用電磁接觸器，都為不重要的負荷，即使跳閘也不影響機組安全，運行人員手動合上即可。華北電力大學對這種方式下的起備變冷備用技術有較多的研究，運用RTDS 數字仿真技術在實驗室進行詳細的分析驗證，并在海勃灣發電廠、達拉特發電廠進行了實際試驗，試驗結果證明，起備變冷備用是可行的[4-6]。

采用勵磁涌流抑制器的起備變冷備用運行方式，由于增加了切換時間，被認為切換成功率降低，一般不愿意在工程上實際應用。實際調研中了解到也有個別應用，遼寧某自備電廠采用此方式運行4年以上，每次事故都成功切換。

總體來看，發電廠采用起備變冷備用運行方式還是少數。

5 冷備用切換失敗的影響分析

阻礙起備變采用冷備用方式的最大顧慮，是擔心當發生機組事故時，廠用電切換失敗，導致全廠失電。因此有必要對這種情況以及由此帶來的影響進行分析。

如果機組事故，停機是必然的。問題只在于停機過程中是否可以安全停機，不會導致發生設備損壞等重大事故。實際上，在發電廠的設計中，全廠失電情況下是能夠保證機組安全停機的，不至于造成設備損壞等嚴重事故發生。按照火力發電廠廠用電設計規程，當廠用電失去后，最重要的控制系電源由UPS 瞬時切換到蓄電池組，保證失電時控制系統能夠正常運行；對機組安全威脅最大的是汽機潤滑油系統立即起動直流油泵維持油壓，保證汽輪機安全[7]。除此以外的機組其他負荷是可以在停機是經受短時間的斷電而不會導致設備損壞等嚴重事故發生的。而廠用母線失壓后柴油發電機立即起動，在15s 內即可帶保安段負荷運行，從而保證機組安全停機。

而所謂起備變采用冷備用方式切換不成功，指的是在母線電壓跌落到低電壓保護動作值（70%）以前沒能快速切換成功，而不是切換失敗導致高壓廠用電全失。這種情況下，廠用高壓母線電壓會有短時（幾百毫秒到幾秒之間）的跌落，會導致一些對電壓敏感的負荷跳閘，而重要負荷都不會跳閘，在廠用電切換成功后電動機會自動再起動，也即不會導致全廠失電。起備變采用冷備用方式切換不成功最糟糕的情況是快切裝置未動作，可以由運行人員搶合備用電源，也可以保證廠用電源馬上恢復，實現安全停機，不會導致嚴重的事故發生。

因此，對于起備變冷備用方式導致的廠用電切換失敗，也是能夠保證機組安全停機的。應該正確合理分析和評價起備變冷備用切換帶來的風險，過分夸大切換失敗的后果是不可取的。

6 結論

理論和實踐證明，發電廠起備變冷備用運行方式是可行的，在不大的投資下可以實現較好的節能效果。由此對機組的運行帶來安全風險的增大是有限的，在可控范圍內，不至于造成嚴重的后果。應該理性看待這種運行方式，積極創造條件在實際中應用，積累更多的運行經驗，從而使其更加完善。

[1] 謝勇,段周朝,譚富娟.6kV 廠用電快切二次回路改進[J].電氣技術,2010,10(7): 80-82.

[2] 郭存瑞.發電廠起備變冷備節能環保技術應用[J].內蒙古石油化工,2013(8): 123-124.

[3] 兀鵬越,余信,李毅,等.變壓器勵磁涌流抑制器工程應用及探討[J].電力自動化設備,2012,32(6): 145-149.

[4] 劉世雄.起備變冷備用快切裝置投入分析[J].內蒙古電力技術,2013,31(5): 52-56.

[5] 張悅芳.起備變熱備用改冷備用在電廠的研究與應用[D].北京: 華北電力大學,2012.

[6] 尚威.起動備用變壓器熱備用改冷備用的方法研究[D].北京: 華北電力大學,2014.

[7] 夏尊宇.全廠停電過程中對大機潤滑油的控制[J].華電技術,2013,35(10): 42-43,45.