廠用電快切在黑啟動過程中的應用及優化

吳育濤

摘要：燃機電廠黑啟動過程中，廠用電最初由柴油發電機帶載，當燃機啟動成功后，再通過快切裝置切換到燃機發電機帶載。針對快切裝置切換過程中頻繁出現的閉鎖現象，通過優化切換模式參數及切換程序，提高了切換裝置的可靠性。

關鍵詞：黑啟動;柴油發電機;閉鎖現象;切換模式;可靠性

0 引言

豐達電廠為2×180 MW聯合循環天然氣發電廠，燃機發電機有功功率為120 MW，汽機發電機有功功率為60 MW，配備一臺型號為G-JM2400G/6300的柴油發電機，柴油發電機額定常用功率為2 400 kW，當電網發生故障全部停電后，電網處于全黑狀態，電廠通過啟動柴油發電機，恢復廠用電的正常供電，從而啟動燃機，燃機啟動成功后，通過快切裝置將廠用電由柴油發電機帶載切換到燃機發電機帶載，燃機發電機帶廠用電孤網運行，成為電網的一個電源點，最后對電網逐步恢復送電，實現黑啟動。

1 黑啟動廠用電運行方式

電廠經過黑啟動改造后，增加了一臺柴油發電機和2DL出口開關。燃機發電機正常運行接線圖如圖1所示，燃機發電機通過主變110 kV側4DL開關向110 kV母線送電，再通過5DL開關接入惠州電網，高廠變110 kV高壓側3DL開關接在110 kV母線上，高廠變6 kV低壓側1DL開關接在6 kV廠用電母線上，為廠用電提供電源，柴油發電機在電網正常運行時，處于停機備用狀態，其出口開關2DL處于斷開狀態。當電網出現故障停電后，1DL、3DL、4DL、5DL開關均處于斷開狀態，電廠處于停機狀態，無任何外部電源，此時廠內柴油發電機緊急啟動，15 s左右就可以達到3 000 r/min，通過柴油機同期裝置的檢6 kV母線無壓合閘模式，合上柴油發電機2DL出口開關，6 kV廠用電母線恢復送電，燃機具備啟機條件，20 min后，燃機可以達到3 000 r/min，通過燃機發電機同期裝置的檢110 kV母線無壓合閘模式，合上4DL開關，對110 kV母線恢復送電，燃機控制系統選擇孤網運行模式，燃機勵磁系統選擇AVR模式，最后合上高廠變110 kV側3DL開關，對高廠變恢復送電，此時需要將6 kV廠用電負載由柴油機帶載切換到燃機發電機帶載，也就是實現1DL開關和2DL開關的快速切換，將廠用電切換到燃機發電機帶載，實現燃機發電機帶廠用電孤網運行，最后根據惠州電網及調度需要，合上5DL開關對惠州電網逐步恢復送電，實現惠州電網的黑啟動。

2 黑啟動快切并聯切換存在的問題

為了實現燃機發電機和柴油發電機對廠用電帶載的切換，電廠增加了一臺快切裝置，型號為MFC2000-6，黑啟動快切廠用電接線圖如圖2所示。當2DL開關合上后，柴油發電機帶6 kV廠用電運行，燃機發電機帶高廠變空載運行時，快切裝置檢測到的6 kV母線電壓Um來源于柴油發電機電壓，備用電壓Us來源于燃機發電機，燃機發電機和柴油發電機屬于兩個不同的電源系統，Us與Um存在初始相位差，這個初始相位差是隨機的，在0°～360°都會存在相位差，快切裝置并聯切換允許的相位差為15°，一旦燃機發電機和柴油發電機二次電壓初始相位差大于15°，馬上閉鎖，因此并聯切換無法完全滿足黑啟動切換的需求，需要選擇同時切換和串聯切換方式進行補充。

3 同時切換與串聯切換理論分析

同時切換和串聯切換的共同點是不需要并列工作和備用兩路電源，工作電源開關分開后，將導致工作母線上的電壓存在一定程度的衰減，因此實現快切的方式有快速切換、同期捕捉切換、殘壓切換3種方式，在這3種方式中，切換質量差的是殘壓切換，切換質量最好的是快速切換。6 kV工作母線殘壓和6 kV備用電源之間的相量圖如圖3所示，2DL開關分開后，6 kV母線殘壓Um處于不斷衰減狀態下，Um=[Xm/（Xs+Xm）]·ΔU，令K=Xm/（Xs+Xm），Um=K·ΔU，為了保證切換安全，按母線上電動機自啟動時端電壓不超過1.1Un工況下來計算合閘允許極限角δ，δ對應圖3中△COD構成的角度，δ=2arcsin 0.55Un/Us=66°，也就是計算得到的合閘極限角為66°。假設柴油機發電機與燃機發電機廠用電源之間相角差為?（t1），?（t1）一階導數?′（t1）對應的物理意義為相角差速度，?（t1）二階導數?″（t1）對應的物理意義為相角差加速度，同時切換開關合閘時間為Th，開關分閘時間為Tt，一般情況下Th大于Tt，同時切換跳工作開關和合備用開關的命令幾乎是同時發生，因此同時切換的時間按備用開關合閘時間Th與工作開關分閘時間Tt的時間差Th-Tt進行合閘允許角度計算，就可以實現快速切換，如式（1）所示：

4 快切優化

4.1? ? 同時切換參數優化

同時切換是在發跳工作開關命令時，可以通過同時切換合備用延時參數，保證讓工作開關先分開，再延時合備用開關，為防止兩路電源非法并列，快切裝置增加合備用開關延時時間定值，定值設置為1～500 ms。現場6 kV工作開關和備用開關都采用ABB公司生產的VD4，2004年投入運行，工作開關和備用開關品牌和型號相同，運行年限也相同。試驗測量6 kV開關合閘時間Th為64 ms左右，分閘時間為38 ms左右，查閱多年的開關試驗數據，開關分合閘時間幾乎沒有變化，非常穩定。現場將快切裝置合備用開關延時時間優化為1 ms后，進行同時切換快速帶載試驗，能實現快速切換，電壓最后降低到額定電壓的94.02%，切換質量良好。快切反饋回來的報文顯示，切換過程未發現兩路電源并列，證明合備用開關延時時間整定為1 ms，既不會造成兩路電源并列，又能讓備用開關快速合閘，提高切換質量。為了進一步對比切換效果，再將定值改為100 ms后，在同樣的工況下，現場無法實現快速切換，只能通過同捕切換實現，最后母線電壓下降到額定電壓的43.48%，切換質量較低，現場很多電機接觸器失壓重啟動，影響機組安全運行。

4.2? ? 快切程序的優化

同時切換存在的一個缺點就是工作開關分開后，假如備用開關由于機械、二次回路故障無法合閘時，6 kV母線將會失電。而并聯切換的優點是采用備用開關先合上，確定備用開關合上之后，才去分開工作開關，切換過程中6 kV母線不失電，可靠性高，由于工作和備用電源需要短時并聯，兩路電源的初始相角差應在15°的角差范圍內，要求較高。這兩種切換模式各有優缺點，如果能通過優化快切裝置程序，使快切程序同時兼容這兩種切換模式，將能有效提高快切的可靠性和成功率。現場在快切裝置程序增加了“切換允許最長時間”和“并聯切換失敗轉同時切換”兩個控制字，一般切換允許最長時間設置為10 s，裝置將在10 s內一直檢測并聯切換條件所需要的壓差、角差和頻差，如果滿足條件就并聯切換，如果超過10 s，并聯切換條件仍然不滿足，再通過并聯切換失敗轉同時切換控制字，進入同時切換模式，這樣就充分利用了并聯切換和同時切換的優勢，更加有利于黑啟動的可靠快切。

5 結語

在黑啟動過程中，廠用電剛開始由柴油發電機帶載，燃機發電機啟動成功后，廠用電需切換到燃機發電機帶載，實現燃機發電機帶廠用電孤網運行，在這個過程中，不可避免地存在柴油發電機和燃機發電機兩路電源的切換。通過對同時切模式參數的優化，使同時切換更容易實現快速切換;此外，兩路電源的初始相角差是隨機不可控的變量，通過對快切程序的優化，使快切裝置根據初始相位角是否大于并聯切換定值，自動選擇并聯切換和同時切換模式，充分發揮兩種切換模式的優點，保證廠用電可靠的切換，最終實現整個電廠的黑啟動。

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