1. 前言
在大型火力发电厂的运营期间, 由于厂内自身设备的运行、维护不当, 电气设备老化及接入电网不稳定等因素的影响, 不可避免的会发生因厂用电系统故障继而事故扩大化引起的机组跳闸的恶性事故。为保证主设备的安全及主要控制系统的正常运行, 同时保证事故状态下机组的安全停机或事故解除后机组的重新快速启动, 火力电厂通常都会设置应急电源。按电源类型分, 应急电源可分为交流应急电源和直流应急电源。直流应急电源通常为厂用电系统中的直流电源。而交流应急电源可分为由柴油发电机组组成的事故保安电源和UPS组成的交流不停电电源。本文主要针对事故保安电源的接线及运行方式进行分析。
2. 柴油发电机组保安电源接线及工作原理
事故保安电源在保证发电厂的稳定安全运行中起着至关重要的地位, 保安电源是相对独立于机组厂用电系统的, 在厂用电失电的情况下可启动柴油发电机以保证事故负荷的正常运行, 供电可靠性较高。相对于从厂外升压站引接一回备用电源来说投资费用低, 经济效益好, 且减少了审批等对外配合工作, 因此现国内常规火电项目均配置柴油发电机作为交流事故保安电源。
保安电源接线可归纳为以下两种方式:
(1) 保安电源厂用电接线通常设正常工作电源和备用电源, 由不同的厂内工作母线引接, 如图2.1所示, 机组工作PCA段和PCB段分别有两回馈线引接至保安MCCA段及MCCB段, 一回作为正常工作电源, 一回作为备用电源。在全厂失电的情况下, 柴油发电机启动, 并通过断路器QF将电源接至保安PC段, 保安PC段分别有两路馈线通过断路器引接至保安MCCA段和保安MCCB段。
在正常工作时, 柴油发电机出口断路器QF处于分闸位置, 来自工作PCA (PCB) 段工作电源馈线开关QF1处于合闸位置, 来自工作PCB (PCA) 段备用电源馈线开关QF2处于合闸位置, 保安MCCA (MCCB) 段工作电源进线断路器QF3处于合闸位置, 保安MCCB (MCCA) 段备用电源进线断路器QF4处于分闸位置, 保安MCCA (MCCB) 段柴油发电机进线断路器QF5处于分闸位置。以保安MCCA段为例, 当检测保安MCCA段母线电压互感器失压, 则启动柴油发电机组, 同时, 如果工作PCB段检测母线电压互感器有电压, 则跳开MCCA段工作进线断路器的QF3, 投入MCCA段备用进线断路器QF4, 即MCCA段电源取自备用电源PCB段;如果检测PCB段也无电压, 则断开QF3断路器, 此时由DCS判断QF3及QF4均处于分闸状态, 则闭合QF5断路器, 投入柴油发电机。当工作电源恢复后, 应先跳开断路器QF5, 再合上QF3断路器, 保安MCCA段的负荷由柴油发电机组供电切换至正常电源, 柴油发电机组停机。
(2) 为提高自动化水平, 在保安电源接线中可采取ATS双电源切换开关。ATS电源切换开关是一种双投切换开关, 具有快速切换能力, 另配有可程控微处理机控制器, 可以进行参数设定。切换开关电源来自于即将投入端电源, 不需要额外控制电源。
保安电源接线采用ATS (自动切换开关) , 保安MCC电源为两路, 一路引自工作PC (由PCA和PCB经一台ATS切换后得到) 一路引自柴油发电机, 两路电源经另一台ATS接至保安MCC段。正常工作时, 保安MCC由工作PCA (或PCB) 供电;若保安MCC的PCA (或PCB) 电源失电, 第一台ATS经必要延时 (躲过备用电源自投时间) 后切换至PCB (或PCA) 电源;若PCB (或PCA) 电源仍无电, 则由第二台延时发出“启动事故柴油机”信号。
在保安段工作电源恢复时, 柴油机控制柜自动捕捉ATS已切换后恢复供电的工作电源电压, 同时对柴油发电机进行调速调压。待与恢复后的厂用电电源满足同期条件后, 柴油机将发出“同步准备就绪”信号。信号发出后, 由就地运行人员对ATCS装置发出切换指令, ATCS捕捉同期点, 从而实现由柴油机到厂用电工作电源的切换。切换回厂用电后柴油发电机组停机指令由运行人员确认后在柴油机控制柜上操作。完成柴油发电机到市电的切换。
3. 带载试验
对于第一种接线方式, QF3, QF4, QF5解除三取一的逻辑, 手动合断路器QF5, 并手动启动柴油发电机, 电压建立后, 手动启动断路器QF的同期装置, 捕捉到同期点后, 断路器QF自动合闸, 柴油发电机组和厂用电并列运行。
对于配置两套双电源自动切换装置 (ATS) 的保安电源接线方式, 带载试验状态时, 第二台ATS发出“启动事故柴油机”信号, 启动柴油机, 柴油发电机控制柜需跟踪接入控制器的ATS下口电压, 待达到同期条件之后, 由保安MCC段的ATS开关切换至柴油发电机侧。
4. 实际存在的问题
某2*300MW工程中, 采用了双套自动切换装置的接线方式, 正常运行及切换均可满足安全稳定运行的要求, 但在业主招标文件中要求柴油发电机可满足与厂用电电源并列运行的能力, 并要求在这种工况下进行现场试验。经查ATS样本, ATS切换过程会有短瞬间停电的过程, 即采用先断后合的方式, 不存在并列运行的可能。经多方协调, 制造厂提出可更换为同厂家的ACTS, 该产品采用先合后断的接线方式。但其并列时间也仅为100ms, 时间过短也不能满足试验时间要求。
5. 解决方法
采用自动切换的方案不能满足要求, 因此仅能对原有接线方案进行改造。计划取消所有ATS装置, 改为传统断路器接线方式。但根据现场条件, 所有低压开关柜均已运至现场, 采取简单处理, 仅取消原保安MCC段柴油机进线和厂用电工作进线的双电源切换装置, 将切换柜更换为断路器柜。
正常工作下, 保安MCC由工作PCA (或PCB) 通过断路器QF1 (QF2) 供电;若保安MCC的PCA (或PCB) 电源失电, 则由ATS经必要延时 (躲过中压段切换时间) 后切换至PCB (或PCA) 电源;若PCB (或PCA) 电源仍无电, 则启动柴油发电机, 闭合柴油机进线断路器。
综上, 正常工作状态, 事故状态及双电源并列的带载试验状态的连锁均可满足要求, 但若要求两回电源同时为保安MCC段提供电源, 还需重新校核其短路水平。
根据《DL/T5153-2014火力发电厂厂用电设计技术规程》中关于380V动力中心短路电流实用计算法可知, 动力中心的短路电流由低压厂用变压器和异步电动机两部分供给。三相短路电流周期分量可按下式计算:
I''为三相短路电流周期分量的起始有效值 (k A) ;
I''B为变压器短路电流周期分量的起始有效值 (k A) ;
I''为电动机反馈电流周期分量的起始有效值 (k A) ;
U为变压器低压侧线电压;
RΣ、XΣ为每相回路的总电阻和总电抗 (mΩ) ;
为变压器低压侧的额定电流 (A) 。
将变压器出厂报告中实测短路阻抗值及各个负荷值带入公式计算后得出:工作PC段的短路水平约为49.9k A, 保安MCC段的短路水平约为46.6k A, 则原50k A短路水平的开关柜可满足, 不需进行调整改造。即该方案可行。
6. 方案分析
1.常规接线方式如图2.1所示, 保安MCC段与厂用电工作段呈对应设置, 如果保安MCC A段或者B段的任一负荷发生故障, 而该回路的保护设备没有及时动作, 则该保安MCC段进线开关动作, 切除整段母线从而切除故障点, 而不会将影响扩大化, 影响另一段保安母线的供电;一般情况下, 保安负荷应均匀接至两保安母线段上, 即使断开一段保安母线, 还有一半保安负荷继续工作, 对互为备用的保安负荷将不会受到影响此种接线方式保证了保安段的可靠性和安全性。
正常工作状态下, 断路器QF1, QF2为常闭合状态, 厂用工作电源的通过断路器QF3, QF4切换, 如若工作PC段与事故保安段布置距离不算远, 且有简化配置的要求, 可将断路器QF1, QF2改为负荷开关。以减少初投资。
2.双ATS方案。ATS的特点为先断后合, 负载总的失电时间不会大于300ms, 由于失电时时间短, 对于发电厂中的一般负荷不会造成影响。而制造商提出的ATCS最大的特点是可以实现不停电切换, 能捕捉同期点, 切换过程负载电压无波动, 对负载无冲击。因此柴油发电机进线和工作电源进线的切换可采用ATCS装置, 可实现不停电切换。两套切换开关设定也需要整定配合。ATS开关, 该时间设定为只要躲过中压段快速切换时间即可, 即ATS装置监测到保安段MCC电源失电, 经必要的延时 (躲过6k V备用电源的自动切换时间) 后进线电源切换, 保证切换的快速性。而对于ATCS开关, 该设定时间需比ATS开关的设定时间延长1s, 该时间考虑躲过ATS切换时间, 保证ATS先行切换, 若仍不成功再由ATCS发出启动柴油机指令。
7. 总结
由上述分析可知, 无论是传统断路器接线方式还是ATS接线方式, 均可保证保安电源的长期稳定运行, 但在设计过程中, 设计方需仔细研究业主的运行要求, 根据具体细节选择接线方式。若需满足双电源并列试验的要求, 还需重新核算柴油机段的短路水平。
摘要：本文针对火力发电厂柴油发电机组保安电源的接线方式进行分析和讨论, 并对不同接线方式的正常工作状态及带载试验状态进行了探讨。提出了每种接线方式的不同优缺点及可改进的方案。最后提出在实际工程接线中应注意的问题。
关键词：保安电源接线,双电源切换装置,带载试验
参考文献
[1] 崔逊, 火电厂保安柴油发电机功能改进及启动试验探讨, 广西电力, 2010.
[2] 祁长虹, 王中, 300MW火力发电厂交流事故保安电源配置方案探讨, 《图书情报导刊》, 2011, 21 (4) :209-211.
[3] 火力发电厂用电设计技术规程, DL/T 5153, 2014