考慮電動機群惰走特性的火電廠低壓電源切換方法與流程

2023-09-09 22:33:50

本發明涉及火力發電行業的電氣工程技術領域，特別是涉及考慮電動機群惰走特性的火電廠低壓電源切換方法。

背景技術：

發電機組在啟動、停運和故障掉閘時廠用電系統均需進行切換，以保證廠用電系統的安全可靠。過去廠用電切換常採用廠用電與備用電源的並列切換方式或手動停電切換方式，衝擊電流大，對電網的安全構成一定威脅，而且操作繁瑣，不利於生產的需要。隨著技術的進步，高壓廠用電源切換廣泛應用了快速切換裝置，可以在大部分情況下實現不停電切換，保證高壓電源在切換時連續可靠運行；但低壓廠用電源目前均採用備自投(明備用方式)或手動切換(暗備用方式)方式，仍然存在切換速度慢，切換時停電，衝擊電流大等老問題。

根據《火力發電廠廠用電設計技術規定》(dl/t5153-2014)和《大中型火力發電廠設計規範》(gb50660-2011)的要求：「當備用電源採用暗備用的方式時，備用電源應手動投入」。國內300mw及以上大型火力發電廠一般按暗備用要求設計，雙套輔機分別由成對出現的兩臺低壓變壓器(如脫硫變a和脫硫變b，化水變a和化水變b等)供電，當電源側故障或低壓母線失電時採用手動方式切換。但是手動切換的規定是因為帶有大量低壓電動機的低壓廠用母線失電後，電動機群由於慣性惰走會在母線上產生反饋電壓，與備用電源電壓可能存在衝突，國內沒有對考慮電動機群惰走特性下大型火電廠低壓電源的自動切換過程進行詳細研究，只能採取保守的手動切換方式。手動切換切換時間長，自動化程度低，切換過程中低壓電動機會停電，影響機組安全運行。

隨著電力系統安全自動裝置的高速發展，出現了自動化水平高、技術成熟的低壓廠用電快切裝置，在石化等其他工業領域得到了一些應用，可以有效地解決手動方式在切換時切換速度和電源同期的配合問題，實現不停電自動快速切換。

海外電力工程也有很多業主要求火電廠低壓電源實現備用電源不停電快速自動切換(以下簡稱快切)。但在國內電力行業，受制於保守的規範要求，低壓快切裝置並沒有在300mw及以上大型發電廠得到應用。低壓快切裝置能否應用在大型發電廠中？切換過程中暫態過程是什麼樣的？自動切換有何風險如何規避？與現有的保護系統如何配合？與雙套輔機之間的dcs切換時間如何配合？會對電廠工藝系統造成何種影響？這些問題都是亟待解決的。解決這些問題，一方面為海外項目安裝低壓快切和實現不停電切換提供技術支持，另一方面也為低壓快切在我國電力系統的應用和規程規範的升版提供理論支持。這其中的核心問題就是研究切換過程電氣暫態過程分析，主要是低壓電動機群惰走暫態過程。

綜上所述，現有技術中對於火電廠低壓電源不停電切換問題，尚缺乏有效的解決方案。

技術實現要素：

為了解決現有技術的不足，本發明提供了考慮電動機群惰走特性的火電廠低壓電源切換方法，本發明的方案考慮了低壓廠用電動機群惰走特性、快速切換原理、雙套電源電氣快速切換裝置與熱控dcs切換時限配合、雙套電源電氣切換與低電壓保護跳閘時限配合、交流迴路低電壓穿越、繼電保護的要求，為一種囊括多因素的有效設計方法，將目前大型火力發電廠常規採用的事故情況下電源手動切換方式改為自動不停電快速切換方式，滿足大型火力發電廠低壓廠用電持續供電的要求。

考慮電動機群惰走特性的火電廠低壓電源切換方法，包括以下步驟：

步驟一：仿真低壓電動機群惰走特性：仿真失電後母線電壓衰減波形和切換波形，繼而得到母線失電後電動機群惰走時母線上的反饋電壓，以及母線殘壓與備用電壓之間的幅值相角差；

步驟二：根據步驟一中仿真的低壓電動機群惰走特性，針對每一對變壓器選擇不停電切換使用的切換原理對應的方法；

步驟三：根據不停電切換使用的切換原理對應的方法，針對每一對變壓器使低壓電源不停電切換時間和熱控dcs雙套輔機切換時間相配合；

步驟四：若採用同時切換原理時，針對每一對變壓器確定低壓電源不停電切換和低電壓保護相配合，否則，dcs雙輔機切換並延時後針對每一對變壓器確定低壓電源不停電切換和低電壓保護相配合；

步驟五：若快切時間小於低電壓保護時間，則針對每一對變壓器確定低壓電源不停電切換和低電壓穿越的配合，否則，修改低電壓保護時間後再針對每一對變壓器確定低壓電源不停電切換和低電壓穿越的配合；

步驟六：針對每一對變壓器調整繼電保護配置方案：調整後的繼電保護方案必須保證10kv電纜和變壓器故障時快切裝置可以啟動，切換電源，同時必須在380v母線故障時閉鎖快切，防止正常電源切到故障上，導致兩臺變壓器全部停電，影響機組運行；

步驟七：根據步驟一的仿真結果，對每一對變壓器重複步驟二到步驟六，確定全廠低壓電源不停電快速切換方案。

進一步的，所述步驟一中具體為：確定本電廠不同低壓廠用pc段上所帶電動機負荷的情況，在仿真軟體平臺上建立低壓廠用電源暫態模型，仿真每段母線突然失電後電壓衰減的時域特性，得到低壓電動機群惰走特性。

進一步的，所述步驟二中，針對每一對變壓器選擇不停電切換使用的切換方法，具體為：電動機群殘壓衰減慢的母線，在失電0.1秒母線殘壓與備用電源角度相差小於60度，可以用同時切換原理的快切裝置實現不停電切換；電動機群殘壓衰減快的母線，在失電0.1秒母線殘壓與備用電源角度相差大於60度，可以用殘壓切換原理的快切裝置實現不停電切換。

進一步的，所述步驟三中，若不停電切換能夠採用同時切換原理，則熱控dcs切換無需修改；若不停電切換採用殘壓切換原理，則熱控dcs切換需加延時再判斷措施，保證兩種切換不衝突。

進一步的，所述步驟四中，考慮電廠不同低壓pc段上電動機低電壓保護要求，切換過程中根據電動機惰走曲線，判斷i類和ii類電動機低壓電源不停電切換時間是否小於低電壓保護動作時間，小於則說明低電壓保護與不停電切換互不影響，否則需調整低電壓保護動作時間。

進一步的，所述步驟五中，根據交流迴路保護元件特點，採用不同的低電壓穿越手段，最終選擇的低電壓穿越手段要能夠滿足不停電切換的要求，保證切換完成後電動機不因短時低電壓而掉電。

進一步的，所述步驟五中，當採用熱繼電器進行保護的迴路，可採用接觸器線圈直流吸合加專用低電壓保護的手段，或抗晃電繼電器手段；當採用馬達保護器進行保護的迴路，可採用馬達保護器抗晃電+失電自啟動+失電重啟動的手段、抗晃電接觸器手段或直流吸合接觸器線圈手段。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

本發明的效果為用較小的投資將快速切換裝置融入現有的低壓保護控制系統，實現大型火電廠低壓電源事故情況下不停電切換，改變了現有火電廠低壓電源切換依靠手動切換帶來的自動化程度低、影響機組連續運行的缺點。同時該發明將提高我國電廠設計和總承包工程在國際市場的競爭力，為我國電力企業佔領國際市場提供基礎性的技術支持。

附圖說明

構成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本申請的進一步理解，本申請的示意性實施例及其說明用於解釋本申請，並不構成對本申請的不當限定。

圖1為本發明的流程圖；

圖2為脫硫母線失電殘壓與備用母線電壓曲線圖；

圖3脫硫母線殘壓與備用電源電壓相角差；

圖4備用母線與失電殘壓的差拍電壓；

圖5交流電動機迴路典型接線；

圖6保護配置圖。

具體實施方式

應該指出，以下詳細說明都是例示性的，旨在對本申請提供進一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術和科學術語具有與本申請所屬技術領域的普通技術人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這裡所使用的術語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據本申請的示例性實施方式。如在這裡所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數形式也意圖包括複數形式，此外，還應當理解的是，當在本說明書中使用術語「包含」和/或「包括」時，其指明存在特徵、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

正如背景技術所介紹的，現有技術中存在火電廠低壓電源不停電切換問題不足，為了解決如上的技術問題，本申請提出了考慮電動機群惰走特性的火電廠低壓電源切換方法。

本申請的一種典型的實施方式中，如圖1所示，提供了考慮電動機群惰走特性的火電廠低壓電源切換方法，包括以下步驟：

步驟一：利用仿真軟體仿真低壓電動機群惰走特性。確定本電廠不同低壓廠用pc段上所帶電動機負荷的情況，在仿真軟體平臺上建立低壓廠用電源暫態模型，仿真每段母線突然失電後電壓衰減的時域特性，得到低壓電動機群惰走特性。

本步驟是最重要的一步，也是基礎性的一步。單個低壓電動機失電後，為保持電動機內磁場能量不躍變，轉子迴路中會產生瞬時感生電流，抵消定子電流消失引起的磁通變化以維持磁通不突變，這一電流按轉子繞組時間常數t(由電動機轉子的漏感對電阻的比值決定)衰減，其產生的磁場，相對定子繞組以轉子轉速旋轉，在定子繞組中感生出電動勢，即感應電動機的失電殘壓。連接在同一母線上的電動機群失電後，各臺電動機由於功率、轉動慣量、負載特性不一樣，導致電動機感應出的失壓殘壓不一樣，轉動慣量大、功率大的電動機失電殘壓高，衰減時間長，在電動機群中扮演異步發電機的角色，將慣性轉變為電磁能量。轉動慣量小、功率小的電動機失電殘壓低，衰減時間短，在電動機群中扮演異步電動機的角色，將低壓系統中的電磁能量轉變為自身損耗的熱量。這個能量交換過程就叫做電動機群的惰走特性。可見，電動機群惰走特性是由電動機群的特點決定的，每段低壓母線由於低壓負荷不同，電動機群惰走特性也不一樣，電動機群的惰走特性決定了母線失電後母線殘壓衰減的角度幅值變化情況，而母線電壓失電後的角度幅值變化情況直接決定了備用電源不停電投入的時間及方式，進而決定了電廠中現有的dcs切換、低電壓保護、低電壓穿越能否與備用電源不停電快速切換順利配合。

如何得到電動機惰走特性，對於單個電動機可採用電機學公式進行推倒，但對於電動機群，如果採用電機學公式推導則需要求解大量高階微分方程組，最好的辦法還是利用國際通行的仿真軟體如etap，digsilent等進行仿真，這種方法更加高效準確。仿真過程中需獲取每段母線上電動機數量和容量、運行工作制、每臺感應電動機轉動慣量、極對數、最大轉矩、堵轉轉矩、定子電阻、定子漏抗、轉子電阻等參數信息，在仿真軟體中建立模型，模擬本段母線失電得到電動機群惰走特性。步驟二到步驟五也是在步驟一仿真結果上確定的。

步驟二：針對每一對變壓器選擇不停電切換使用的切換原理。根據電動機群惰走特性和母線殘壓衰減情況，電動機群殘壓衰減慢的母線，在失電0.1秒母線殘壓與備用電源角度相差小於60度，可以用同時切換原理的快切裝置實現不停電切換；電動機群殘壓衰減快的母線，在失電0.1秒母線殘壓與備用電源角度相差大於60度，可以用殘壓切換原理的快切裝置實現不停電切換。以上兩種方法都可以快速的將電源切換至備用電源，不停電或僅短時電壓降後恢復供電，至於其他常用的切換方法，如捕捉同期切換和長延時切換，並不適合低壓系統使用，故不再推薦使用。

步驟三：針對每一對變壓器研究低壓電源不停電切換和熱控專業dcs雙套輔機切換的配合。大型火電厂部分機械為雙套配置，當發生故障時熱控專業dcs會啟動另一套機械，可能會與低壓電源不停電切換產生衝突。要研究電廠熱控專業dcs系統切換邏輯和熱控專業dcs系統切換的時間與電氣專業雙套電源切換時間的配合。一般來說dcs根據一套輔機接觸器跳閘狀態來啟動另一套輔機，耗時在400ms左右，以上數據會根據dcs廠家的不同而有所差異。若不停電切換能夠採用同時切換原理，則熱控dcs切換無需修改；若不停電切換採用殘壓切換原理，則熱控dcs切換需加延時再判斷措施，保證兩種切換不衝突。

步驟四：針對每一對變壓器研究低壓電源不停電切換和低電壓保護的配合。確定電廠不同低壓pc段上電動機低電壓保護要求，切換過程中根據電動機惰走曲線，研究i類和ii類電動機低壓電源不停電切換時間是否小於低電壓保護動作時間，小於則說明低電壓保護與不停電切換互不影響，否則需與業主商議，調整低電壓保護動作時間。

步驟五：針對每一對變壓器研究低壓電源不停電切換和低電壓穿越的配合。根據交流迴路保護元件特點，採用不同的低電壓穿越手段，如採用熱繼電器進行保護的迴路，可採用接觸器線圈直流吸合加專用低電壓保護的手段，或抗晃電繼電器手段，如採用馬達保護器進行保護的迴路，可採用馬達保護器抗晃電+失電自啟動+失電重啟動的手段、抗晃電接觸器手段或直流吸合接觸器線圈手段。最終選擇的低電壓穿越手段要能夠滿足不停電切換的要求，保證切換完成後電動機不因短時低電壓而掉電。

步驟六：針對每一對變壓器調整繼電保護配置方案。調整後的繼電保護方案必須保證10kv電纜和變壓器故障時快切裝置可以啟動，切換電源，同時必須在380v母線故障時閉鎖快切，防止正常電源切到故障上，導致兩臺變壓器全部停電，影響機組運行。為此，變壓器10kv側綜保f01內差動保護87、電流速斷保護50、過流保護51和變壓器溫度保護49來啟動快切，過負荷保護26不啟動快切，如保護出口不能分開也可啟動快切後靠380v進線保護進行閉鎖。變壓器380v進線側加裝電流速斷保護50和380v瞬時接地故障保護50n來閉鎖快切。變壓器380v進線側加裝接地故障保護51n來作為配電系統其餘部分的後備接地保護，不閉鎖快切也不啟動快切。母聯限時速斷保護和10kv綜保內的限時速斷保護必須有時限配合，母聯限時速斷比10kv綜保內的限時速斷多一個時限。以上配置方式簡單可靠，比傳統方式更改小，容易實現。

步驟七：根據步驟一的仿真結果，對每一對變壓器重複步驟二到步驟六，確定全廠低壓電源不停電快速切換方案。根據以上六個步驟總結出適合該電廠的低壓廠用系統不停電切換和持續供電方法，應用在工程設計中。

為了使得本領域技術人員能夠更加清楚地了解本申請的技術方案，以下將結合具體的實施例與對比例詳細說明本申請的技術方案。

以某大型火力發電廠低壓廠用電源不停電切換供電系統設計為例,詳解本技術方法:

電廠基礎資料:電廠容量2*1000mw，廠用低壓系統為暗備用，即供電變壓器為兩臺互為備用的變壓器，兩臺變壓器低壓pc母線上設有母聯斷路器。成對出現的變壓器有鍋爐變ab、汽機變ab、脫硫變ab、水務中心變ab、公用變ab、脫硝變ab、等離子變ab等。

dcs具有雙套輔機自動切換邏輯，判斷根據為接觸器輔助節點返回，耗時在400ms左右；i類電動機低電壓保護動作時間9s，ii類電動機低電壓保護動作時間0.5秒；採用馬達保護器作為迴路保護手段。

低壓廠用電源不停電切換方案確定方法:

步驟一:選擇etap12.5版本仿真軟體軟體，根據該電廠負荷情況，仿真母線失電後電動機群惰走時母線上的反饋電壓，以及母線電壓與備用電壓之間的幅值相角差，分析投入備用電源存在的風險。在發電廠中，工作電源斷開後，因有大量感應電動機群接在母線上，原來積存在電動機繞組和電樞中的能量不可能立即消失，因此母線上的電壓及其頻率不會隨時間變化而迅速衰減。對於低壓電動機群來說，電動機裡由於磁場能量、機械慣量都很小，所以電壓下降很快，一般經過數百毫秒(甚至更短)就能降至25％額定值以下。以脫硫pc為例，經過etap軟體仿真，1s時刻斷電後電壓衰減情況如圖2-4所示，殘壓與備用母線部分數據如表1所示：

表1

由以上數據和圖表可以看出，脫硫母線在1s失電後，在3.2s電壓基本降為零，且在1.1s時刻，脫硫母線殘壓與備用母線的電壓相角差為50°，小於60°，且在固有合閘時間內，殘壓母線的頻差小於1hz，此時殘壓為71.5％額定電壓，基本滿足快速切換的基本條件，但當1.376s殘壓與備用母線的相角差第一次過零點左右時，此時差拍電壓大約為50.8％額定電壓，差拍電壓較小，但是殘壓幅值已經降到48.2％的額定電壓，此時電壓幅值比較小，在實際中，應該考慮電動機的低壓保護和斷路器的脫扣電壓，實際工程中，可能實現同期捕捉切換之前，部分感應電動機會被迫切除。在1.501s時，殘壓幅值下降到40％額定電壓以下，即可以實現殘壓切換。

該電廠主要母線段電壓衰減情況如下表2：

表2各母線上母線電壓衰減情況表

步驟二：根據以上結果，脫硫變ab、水務中心變ab由於電動機容量大，採用同時切換原理，為保險起見增加殘壓切換作為同時切換不成功的備用；其他變壓器所帶電動機容量小，使用殘壓切換。

步驟三：向本電廠dcs廠家索取dcs熱工切換時間，根據步驟一仿真結果對每一對變壓器失電後電壓衰減時間進行分析，如果達到不停電切換條件的時間長，與dcs熱工切換時間有衝突，則需要採取措施。仍以脫硫變ab為例，失電後0.1s具備第一次快切條件，殘壓71.5％，接觸器不跳開，dcs雙套切換不啟動，可不考慮dcs切換與電源切換之間的配合。對於脫硝變，電動機容量小，失電後電動機群反饋電壓衰減快，低電壓穿越措施允許接觸器短時斷開，熱控dcs切換邏輯會啟動，同時dcs受母管壓力低信號作用也可能啟動備用泵，但備用泵與工作泵同時啟動風險危害較小，且可以通過運行人員手動停泵來解決，也可要求dcs廠家在dcs雙套輔機切換邏輯中加延時再判斷予以解決。

步驟四：低電壓保護要求電源斷電時間不得大於0.5秒，若大於0.5秒則ii類負荷和iii類負荷必須斷電。根據步驟一仿真結果對每一對變壓器失電後電壓衰減到低電壓保護動作電壓的時間和快切動作波形進行分析，如果大於低電壓保護動作時間則需要採取措施。該大型火力發電廠中絕大部分電動機都是i類負荷或ii類負荷。根據步驟一的仿真結果，電動機容量大的脫硫變ab、公用變ab、汽機變ab、水務中心變ab可以在0.2秒內實現快速切換，其餘變壓器低壓pc電壓衰減快，可以在0.4秒內實現殘壓切換，均可以在低電壓動作時間0.5秒前完成切換，低電壓保護不會動作，不用採取措施即可保證廠用電系統連續供電和電動機的持續運行。

步驟五：低電壓穿越是指電廠在外部原因導致的廠用電電壓突然降低情況下，廠內電動機迴路要有保持接觸器不斷開的措施，待電壓恢復後能夠迅速自啟動恢復工作狀態，避免機組停機。普通電動機迴路的低電壓穿越方法有很多種，抗晃電接觸器具有延時釋放的功能，具有兩個線圈，內部的儲能線圈可以保證在電壓暫時降低的情況下接觸器不分閘；接觸器直流吸合方案在西門子設計的機組中經常見到，優點是直流電源不受交流切換影響，缺點是加裝單獨低電壓保護裝置和電纜費用較大；採用馬達保護器抗晃電+失電自啟動+失電重啟動的手段只需要採用有以上功能的馬達保護器即可，外部設備無需增加，優點是造價低，缺點是保持接觸器的能力不如上述兩種方法，可能存在短時斷開的情況。該大型火力發電廠採用馬達保護器實現迴路的保護功能。經過研究和與業主的商議，決定採用馬達保護器抗晃電+失電自啟動+失電重啟動的手段，經分析該手段可以保證低電壓穿越設計和電源不停電切換功能互不影響，且造價低，設備簡單。迴路典型接線如圖5所示。

步驟六：調整傳統繼電保護配置方案，滿足不停電切換裝置的配合要求。以脫硫變ab為例，傳統手動切換方案下380v進線側保護f03不裝設，f03中的相間速斷保護50不裝設，瞬時接地故障保護50n和接地過流保護51n裝設在10kv側綜保f01中。為了滿足不停電電源切換裝置的要求，根據前述原則，10kv綜保f01中的所有保護動作啟動快切，380v側綜保相間速斷保護50和瞬時接地故障保護50n閉鎖快切，接地過流保護51n不閉鎖也不啟動快切。常規保護配置做這些更改後才能與快切裝置實現良好的配合。保護配置如圖6所示。

步驟七：根據步驟一的仿真結果，對每一對變壓器重複步驟二到步驟六，確定全廠低壓電源不停電快速切換方案。在變壓器低壓側pc上加裝低壓快速切換裝置，脫硫變ab、水務中心變ab採用同時切換原理+殘壓切換原理，其餘變壓器低壓段採用殘壓切換原理。該電廠電氣專業雙套電源切換與熱控專業雙套輔機dcs切換、低電壓保護不存在矛盾，低電壓穿越保持接觸器措施採用馬達保護器抗晃電+失電自啟動+失電重啟動手段，調整繼電保護配置。以此研究結果為基礎編制該廠廠用電不停電切換設計原則，保證電廠低壓廠用電源實現不停電切換。

以上所述僅為本申請的優選實施例而已，並不用於限制本申請，對於本領域的技術人員來說，本申請可以有各種更改和變化。凡在本申請的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本申請的保護範圍之內。