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保守≠安全,技术进步是安全的基石

更新时间:2014-5-29

保守安全,技术进步是安全的基石

叶念国   翁乐阳

(深圳市智能设备开发有限公司,广东 深圳 518033

[摘要]  安全是电力生产的生命线,这是电力工业各专业领域工作者的共识,理由很明确,电力涉及到国民经济发展的全域,些微疏漏都将导致严重的后果。但令人遗憾的是:常鸣的安全警钟却诱发了无处不在的保守,不少电力部门不自觉的给安全与保守画上了等号,于是几十年前应对小机组、小系统的技术,还纹丝不动的照搬到当前大机组、大系统的场合,自然规律是无情的,给我们的回应是隐患、事故频出。但这并未引起人们警觉,原因很简单,使用传统过时技术引发的事故不会追究执行者的责任。我国电力系统以惊人的速度发展,很多过去不曾有的问题都相继出现,我们不能再拒绝新技术了,有关部门是否应制订因使用过时技术造成严重后果的责任人进行惩罚的条例。本文引用几个例子来描述“保守=安全”的后果。

[关键词]    检同期  功角  快切  捕捉同期  残压

引言

在电力系统中不论是发电厂、或是变电站、或是调度所、或是设计院在决定使用新设备的时候都会不约而同的对设备制造厂家提出一个问题:“这个设备在哪里使用过?”这一问题蕴含着两层涵意,一是使用效果如何?一是我会不会是第一个使用者?而提问者更看重的是第二层涵意,即防止自己成为新产品的试验品。显然,如果所有使用者都不做第一个使用者,新技术如何变成生产力?!

笔者无意鼓动滥用劣质产品,而是希望在电力工业各专业领域的工作者要理性的对待新技术、支持新技术,只有这样,电力生产才能更安全。当然,所谓理性不仅是从理论和实践上剖析新技术的本质,而且还要勇于正视自己可能存在的明哲保身的人格弱点。

2          两个危害深广的传统技术举例

好象用了几十年的技术一定是可靠安全的,答案是:错。因为环境在变、被控对象的特性在变,而控制的手段不变,没有不出错的道理。下面举两个电力自动化的例子:

 

2检同期

“检同期”技术早期是用于两系统的联络线正常投运,或联络线故障跳闸后重合闸的场合,如图2.1所示。

 

在断路器B2为合位时,投运联络线L可通过合断路器B1实现,合B1是典型的同期操作,考虑到线路有较大的阻抗,因此 为简化设备,传统的做法只检查B1两端的电压差U及相角差Ф,只要△U合格,当Ф小于给定值Фz时即实施自动合B1的操作,这就是“检同期”技术。显然,它是服务于两解列系统S1S2的并列目的。此外,“检同期”还用于L因保护动作被切除后的重合闸。

 

这一技术在联络线重负荷时实现检同期重合闸遇到了困难,因两系统解列后负荷受端出现大的功率缺额,电压及频率大幅度下降,导致Ф角的变化速度极大,如图2.2所示。以电压U1为参考轴,B1跳开后,U2因频率下降向滞后方向旋转,设检同期相角差Ф的整定值为ФZB1的重合闸只能在2ФZ的区间获得合闸回路,如解列后的频差为fB1断路器的合闸时间为t1,接通合闸回路的时间t2=。设f=3HZ,ФZ=30º,则t2=55.5 ms,说明如断路器合闸时间t1小于55.5ms,则重合闸可能成功,否则将可能失败。因此,这种“检同期”只适用于频差较小,及快速断路器的场合。

随着电力系统的不断扩大,系统结构渐趋复杂,环网开始出现,于是出现了环并的问题。如图2.3所示。

这是一个最简单的双回线构成的环网。当线路L2断开,只有L1运行时,此时的工作方式与图2.1相同。如需再投入线路L2,一般的做法是先将L2一端的断路器例如B4在检查线路L2无电压时自动合上,然后再在断路器B3处“检同期”,如B3两侧电压的相角差Ф小于整定值ФZ,则自动合上B3,实现L2的投运操作。问题出在定值ФZ应取多大,奇怪的是几乎全国的电网都选择ФZ=30°,这30°如何来的谁都说不明白。我们不难看到这个古老的“检同期”被滥用了,事实上图2.1B1的检同期是为防止非同期并列而设的,选择ФZ=30°是限制合闸时的冲击电流。而在图2.3B3的合闸不存在非同期并列问题,B3两侧的系统S1和系统S2已经被线路L1联通了。在B3两侧人们看到的相角差在本质上完全不是图2.1B1两侧的相角差Ф,而是图2.3中的正在运行线路L1的功角δ,δ的数值随转输功率P1的增加而增加,故称为功率角,其取值范围在090°之间,众所周知,当δ接近90°时将威胁两系统并列的稳定性。限制B3合闸的功角值δ绝不应是千篇一律的30°,而是取决于B3合闸后L2L1分流的负荷大小,如分流负荷过大,则导致线路L2的保护跳闸。因此,B3合闸的允许功角是需要经过潮流计算决定的。遗憾的是在我国的各个发电厂和变电站中我们都可以看到这个30°,有的是用古老的电磁型同期检查继电器TJJ实现,有的则是用最先进的32位微处理器来实现,硬件在大踏步前进,而设计思想原地踏步。更让人感到奇怪的是我们的各级调度从不告知各发电厂和变电站如何正确选择合环操作的功角定值,尽管调度员对各种运行方式下的潮流状况了如指掌。

 在图2.3L1单独传输轻负荷时,在B3两侧看到的功角数值很小,离极限值90°还很远,此时投入线路L2分流的必要性不大。而当L2传输功率很大时,将会出现线路末端电压U2过低或L1的稳定储备临近极限,此时正需要线路L2投入分流,然而B3两侧测到的功角δ已远大于30°,它将拒绝投入,这是典型的见死不救。我们不难想到这个30°的“检同期”闭锁使我国的多少线路在需要它投运时它拒绝,这对线路资源的浪费及对系统运行的安全威胁造成的后果有多么严重。

十年前笔者就指出两电源的同期方式有两种,即“差频同期”和“同频同期”,前者为两解列电源的同期,后者为开环点两侧电源的同期,即常称之“环并”或“合环”。差频同期的条件有三个,即在同期点两侧的电压差及频率差满足要求的前提下,在相角差接近零度时完成同期操作。同频同期的条件只有两个,即在同期点两侧的电压差及功角满足要求时完成同期操作,这个功角的定值来源于在该运行方式下潮流计算的结果,而不是一成不变的30°。在电网中同一个同期点在系统不同运行方式下会出现不同的同期方式,因此,同期装置的设计者应将同期装置设计成具有自动识别同期方式的装置。然而,当前的各类同期装置竟然都是按人工整定同期方式设计,这是一个严重的错误,并可能引发严重的后果,因为不是所有发电厂和变电站的工程师都能及时获知该同期点当前的同期方式。遗憾的是至今我们也没听到设计及运行单位对这一问题的质疑。这都是传统的“检同期”给我们留下的后果。

 

2.2  厂用电快切装置设计的认识误区

厂用电快切装置是大型燃煤电厂不可或缺的安全装置,其作用是保证在工作厂用电源因故消失时,快速的投入备用电源,以确保不间断正常发电。然而正是由于人们对两电源同期操作的僵化认识,导致当今厂用电快切装置出现了原则性错误,这些错误大大恶化了发电机的运行条件。然而一些设计者还津津乐道自己的杰作。下面剖析几个认识误区的成因。

22把失去电源的感应电动机群的异步发电状态等同于正常发电机发电状态

失去电源的感应电动机群靠正常工作时的剩余动能及磁路的剩磁进入异步发电状态,表面上是个发电机,但将其与正常具有汽轮机驱动及励磁装置供给励磁电流的发电机相比有本质的不同,前者没有动力及励磁源支持,导致异步发电的电压及频率持续下降。这种异步发电的电动机群无力反抗强大的备用电源将其拉入同步的电磁转矩,也就是说它们会很顺从地被备用电源拉入同步。但当今快切装置的设计者则将这一过程按两个都具有动力及励磁源支持的正常发电机同期过程来处理,于是就出现了快切装置的所谓“快速切换”和“捕捉同期切换”。其结果是丧失了大好的切换时机,硬让厂用机械等到残压与备用电源在第一个同期点出现时才恢复供电。此时已有大量的厂用电动机被低压保护切除,他们号称的“快切成功”实质上只是指备用电源投入后没再次跳闸,而大量的厂用电动机被切除,留下一个残缺不全的厂用机械组合他们都不在意。

22完全漠视感应电动机特有的电压特性

2.4是典型大型感应电动机的静态电压特性曲线,它描述了感应电动机吸取电源有功功率P和无功功率Q与端电压的关系。可以看出当端电压降低到临界点K以下时,电动机吸收的有功功率P急剧下降,而吸收的无功功率Q急剧增大。这说明厂用电动机在失电后进入异步发电状态时的厂用母线残压在K点之前其电压值及频率的下降速度较慢,而在K点之后则迅速下降。显然,投入备用电源的时刻绝不能在K点以后,否则大量的电动机将被低压保护切除,且剩下未切除的重要电动机将面临极恶劣的自起动条件,使厂用母线电压迟迟不能恢复。而当今的各品牌快切装置的捕捉同期都是在K点以后才进行切换的,其后果是留下大量的工作让运行人员去收拾那些瘫痪厂用机械的残局。

2.2.3对“环流”的错误认识导致错误的厂用电正常切换方式

 

2.5是一个典型的300MW发电机组的主接线图,高压厂用分裂变压器通过工作分支2DL4DL给两段厂用母线供电,起动备用变压器通过3DL4DL作为AB段厂用母线的备用分支

厂用电的正常切换是指工作分支和备用分支间互换工况的切换,即厂用母线改变供电电源的切换。A段厂用母线为例,正常工作时,断路器2DL3DL的状态是互非的,即一个在“合”状态,另一个在“分”状态。例如3DL合,2DL分,即A母线由备用分支供电,如进行一次正常切换即可实现3DL分,2DL合。不难看出这一切换可以先分3DL,后2DL,也可以先合2DL,再分3DL当今的各类快切装置几乎都采用先分后合,即所谓的“串联切换”和“同时切换”。设计者认为这样可以避免2DL3DL都合上时产生环流。似乎环流是个很可怕的东西,他们忽略了在进行环网的同频同期时一定会产生环流,这个环流就是因合环操作引起了潮流的重新分配,只要根据通过潮流计算确定的允许功角定值进行同频同期操作,出现的环流没有任何可怕之处,毫无必要用先分后合的方式进行正常切换,何况先分后合是人为制造厂用母线短时停电,诱发电动机群进入异步发电状态,而且一旦后合的断路器拒动时,将引发厂用电停电事故。

    这些快切装置的设计者也提供了先合后分的另一种切换方式,即所谓的并联切换。这种并联切换完全继承传统的“检同期”概念,按固定的同期闭锁角闭锁合闸回路,至于这个先合的断路器面临的是差频同期还是同频同期全然不顾,其后果在前节已给出了答案。

正确的正常切换应该是按照严格的同期准则进行先合后分,而且必须由装置自动识别先合断路器的同期方式,在完成先合操作后立即执行后分,不容许两个断路器同时在“合”状态的时间过长,这是为避免主系统故障而保护拒动时由2DL3DL来切除故障遭到损坏。由此也可以看到这些快切装置为正常切换所设计的半自动方式也是错误的,它允许在先合完成后的后分由手动实施,这就给两个断路器制造了前述情况下遭受损毁的可能。

 

22不负责任的支持起动备用变压器冷备用

为了保证在厂用电工作分支因故障跳闸时快速的投入备用分支,一般起备变采取热备用方式,即图2.5中的断路器6DL经常在合状态。这样就不致因冷备用空投6DL时,励磁涌流引起备变保护误动使备用电源投入失败。显然,起备变热备用将带来可观的空载损耗,特别是起备变大多由系统取得负荷,在厂网分开的当今电力体制下,发电厂将以工业用电的电价向电网公司缴交高价电费。以一台50MVA的起备变为例,如空载损耗为额定容量的1%,则一年应向电网公司上交的电费超过600万元,这不是一个小数。目前的各类快切装置在不采取任何措施的前提下声称支持起备变冷备用是不负责任的,因仅仅可以自动操作起备变高压侧断路器合闸是远远不够的,因它不能保证起备变投入一次成功。

笔者在设计快切装置时针对支持起备变冷备用的需求,使用了抑制励磁涌流的专利技术,确保起备变一次投入成功。这一技术针对各种磁路、各种接线组及各类操作机构断路器(分相操作或三相同时操作)的特殊性,在计及剩磁影响的因素下成功的实现了对励磁涌流的完全抑制,或使涌流具有可简单识别的固定特征。这种对起备变冷备用的支持才是可信的。

结语

从两个例子中我们不难看出简单继承前人的技术遗产不一定是安全的,因为电力系统在发展,就必须有相应的技术产品支持它的需求,不论在科研部门、设计部门、运行部门、制造部门乃至于教学部门都应实事求是的面对现实和未来。那些害怕承担责任,而一味拒绝新技术的作风再不扫除,我们的电力系统不仅不会更安全,而是会出更多更大的事故。