SID-8BT型多微机同期快切复用装置在大型发电厂中的应用
叶念国 翁乐阳
[摘要] 厂用电供电的可靠性对于大容量机组火电厂及核电站的安全运行至关重要，厂用电备用电源在工作电源因故障切除时能快速进行自动切换的厂用电源快切装置因此成为发电厂的重要自动控制设备。本文通过对神头电厂等多个电厂使用SID-8BT同期快切复用装置的情况，从安全、可靠、经济等重要指标出发，认为该装置是当今最适合大机组采用的自动装置。
[关键词] 同期 快切 残压 捕捉耐受电压
0 引言
基于大容量火电机组对厂用电供给可靠性的要求远远大于用其它能源作为动力的发电机组，因此，人们倍加重视厂用电的可靠性，这主要表现在对备用电源自动投入装置的设计上。但纵观当今市场上推出的各类国内外厂用电快切装置的运行记录，从中发现有较多的原则性错误，这些错误更多源于对厂用电正常工切换及事故切换实质的错误认识，以及对厂用电的主要负荷——感应电动机特性的误解。SID-8BT多微机同期快切复用装置从原理上纠正了这些错误，从而做到了快切装置能实现无扰动的正常切换及事故切换，更为可贵的是开创了厂用电事故切换过程中不损失任何厂用负荷的新途径，并成功地利用了根除变压器励磁涌流的专利技术，实现支持起备变冷备用的经济运行方式。
1 发变组同期功能及厂用电快切功能一体化
图1.1 厂用电接线示意图
如图1.1所示，断路器的1DL、2DL、3DL需要配置自动同期装置，而厂用母线的工作分支及备用分支断路器4DL、5DL的正常切换也同样需要按同期原则进行操作。同期操作的特点是断路器两侧都有电源，当两侧电源是相互独立的电源时，此时的同期操作属差频同期性质，在两侧频差及压差满足整定值时，捕捉相位差为零的时机完成同期操作。当两侧电源是同一电网时，即该断路器是环网的开环点，此时的同期操作属同频同期性质，在两侧压差及功角满足整定值时即可发出合闸命令完成同期操作。显然，过去使用的串联切换或同时切换为回避合环操作的环流，采取先断开一个电源支路，再合上另一电源支路的办法，这不仅会造成厂用母线短暂停电，诱发后投入电源与电动机残压的冲击，而且如果后投入电源支路断路器拒动时将会导致厂用母线停电。因此，如果赋予快切装置具备自动识别同期性质的功能，用同期切换取代现行的串联切换、同时切换和并联切换是合理和安全的。如果当同频同期时功角或压差超过整定值不能实现同期操作时则自动转为同时切换或串联切换。
既然发变组的1DL、2DL、3DL及厂用电的4DL、5DL都需要进行具备自动识别同期性质的同期操作，而且它们在操作需求的时序上又不存在冲突（因只有完成了发电机并网后再进行厂用电的正常或事故切换才有必要），因此将同期和快切操作溶于同一个装置内就理所当然了，这不仅降低了设备投资，而且也简化了DCS的控制系统。
2 捕捉电动机耐受电压准则是快切事故切换的必由之路
厂用母线在工作分支断路器因继电保护动作跳闸后，将出现拖动大量厂用机械的异步电动机群转入异步发电状态的残压，投入备用分支电源时将造成备用电源和母线残压的冲击。快切装置的传统设计采用了准同期的原则对备用分支断路器实施控制，设计者首先寄希望予残压与备用电源电压的相角差数值很小时（一般取为20°～30°）实现所谓的“快速切换”。应该说实现这一切换的概率很小，因为初始功角的存在及断路器合闸速度较低时无法抓到这一机会。“快速切换”不成的第二招就是转而捕捉同期点，即残压在相对备用电源电压运行360°后出现0°（即同期点）时投入备用电源。他们忽视了此时的残压数值及频率已大幅下降，相当一部份厂用机械被低压保护切除，而剩余的重要厂用机械面临恶劣的自起动条件。这正是为什么当今所有快切装置都不可能做到在备用电源投入后能恢复全部厂用负荷供电的原因。装置的设计犯了如下的三个错误：
2．1混淆了依靠惯性及剩磁进入异步发电状态的电动机与正常发电机的本质区别
厂用母线失电后所有异步电动机依靠原来剩余的动能及剩磁进入异步发电状态，基于它们不具备动力源和励磁源，因此备用电源可以在与残压有较大相角差的情况下，无损地将这群发电机拉入同步，完全没有必要按正常发电机同期操作的要求投入备用电源，这为羸得更多机会快速投入备用电源创造了条件。同时完全可以做到在残压下降到低压保护起动电压前完成备用电源的投入操作，使全部厂用负荷在较高的电压及频率水平上完成自起动。
2．2真正伤害厂用电动机的直接因素是在备用电源投入瞬间加在电动机群上的电压所产生的电动力
从图2.1中可以看到，在厂用工作分支被保护切除后施加在备用分支断路器两侧的电压ΔU是备用电源电压UB及母线残压UM的相量差。合上备用电源瞬间ΔU一部份施加在起备变上，另一部份施加在厂用负荷上，只要后一部份的电压不超过电动机的耐受电压（一般为1.1～1.2倍额定电压）则电动机是安全的。因此，快切装置的事故切换准则应该是捕捉电动机的耐受电压点前的时机投入备用电源，而不需去捕捉同期点，因这会失去无损切换的大好时机。
图2.1 事故切换过程电压相量图
2．3漠视备用电源必须在异步电动机静态电压特性曲线上的临界电压前投入这一要点
从图2.2中可以看到当异步电动机的端电压降低到临界电压Uk以下时，它们将大量吸取无功功率导致母线电压急剧下降。同时吸收的有功功率急剧减少，转矩大幅下降导致母线残压的频率急剧下降。所以在低于Uk以下的区间投入备用电源时不仅大量电动机被低压保护切除，且其他电动机自起动条件恶化。实践表明，大容量发电机组的快切装置在用捕捉同期准则进行事故切换时，厂用母线残压都已下降到临界电压Uk以下，这一点是当今各类快切装置的致命伤。
3 使用励磁涌流抑制技术支持起备变冷备用大幅提高经济效益
变压器励磁涌流是导致变压器保护误动的根源，它也是迫使所有电厂的起动备用变压器按热备用方式运行的重要原因。显然，热备用带来的变压器空载损耗是可观的，这对当今发电厂实行竞价上网产生不利影响。
在SID-8BT同期快切复用装置中采用了涌流抑制的专利技术，通过对电力变压器剩磁及偏磁的精确控制，实现在空投变压器时产生的偏磁抵消原来磁路中的剩磁，进而根除了空投变压器时因磁路饱和引起的励磁涌流，保证快切装置可以在起备变冷备用时投入备用电源。
4 结束语
SID-8BT多微机同期快切复用装置对传统快切装置作了大刀阔斧的改进，使其以更加合理、更加安全的品质成功地在众多大型发电厂中得到应用，下面附上该装置在山西神头第一发电厂#8机的一次事故切换记录及录波图。录波图清楚的记录了工作分支切除后残压的变化，并记录了经历27ms后备用电源投入的波形。从“厂用电切换记录”中看到A段厂用母线在合备用结束时残压为90.8V，B段为92.7V，这说明装置在厂用母线残压下降还不到10%Un时就完成了事故切换，全部厂用负荷在毫无扰动的情况下重新获得了电源。这是目前任何其他同类产品不可能做到的。（附切换记录及录波曲线）
