大型火力發(fā)電廠同期裝置和快切裝置功能的合理匹配

1、大型火力發(fā)電廠同期裝置和快切裝置功能的合理匹配 作者：胡延青1葉念國(guó)2 單位：內(nèi)蒙大唐國(guó)際托克托發(fā)電有限責(zé)任公司 摘要：同期裝置和快切裝置是大型火力發(fā)電廠的重要自動(dòng)裝置，前者擔(dān)負(fù)著電廠正常運(yùn)行時(shí)斷路器的同期操作，后者擔(dān)負(fù)著工作及備用廠用電源斷路器的事故切換。基于技術(shù)及傳統(tǒng)習(xí)慣的原因，這兩種自動(dòng)裝置的功能存在著嚴(yán)重錯(cuò)位的配置。同期裝置應(yīng)屬于斷路器正常操作范疇的自動(dòng)裝置，快切裝置則屬于事故情況（廠用電消失）下進(jìn)行備用電源快速投入操作范疇的自動(dòng)裝置。然而，目前的現(xiàn)實(shí)是該同期裝置管的斷路器，它沒(méi)管，例如具有合環(huán)操作方式的斷路器。而不該快切裝置管的斷路器，它卻在粗糙的管，例如用粗糙的角度閉鎖或捕捉同期方

2、式去操作具有合環(huán)操作特征的斷路器。同期裝置管理所有有同期（包括合環(huán)）需求的斷路器，快切裝置專司廠用電快速事故切換之責(zé)，才是最佳的功能匹配。關(guān)鍵詞：同期快切差頻并網(wǎng)合環(huán)操作1同期裝置和快切裝置的功能錯(cuò)位直至今日，我國(guó)各類發(fā)電廠的同期裝置只用于完全解列兩電源的同期操作，最典型的應(yīng)用就是發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)的同期，而發(fā)電廠及變電站大量斷路器的操作還保持在手動(dòng)水平。例如出線斷路器、母聯(lián)斷路器、分段斷路器、旁路斷路器、3/2和4/3接線斷路器、廠用電系統(tǒng)斷路器等，由于它們經(jīng)常面臨當(dāng)今同期裝置不能勝任的合環(huán)操作，導(dǎo)致不得不由運(yùn)行人員手動(dòng)進(jìn)行。合環(huán)操作的直接結(jié)果是新投入的線路要分流合環(huán)前運(yùn)行另半環(huán)的負(fù)荷，即引起潮流

3、的重新分配。顯然，新投入線路所分得的負(fù)荷過(guò)大時(shí)可能導(dǎo)致繼電保護(hù)再次斷開(kāi)合環(huán)點(diǎn)的斷路器，其原因可能是負(fù)荷電流超過(guò)電流保護(hù)定值，或負(fù)荷功率超過(guò)該線路的穩(wěn)定極限，誘發(fā)振蕩而跳閘。正是因?yàn)楹檄h(huán)操作可能導(dǎo)致前述后果，而人們又始終沒(méi)有重視分析這一后果的產(chǎn)生原因，及尋找規(guī)避措施。所以幾十年來(lái)人們一直在采取用一個(gè)固定角度定值（一般取300）的同期檢查繼電器來(lái)閉鎖合環(huán)點(diǎn)斷路器的合閘回路。當(dāng)在合環(huán)點(diǎn)測(cè)得的角度（此角度在一定程度上反映合環(huán)前運(yùn)行的另半環(huán)的功角，此角度與該半環(huán)線路的負(fù)荷成比例）超過(guò)繼電器定值時(shí)，合閘回路被閉鎖，從而避免合環(huán)操作引起再跳閘。但至今無(wú)人回答同期檢查繼電器的定值為什么是300，400、500

4、甚至更大行不行？于是人們對(duì)此不加深究始終說(shuō)不清道理的措施沿用至今，快切裝置也用它來(lái)閉鎖廠用電斷路器的合閘回路。從自動(dòng)裝置合理配置的角度來(lái)看，同期裝置控制的對(duì)象是有同期需要的斷路器。這里指的同期應(yīng)包含兩解列電源的并列和開(kāi)環(huán)點(diǎn)的合環(huán)操作?？烨醒b置控制的對(duì)象是在廠用電失電時(shí)迅速按規(guī)定程序控制備用電源斷路器投入備用電源。顯然，同期裝置是解決正常運(yùn)行時(shí)的斷路器的操作，而快切裝置是解決事故情況時(shí)的廠用電斷路器的操作。但是由于廠用電斷路器的操作大多為開(kāi)環(huán)或合環(huán)性質(zhì)，而長(zhǎng)期以來(lái)同期裝置不考慮應(yīng)對(duì)合環(huán)操作的需要，因而發(fā)電廠和變電站的同期接線設(shè)計(jì)中，從來(lái)都沒(méi)安排同期裝置去控制有合環(huán)操作可能的斷路器。然而，快切裝置

5、的控制對(duì)象就是有合環(huán)操作可能的廠用電斷路器，于是出現(xiàn)了一個(gè)非常不合邏輯但又迫于無(wú)奈的分工模式，即同期裝置只管差頻并網(wǎng)（即兩解列電源并網(wǎng)）的斷路器，例如發(fā)電機(jī)出口斷路器和發(fā)變組高壓側(cè)斷路器等，而把廠用電斷路器的正常切換交給了僅有粗糙檢同期功能的快切裝置。顯然，這一功能的錯(cuò)位是極不合理的。首先是快切裝置的性質(zhì)和繼電保護(hù)裝置一樣專司事故狀態(tài)下。故障處理之責(zé)，用不著它去作斷路器的正常操作。其次當(dāng)今的快切裝置不具備精確和安全實(shí)施正常差頻并網(wǎng)及合環(huán)操作的品質(zhì)，特別是當(dāng)合環(huán)操作>30時(shí)必須人工介入，此時(shí)它將不再是自動(dòng)裝置了，而是一個(gè)可能因人工盲目操作釀成新的事故的隱患。因此，糾正同期裝置與快切裝置的功

6、能錯(cuò)位已是設(shè)計(jì)部門及運(yùn)行部門的當(dāng)務(wù)之急。 2大型火力發(fā)電廠斷路器的操作特征及合環(huán)點(diǎn)允許角差的分析圖2.1為一座2×600MW機(jī)組火力發(fā)電廠的電氣主接線，發(fā)變組高壓側(cè)500kV為1?接線，發(fā)電機(jī)出口設(shè)有斷路器6kV，高壓廠用工作分支接入A、B兩段廠用母線，起動(dòng)/備用變壓器的電源分別取自500kV及220kV線路，6kV高壓廠用備用分支分別接到兩臺(tái)機(jī)的廠用A、B段母線作為備用電源。圖2.1中共有斷路器20個(gè)，它們?cè)诓煌\(yùn)行方式下將面臨不同的操作模式，現(xiàn)分述如下：圖2.1 2.1 發(fā)電機(jī)出口斷路器201DL、202DL這兩個(gè)斷路器在任何情況下都屬差頻并網(wǎng)性質(zhì)，即斷路器在分位時(shí)兩端

7、為兩個(gè)獨(dú)立的電源，理想的同期操作是在壓差及頻差滿足要求的前提下于相角差為零度時(shí)實(shí)現(xiàn)同期。2.2 500kV1?接線斷路器5012DL、5011DL和5023DL、5022DL在斷路器201DL及202DL已合上的特殊情況下，5012DL、5011DL二者中及5023DL、5022DL兩者中先行合閘的與201DL和202DL一樣為差頻并網(wǎng)性質(zhì)，而后來(lái)合閘的則將面臨合環(huán)性操作，因發(fā)電機(jī)將通過(guò)500kV出線進(jìn)入系統(tǒng)，并通過(guò)其他發(fā)電廠、變電站與該發(fā)電機(jī)形成合環(huán)。2.3500kV1?接線斷路器5013DL、5033DL、5032DL、5031DL、5021DL這些斷路器在正常運(yùn)行方式下基本為合環(huán)性操作，

8、只有在出線停運(yùn)后再次充電會(huì)面臨單側(cè)無(wú)壓合閘。2.4220kV出線斷路器2201DL此斷路器為合環(huán)性操作2.5 6kV高壓廠用工作及備用分支斷路器61ADL、61BDL、601ADL、601BDL、602ADL、602BDL、62ADL、62BDL這些斷路器合閘時(shí)會(huì)面臨兩種情況，即單側(cè)無(wú)壓合閘、合環(huán)操作。綜上所述，不僅在發(fā)電廠里，甚至在變電站里絕大部份斷路器都有面臨合環(huán)操作的問(wèn)題，而合環(huán)操作后必將導(dǎo)致潮流的重新分配。因此，合環(huán)操作用一個(gè)固定角度定值的同期檢查繼電器閉鎖合閘回路的做法是錯(cuò)誤的，正確的做法是通過(guò)潮流計(jì)算，得出合環(huán)操作后新投入線路分得的負(fù)荷電流。進(jìn)而確定合環(huán)操作是否會(huì)失敗。當(dāng)然，不同運(yùn)

9、行方式的潮流計(jì)算應(yīng)由調(diào)度部門完成，因?yàn)樗麄冋莆樟怂杏?jì)算需要的數(shù)據(jù)及計(jì)算工具。由于在合環(huán)點(diǎn)斷路器兩側(cè)可以測(cè)量到一個(gè)角度，這個(gè)角度反映合環(huán)前正在運(yùn)行的那半環(huán)的功角，如圖2.2所示，當(dāng)線路L1的B站端斷路器8DL合上，而需在2DL進(jìn)行合環(huán)操作時(shí)，則通過(guò)母線A及線路L1的A站端電壓互感器取得的電壓可先測(cè)量到一個(gè)角度，這個(gè)角度直接反映L2及L3 線路的運(yùn)行功角，即A 廠電源電勢(shì)EA對(duì)B變電站母線電壓UB的功角，其表達(dá)為：P為L(zhǎng)2、L3傳輸?shù)挠泄β?，X為EA 到UB間的電抗。可以從上面表達(dá)式中看到：L2、L3傳送的有功功率P越大則功角越大，因?yàn)橐徽液瘮?shù)，在不計(jì)及其他因素（例如發(fā)電機(jī)勵(lì)磁的變化），的最

10、大取值可為900，當(dāng)超過(guò)900時(shí)線路兩端電源將失步。從上式中還可看到電抗X越大，即線路越長(zhǎng)，也越大。因此，對(duì)含有長(zhǎng)距重負(fù)荷線路的系統(tǒng)里，功角是應(yīng)予重視的運(yùn)行參數(shù)，其對(duì)合環(huán)操作的后果具有重要影響。圖2.2不難看出，在圖2.2中的2DL進(jìn)行合環(huán)操作前,由于取用的采樣信號(hào)是2DL兩側(cè)的TV二次電壓,因此繼電保護(hù)裝置和自動(dòng)裝置測(cè)量到的不是真正的功角,因其沒(méi)計(jì)及EA電源內(nèi)阻抗及主變阻抗產(chǎn)生的分量,但的值在一定程度上反映L2、L3的負(fù)荷大小，也就是說(shuō)反映在2DL進(jìn)行合環(huán)操作后L1將分得負(fù)荷的大小，這就為評(píng)價(jià)合環(huán)操作可行性提供了依據(jù)。事實(shí)上調(diào)度部門通過(guò)遙信和遙測(cè)設(shè)備可以獲得不同運(yùn)行方式下的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及潮流分布

11、，加上已知的系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)、變壓器、線路等設(shè)備的電氣參數(shù)，完全可以計(jì)算出各開(kāi)環(huán)點(diǎn)斷路器合環(huán)操作后將分流的負(fù)荷及與之相應(yīng)的值。顯然，在計(jì)算出來(lái)后，將其下達(dá)給各開(kāi)環(huán)點(diǎn)斷路器的自動(dòng)裝置（或同期檢查繼電器TJJ）作為定值，這樣既保證了合環(huán)操作的安全，又不致因定值過(guò)小（例如傳統(tǒng)的300）失去合環(huán)機(jī)會(huì)。當(dāng)然，不排斥在不同運(yùn)行方式下可能計(jì)算出不同的max值，為簡(jiǎn)便計(jì)，可取諸值中的最小值，這比千篇一律的300要合理得多。 3對(duì)同期裝置與快切裝置的基本要求及其分工同期裝置和快切裝置的共同點(diǎn)都是實(shí)現(xiàn)斷路器的自動(dòng)操作，但它們的本質(zhì)區(qū)別是同期裝置專司有同期需求的斷路器的正常操作，而快切裝置是在事故情況下進(jìn)行備用電源取代

12、已出故障工作電源的操作。斷路器的正常操作和事故操作混在一起正是當(dāng)前快切裝置設(shè)計(jì)的重大弊端，而只管差頻并網(wǎng)操作，不管合環(huán)并網(wǎng)操作也是當(dāng)前同期裝置設(shè)計(jì)的重大錯(cuò)誤。從當(dāng)前林林總總的快切裝置中，暴露最致命的錯(cuò)誤是不論正常切換或事故切換都竭力回避工作電源和備用電源的直接“交鋒”，所謂的串聯(lián)切換，同時(shí)切換的引入就是明顯的例子，這是因?yàn)樵O(shè)計(jì)者沒(méi)有使用嚴(yán)密的數(shù)學(xué)算法確保不論是差頻并網(wǎng)的兩電壓“交鋒”，還是合環(huán)操作的兩電壓“交鋒”都做得既快速又安全。而幾乎類似的大部份裝置都沒(méi)有擺脫用固定相角定值閉鎖合閘回路的俗套，這就不得不使運(yùn)行人員在廠用電斷路器正常合環(huán)操作相角大于定值時(shí)盲目的冒險(xiǎn)操作。其實(shí)完全可以在正常差頻

13、并網(wǎng)操作時(shí)精確的在相差為零度時(shí)完成，而正常合環(huán)操作時(shí)使用經(jīng)過(guò)計(jì)算的max定值確?？焖侔踩赝瓿刹僮?。話說(shuō)回來(lái)，快切裝置最本質(zhì)的任務(wù)是確保在事故情況下第一時(shí)間切除故障工作電源及接入備用電源。這里需要用更為精確的算法捕捉備用電源與廠用母線電動(dòng)機(jī)群反饋電壓的最佳同期時(shí)機(jī)，以使幾乎全部廠用負(fù)荷在反饋電壓的頻率及電壓下降不多的情況下安全地重新獲得電源。除了算法以外，還需要大大提高執(zhí)行速度，實(shí)現(xiàn)捕捉第一次出現(xiàn)的最佳接入時(shí)機(jī)。而對(duì)于同期裝置來(lái)講，必須具備自動(dòng)識(shí)別差頻并網(wǎng)和合環(huán)并網(wǎng)特征的能力，確保差頻并網(wǎng)時(shí)無(wú)沖擊，合環(huán)并網(wǎng)時(shí)一次成功。如前述，合環(huán)并網(wǎng)成功與否取決于裝置實(shí)測(cè)是否小于max，當(dāng)然，開(kāi)環(huán)點(diǎn)的壓差U也

14、應(yīng)在允許值內(nèi)。在<max及U<Umax時(shí)可保證合環(huán)成功。而在>max或U>Umax時(shí)同期裝置一方面應(yīng)閉鎖合閘回路，另一方面應(yīng)將信息通過(guò)RTU上傳到調(diào)度中心，以期在調(diào)度的指揮下，創(chuàng)造<max和U<Umax的條件，一旦條件滿足，同期裝置隨即安全完成合環(huán)操作，這是實(shí)現(xiàn)發(fā)電廠或變電站操作真正自動(dòng)化的必由之路，絕不能重復(fù)現(xiàn)在流行的不具備合環(huán)條件就退出的作法。從上節(jié)的敘述中可以看到一個(gè)大型火力發(fā)電廠的斷路器只有極少數(shù)的合閘操作屬差頻并網(wǎng)性質(zhì)，其他都存在合環(huán)操作問(wèn)題。顯然，應(yīng)該使用具備前述特征的同期裝置來(lái)控制這些斷路器，包括廠用電系統(tǒng)的斷路器。而快切裝置放棄現(xiàn)行既粗糙又不

15、安全的正常切換功能，保留并提高事故切換功能是最合理的設(shè)計(jì)。大型火力發(fā)電廠中機(jī)組均實(shí)施了分布式控制（DCS），同期裝置及快切裝置都是DCS的現(xiàn)場(chǎng)智能終端。DCS控制同期裝置對(duì)各相關(guān)斷路器進(jìn)行同期操作，它們之間有相應(yīng)的握手信號(hào)，例如DCS在需要同期裝置對(duì)某斷路器進(jìn)行同期操作時(shí)，首先通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線（或以太網(wǎng)）啟動(dòng)同期裝置。同期裝置自檢完畢后將向DCS發(fā)回“同期裝置就緒信號(hào)”，DCS在收到此信號(hào)后待同期條件準(zhǔn)備成熟即向同期裝置發(fā)出“同期裝置進(jìn)入工作”命令，直至完成同期操作并退出同期裝置。而快切裝置與同期裝置發(fā)出“同期裝置進(jìn)入工作”命令，直至完成同期操作并退出同期裝置。而快切裝置與同期裝置不同，是24小時(shí)

16、全天侯工作，因此，DCS與快切裝置始終保持著通信聯(lián)系，以便DCS在需要的時(shí)候獲取裝置啟動(dòng)前或動(dòng)作后的信息。由于電廠內(nèi)包括廠用電系統(tǒng)的全部斷路器的正常同期操作都由同期裝置實(shí)施，而且同期裝置的每一次操作都受命于DCS，因此，任一斷路器的分閘也應(yīng)受命于DCS。 4更趨合理的功能配置方案仍以圖2.1的電氣接線為例，圖中的20個(gè)斷路器都有差頻并網(wǎng)和合環(huán)操作問(wèn)題，可以把它們分為三大類。4.1涉及每臺(tái)發(fā)電機(jī)同期操作的20kV及500kV斷路器此類包括兩臺(tái)機(jī)的20kV及500kV斷路器，即：#1號(hào)機(jī):201DL、5011DL、5012DL。#2號(hào)機(jī):202DL、5022DL、5023DL。4.2涉及出線同期操

17、作的220kV及500kV斷路器此類包括2201DL、5013DL、5031DL、5032DL、5033DL、5021DL。4.3涉及兩臺(tái)機(jī)6kV高壓廠用電正常切換的斷路器，即：#1號(hào)機(jī)：61ADL、61BDL、601ADL、601BDL。#2號(hào)機(jī)：62ADL、62BDL、602ADL、602BDL。按上述分類可選用如下自動(dòng)裝置#1號(hào)機(jī)的201DL、5011DL、5012DL、61ADL、61BDL、601ADL、601BDL共用一臺(tái)發(fā)電機(jī)線路復(fù)用微電機(jī)同期裝置，作正常同期操作用。#2號(hào)機(jī)的202DL、5022DL、5023DL、62ADL、62BDL、602ADL、602BDL共用一臺(tái)發(fā)電機(jī)

18、線路復(fù)用微機(jī)同期裝置，作正常同期操作用。出線2201DL、5013DL、5031DL、5032DL、5033DL、5021DL共用一臺(tái)線路微機(jī)同期裝置，作正常同期操作用。#1號(hào)機(jī)廠用電61ADL、601ADL用一臺(tái)微機(jī)快切裝置，作事故切換用。#1號(hào)機(jī)廠用電61BDL、601BDL用一臺(tái)微機(jī)快切裝置，作事故切換用。#2號(hào)機(jī)廠用電62ADL、602ADL用一臺(tái)微機(jī)快切裝置，作事故切換用。#2號(hào)機(jī)廠用電62BDL、602BDL用一臺(tái)微機(jī)快切裝置，作事故切換用。這樣配置條理清晰，同期裝置及快切裝置各盡其長(zhǎng)，更重要的是保證了自動(dòng)操作的安全可靠。國(guó)內(nèi)已有制造廠家推出了同期自動(dòng)選線器，例如深圳市智能設(shè)備開(kāi)發(fā)有限公司的SID-2X系列同期自動(dòng)選線器，實(shí)現(xiàn)了一臺(tái)同期裝置為多同期點(diǎn)共用時(shí)同期信號(hào)切換的全部自動(dòng)化，廢除了傳統(tǒng)的同期開(kāi)關(guān)及