某电厂单母分段接线方式厂用电快速切换系统存在的问题及改进措施

西安益通热工技术服务有限责任公司、西安热工研究院有限公司的研究人员李洲、方子朝、令彤彤、曹璐瑶、顿小宝，在2022年第8期《电气技术》上撰文，介绍了某国外二拖一联合循环发电厂应用的一种特殊厂用电接线形式，分析该种接线方式下原有厂用电快速切换系统不能实现厂用电安全、快速切换的原因，并从设计、保护配置及二次回路方面加以改进，通过实际的切换试验验证改进方案的可行性。

某欧洲东部新建项目为一套6F级二拖一燃气蒸汽联合循环机组，一期工程包括两台安塞尔多AE64.3A燃机、两台燃气轮发电机、两台自然循环卧式余热锅炉和一台蒸汽轮发电机，燃机与汽机不同轴，联合循环设计工况出力160MW。

厂内2号燃机通过2号主变（2号GT）与电网相连，1号燃机与汽机连接于1号主变（1号GT）低压侧两个分裂绕组，通过主变与系统相连。发电机与主变之间均设有发电机断路器。主变低压侧额定电压为11kV，经过T接于主变低压侧和发电机断路器之间封闭母线的电抗器将电源送至11kV母线，再经过高压厂用变压器（AT）将电源送至6.3kV母线，为三台发电机提供起动电源。

中压厂用电系统如图1所示，厂用电接线方式采用单母分段方式，11kV及6.3kV母线均为两段配置，两段11kV母线相互独立，两段6.3kV母线之间设有母联断路器CB5，正常运行时为热备用状态，当任意一台主变或高压厂用变压器停电时，母联断路器CB5应能通过快切装置快速合闸，以满足两段6.3kV母线不失电或者短时失电的要求，之后由正常运行的主变和高压厂用变压器给三台机组的厂用负荷提供电源。

对于厂用电快速切换系统来说，断路器CB2和断路器CB4均为工作电源断路器，而母联断路器CB5则是备用电源断路器，因此，该项目的厂用电快速切换系统要求所采用的快切装置应具备能够同时控制三台断路器的功能，也可称之为三电源切换。

图1 中压厂用电系统

该项目初始设计为配置一台双电源快速切换装置，如图2所示，控制对象只有两个断路器，CB1和CB2，显然初始设计忽略了母联断路器的影响，不能满足该项目对两台机厂用电通过母联断路器相互备用的要求。通过查阅国产主流快切装置的原理说明发现，快切装置的应用场合均为图2所示的接线方式，类似图1所示的单母分段主接线方式，需通过备自投装置来实现电源的相互备用，而备自投装置的动作时间要远远大于快切装置，且无快切装置所具备的同期捕捉、残压切换等功能，一般用于低压配电系统且对切换速度要求不太严格的场合。

图2 快切装置典型适用主接线

本文通过对比两种厂用电接线方式的不同，综合考虑快切装置和备自投装置切换功能的特点，提出用两台快切装置共同作用来满足同时控制三个断路器的方案，下面从不同方面来说明初始设计的不足之处，并提出完善措施。通过试验验证及投运后的动作情况来看，该方案是可行的。

1 原厂用电快速切换系统存在的问题

1.1 装置配置方面

该项目厂用电快切装置选型为SID—8BT—A，根据有关研究文献可知，其典型控制原理如图2所示，比较图1与图2两种不同的厂用电接线形式可见，图2接线方式中快切装置的控制对象只有两台断路器，是两台断路器之间的切换；而图1接线方式中快切装置的控制对象为三台断路器，需要实现三台断路器之间的“三取二关系”，常规的快切装置是无法实现的。因此，快切装置的选型不合适。

1.2 保护配置方面

该项目对于高压厂用变压器高压侧保护装置的选型为西门子保护装置7UT85，安装于高压侧断路器CB1开关柜上，保护配置有过电流保护、过负荷保护、低压侧零序保护、差动保护及非电量保护。变压器低压侧保护装置选型为7SJ8021，安装于低压侧断路器CB2开关柜上，仅配置有电流速断保护和复压过电流保护。对于厂用变压器高压侧保护来说，过电流保护、差动保护，以及设在7UT85里的低压侧零序Ⅱ段保护均应有“启动切换”的功能，零序Ⅰ段应具有“闭锁切换”的功能。

对于其低压侧保护来说，不管是速断保护还是过电流保护均应具有“闭锁切换”的功能，不需要“启动切换”功能。因此，原设计高压侧保护动作后只有“启动切换”而没有“闭锁切换”的功能是不合理的。

主变不仅要将发出的电能输送至电网，同时还担负着为厂内提供厂用工作电源的职责，任意一台主变跳闸都将造成本台机组的厂用电失去，所以主变保护动作跳闸的同时应提供“启动切换”的命令，以使快切装置快速动作，将失电的6.3kV段切换至另一段供电。因此主变保护未设计启动快切的信号，同样是不合理的。发电机保护动作后通过跳开发电机出口开关即可切除故障，不影响厂用电，因此发电机保护不必配置启动快切的信号。

母联断路器CB5作为备用电源断路器，其保护配置了速断保护和过电流保护两种，均带有延时。当某一工作电源失电并成功启动快切装置动作时，备用电源将自动投入，即CB5由快切装置发出合闸命令，若此时故障未切除，也即备用电源投于故障母线，则备用电源的保护应无延时加速跳闸，这就需要备用电源保护要有收到快切装置发出的“启动后加速”信号且备用电源保护动作时，自动取消保护延时的功能。由此可见，备用电源保护未配置此功能也是不合理的。

1.3 二次回路方面

通过上述保护配置的分析可知，在厂用电快速切换系统的二次回路方面，至少存在以下几点不足之处：

1）缺少厂用变压器高压侧保护7UT85动作后闭锁快切装置动作的回路；2）缺少主变保护动作后启动快切装置动作的回路；3）快切装置缺少启动备用电源保护加速跳闸功能的回路。

2 改进措施

2.1 装置配置方案优化选择

鉴于该项目厂用电接线形式的特殊性，可实施的方案有三种。

方案一：更换设备。国产常规的厂用电快速切换装置均适用于图2所示的主接线形式，即控制对象为两台断路器，而备自投装置可以控制三台断路器，且适用于单母分段接线方式，但备自投切换时间长，原理简单，不具备快速切换、同期捕捉切换等功能，因此通过更换不同型号的设备不能满足要求。

方案二：更换设备程序。国产的微机自动装置，内部逻辑基本是由硬件搭建而成，若要更换程序版本，就需要更换硬件板卡，从国内发货时间太久。另外即使更换了板卡，其对应的开入和开出信号势必要变更和增加，盘柜内部走线也要重新设计，在项目现场难以实现。

方案三：增加一台快切装置，每台快切装置控制两台断路器，备用电源断路器CB5由两台快切装置共同控制。该方案通过增加一台快切装置，使每台装置只控制一个工作电源断路器和母联断路器来实现两段6.3kV母线的相互备用。即当图1中1号机6.3kV母线失电时，快切装置K1（将两台快切装置命名为K1、K2）动作，跳开工作电源断路器CB2，并合上备用电源断路器CB5。反之，若2号机6.3kV母线失电，快切装置K2动作，跳开工作电源断路器CB4，并合上备用电源断路器CB5。

项目现场仅需考虑增加新增快切装置的二次回路，并对快切盘柜内部回路按照原有回路进行改造即可完成，无需考虑对原有快切装置功能及二次回路的影响，便于执行，因此采用此方案。

2.2 保护启动切换功能的优化

根据标准要求及上述分析，高压厂用变压器分支零序保护Ⅰ段保护动作后要闭锁快切装置动作，因此对高压厂用变压器高压侧保护7UT85的内部逻辑进行再次配置，增加“闭锁快切动作”出口，并将其对应的接线端子接引至端子排。

常规国产的主变压器保护装置基本都包括主变和厂用变压器的保护项目，因此，只需要在一处设计一个保护动作后的“启动快切”信号，这也是集中式理念保护装置的优点之一。而西门子保护设计的理念刚好相反，为分散式，即厂用变压器的保护装置仅保护厂变，主变压器的保护只保护主变，造成主变保护遗漏“启动快切动作”的出口设计，因此要对主变保护的内部逻辑进行修改，增加“保护启动切换”出口，并将其对应的接线端子接引至端子排。

对备用电源，即6.3kV母联断路器保护而言，同样需要增加保护逻辑。快切装置启动切换的同时，会送出一个动作信号，该信号用于取消母联断路器速断保护和过电流保护的延时，所以，母联断路器的保护装置要增加两个开入信号通道，即“启动后加速”。此处的功能缺失同样是由将快切装置应用于单母分段接线方式而造成的。

2.3 二次回路

综合上述优化改进措施，厂用电快速切换系统接入信号汇总见表1。

表1 优化后快切装置信号

表1（续）

3 方案验证

2021年11月22日，2号燃机在试验期间手动解列时，由于燃机发电机保护未将跳11kV进线断路器的逻辑解除而造成误跳11kV进线断路器，造成2号机厂用电源失去，快切动作波形如图3所示。

从图3可看出，本次厂用电实现电源切换的方式是失电压启动残压切换，这是因为燃机发电机保护动作误跳11kV母线进线断路器，而发电机保护不会启动快切装置，且此时主变保护及高压厂用变压器保护均无动作信号，因此快切装置只有进入失电压启动的方式。

图3 K1失电压启动切换波形

4 结论

本文对现有厂用电快切系统的设计进行较为全面的优化改进，在一年多的运行中，经历了手动并联启动切换、失电压启动切换和保护启动切换等实际工况的验证，充分证明了本次优化改造的正确性。发电厂正常工作厂用电源能否在故障情况下成功切换至备用电源，保证重要辅机不停电，直接关系到发电厂主设备的安全运行，因此快切装置动作的可靠性与合理性至关重要。

目前国内快切装置的应用已非常广泛和成熟，但应用于图1所示厂用电接线方式的案例不常见，该项目优化改造的成功，具有一定的工程参考意义。

【原】某电厂单母分段接线方式厂用电快速切换系统存在的问题及改进措施

本文编自2022年第8期《电气技术》，论文标题为“某电厂单母分段接线方式厂用电快速切换系统存在的问题及改进措施”，作者为李洲、方子朝等。