电源快速切换装置在齐鲁石化电力系统的应用.pdf

工 业技 术 齐 鲁 石 油 化 工 ，2 0 1 2 ，4 0 ( 2 ) ： 1 3 8 — 1 4 0 Q IL U P E T R O C H E M IC A L T E C H N O L O G Y 电源快速切换装置在 齐鲁石化 电力 系统 的应 用 孙丙 辰 ( 中国石化齐鲁分公司， 山东淄博 2 5 5 4 0 0 ) 摘要 ： 介绍工业电源快速切换装置的工作 原理及应 用情 况 ， 并 对实 际使用 中存在 的问题提 出改进建议 。 关键词 ： 晃电快速切换备 自投 中图分类号 ： T M7 6 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 9—9 8 5 9 ( 2 0 1 2 ) 0 2— 0 1 3 8— 0 3 1 概 述 石化生产装置多具有高温高压 、 易燃易爆 、 有 毒有害 、 连续运行等特点 ， 一旦发生供 电中断或波 动 ， 不仅会造成装置突然停车 ， 还有可能引发严重 的着火 、 爆炸事故 。 目前 ， 解决供电可靠性 的主要办法是 一次系 统采用双电源或多电源供 电， 再辅 以备 自投装置 。 但备 自投的使用效果并不理想 ， 往往是 自投切换 成功了， 装置却 已停 车。原因是备 自投完成动作 的过程持续时间长达 1— 2 s ， 甚至更长 ， 此时电动 机 已经被分批切 除。即使是延时时间较长的高压 重要电动机没被切 除， 由于母线 已经无 压 ( 一般 无压定值为额定 电压 的 2 5 ％ ～4 0 ％) ， 转 速 已经 严重下 降， 直接影 响生产过程的稳定性及产 品质 量 ， 而且此时 恢复供 电将造成较大的电动机 自起 动电流 ， 对供电网络产生冲击。 快速切换装置在 快速开关 问世 以后 得 以实 现。随着真空和 S F 6开关的广泛应用 ， 厂用 电源 采用新一代快速切换装置已无庸置疑。当工作电 源故障时在很短时 间内将备用 电源投入 ， 母线 电 压幅值 在降低到低压保护动作值 之前恢复 ， 可使 生产负荷不问断运行 。 2 快速切换原理 快速切换是 当母线 电源 中断后 ， 立刻同时发 出断路器 的分 、 合 闸指令 ， 跳开工作 电源 ， 同时合 上备用电源 ， 备用 电源切换方式如 图 1所示 。备 用电源快速切换时 ， 母线残压和备用 电源 电压之 间的相位差拉开不超过 3 0 。 ， 系统 实际无 流时 间 仅为断路器合 、 分闸时间之差 ， 一般不超过 1 5 m S 。 快速切换时间极短 ， 全过程不超过 1 0 0 ms ， 完全满 足系统对冲击 电流 的要求 ， 安全性好。 图 1 备用电源切换方式示意 而传统的备 自投装置 ， 是在检测到故障后 ， 先 跳开故障母线 电源开关 ， 再合上备用 电源开关 ， 开 关的动作时间加上各 种保护 的延时 ， 一般都 大于 0 ． 5 s 。实践证 明， 电源切换 时间超过 0 ． 5 S ， 低压 交流接触器将脱扣 ， 生产装 置将受到影 响。假设 有图2 所示的厂用电系统， 工作电源为 I 进线， 备 用电源为 Ⅱ进线 。正常运行时 ， 母线 由 I进线供 电。当工作 电源发生故 障时 ， 必须跳开工作 电源 开关 1 D L ， 合 2 D L ， 跳开 1 D L时母线失 电， 由于厂 用负荷多为异步 电动机 ， 电动机将惰行 ， 母线电压 为众多电动机的合成反馈 电压 ， 称其为残压 ， 残压 的频率和幅值将逐渐衰减 。以极坐标形式绘出的 收稿 日期 ： 2 _0 1 1—1 2— 3 0； 修 回 日期 ： 2 0 1 2— 0 5—2 3 。 作者简介 ： 孙丙辰 ( 1 9 7 6 一 ) ， 男 ， 工程 师。1 9 9 7年 7月毕业 于 哈尔滨工业大学威海分校 ， 现在 中国石化齐 鲁分公 司动力计 量部从事电力调度工作。电话： 0 5 3 3 — 7 5 8 6 5 4 3 。 第 2期 孙丙辰 ．电源快速切换装置在齐鲁石化电力系统的应用 某 3 0 0 M W 机组 6 k V母线残压相量变化轨迹 ( 残 压衰减较慢的情况) 如 图 3所示 。 图2 单母线方式系统示意 图3 母线残压特性示意 为母 线残压 ， v；v s 为备用电源电压 ， V； △u为 备用电源电压 与母线残 压间的差拍 电压 ， V 假定正常运行时工作 电源与备用 电源 同相 ， 其 电压相量端点 为 A， 则母线失 电后残压相量端 点将沿残压曲线由4向 B方 向移动 ， 如能在 一 B 段内合上备用电源 ， 则既能保证电动机安全 ， 又不 使电动机转速下降太多， 这就是“ 快速切换” 。 快速切换时间一般小于 0 ． 2 s 。实际应用时 ， B点通常由相角来界定 ， 如 6 O 。 ， 考虑到合 闸回路 固有时间， 合闸命令发 出时的角度应小于 6 0 。 ， 即 应有一定的提前量 ， 提前量 的大小取决于频差和 合 闸时间， 如在合闸固有时间内平均频差为 1 H z ， 合 闸时间为 1 0 0 m s ， 则提前量约为 3 6 。 。 快速切换的整定值有 2个 ： 即频差和相角差 。 根据频差和相角差 ， 判断是 否满足合 闸条件进行 切换。快速切换能否实现 ， 取决于开关条件 、 系统 结线、 运行方式和故障类型。系统结线和运行方 式决定 了正常运行时工作母线 电压与备用电源 电 压间的初始相角。故障类型则决定了从故障发生 到工作开关跳开这一期间工作母线电压与备用电 源电压的频率、 相角和幅值变化。此外 ， 保护动作 时间和各开关 的动作时 间及顺序也将影 响频率 、 相角等的变化。由于快速切换总是在起动后瞬间 进行 ， 因此频差和相差整定可取较小值 。 3快速切换装置的应用效果 3 ． 1 应用情况 2 0 1 0年 1 0月起 ， 中国石化齐鲁 分公司 电力 系统开始应用电源快速切换装置 ， 目前共安装 6 9 套 ， 其中厂用 电快速切换装置 2 3套 ， 电源快速 切 换装置 4 6套 ( 3 5 k V以上变 电站安装 2 7套 ， 6 k V 重要装置变电所安装 l 9套 ) ， 大大提高了供 电可 靠性 。截止 2 0 1 2年 4月底 ， 期间电力系统共发生 大的外电网事故 1 1 起 ， 电源快速切换装置发挥 了 重要 作用 ， 均 正常启动切换 电源 ， 避免 了装置停 车 ， 减少了经济损失。 其中几起 电网事故的具体情 况如下 ： @2 0 1 1 年 3月 1日， 3 5 k V丙北 I线线路差动保护误动 ， 造成炼北变 1号主变 6 k V侧 5 7 9 1开关跳 闸， 炼 北变 1 号开关室 电源快速切换装置动作 ， 电源切 换成功 ， 生产未受影响。@2 0 1 1年 4月 2 日， 地 方电网 1 1 0 k V辛临 I 线发生 吊车碰线 ， C相接地 短路 ， 辛临 I线零序 I段动作 ， 开关 0 ． 1 2 s 跳闸 ， 线路 自动重合后因故障未 消除 ， 零序 Ⅱ段后加速 动作 0 ． 5 7 7 S 跳闸， 造成炼油厂北 区及第二化肥厂 电网Ⅱ系统瞬间低电压( 乙变电压下降 4 0 ％， 丙 变电压下降 3 5 ％ ， 造成部分机泵变频器无 电压输 出或接触器释放) ， 对生产装置造成一定影响。 丙变 、 乙变快速切换装置未动作 ， 而炼油厂 4套 6 k V装置配电室快速切换装置动作 ， 均为逆功率启 动。~2 O l 1 年5 月 3 1日， 辛店电厂 1 1 0 k V辛广 线及二次系统落雷造成辛店 电厂 1 1 0 k V系统失 电 ， 丙变 1 1 0 k V辛丙 Ⅱ线 、 乙变 1 1 0 k V辛 乙线失 电 ， 丙 变及 乙变 1 1 0 k V快速切换 装置逆功 率启 动。@2 0 1 1年 8月 8日， 2 2 0 k V淄烯线线路对树 木放电， 2 2 0 k V淄烯 线纵差保护 动作跳 闸， 重合 成功。瞬间低 电压造成丙变及 乙变 1 1 0 k V快速 切换装置逆功率启动。@2 0 1 1年 1 1月 1 9日， 辛 店 电厂 2 2 0 k V辛杨线单 相接地跳 闸， 重合 不成 功 ， 瞬间低 电压造成丙变及乙变 1 1 0 k V快速切换 装置逆功率启动。 3 ． 2 事故分析及解决措施 分析上述 5起事故 ， 希望快速切换装置在前 3起事故情况 下能够快 速可靠动作 ， 而在后 2起 穿越性事故情况下不动作 。 1 4 0 齐鲁石油化工 Q I L U P E T R O C H E MI C A L T E C H N O L O G Y 2 0 1 2年第 4 0卷 事故①中， 快速切换装置动作正确 ， 电源切换 成功 ， 这属于保护起动 ， 达到了预期的目的。在事 故②中， 炼油厂 6 k V快速切换逆 功率快 速起动 ， 而丙变 、 乙变的 1 1 0 k V快速切换装置未起动。由 于事故前丙变 、 乙变的 1 1 0 k V快速切换装置只投 了保护起动、 失压起动 、 无流起动 ， 未投逆功率起 动 ， 1 1 0 k V辛临 I 线故 障时保护起动 、 无流起动 均不具备条件 ， 而为防止 断线 时快速 切换装 置误动 ， 快速切换装置的失压起动带有“ 电流” 闭 锁条件 ， 电压虽降至快速切换无压起动值 ， 但 电流 未降至闭锁值以下 ， 失压起动也不满足条件 ， 因此 快速切换装置不动作是正确的。因为丙变 、 乙变 的 1 1 0 k V快速切换 装置投运初期 ， 丙变 、 乙变 的 两路电源进线均来 自辛店电厂， 上级 1 1 0 k V母线 为并列运行 ， 为 同一电源 ， 快速切换装置不适合投 逆功率起动。事 故②发生之 后 ， 1 1 0 k V化丙 、 化 乙线投运 ， 丙变 、 乙变的运行方式改为 由化工变 、 辛店电厂两路电源供 电， 具备了逆功率投用条件 ， 进而投入运行 。对 比事故① ， 同一开关 ， 相似的事 故性质 ， 在事故② 中， 由于 6 k V快速切换装置投 入 了逆功率保护 ， 快速切换装置成功启动 ， 电源成 功切换 ， 避免了第二化肥厂和炼油厂北 区装置的 大面积停电。 后 2起事故均属于 2 2 0 k V穿越性事故 ， 通过 对现场故障录波数据分析 ， 事故后 9 0—1 1 0 m s 故 障点就已从系统切除， 而丙变、 乙变完成开关合闸 后距故障发生时刻 1 3 5～1 4 0 ms ， 由于开关分合闸 的时间大于实际故障的时间 ， 快速切 换装置 的动 作延长 了供 电系统 的低 电压时 间。针 对这一情 况 ， 单从理论上讲 ， 将逆功率起动延时放大至 1 2 0 ms ( 躲 过 2 2 0 k V开关分 闸时间 ) ， 可 以避免 2 2 0 k V穿越性故障时 陕速切换误动 ， 但对于类似事故 ②中 1 1 0 k V系统的邻 线故障快 速切换装 置将失 去快速性 ， 单凭改变“ 逆功率延 时” 无法解决保护 快速性与选择性之 间的矛盾 ， 因此仅靠延 时起动 的办法并不可取 。对 比2 2 0 k V穿越性故障与 1 1 0 k V系统故障时 的录波数据 ， 发 现 2 2 0 k V穿越性 故障时 ， 丙变及 乙变两段母线 的电压均有下降， 尤 其是事故⑤ 中， 两段母线 电压下降幅值相当 ， 而在 1 1 0 k V系统发生故障时， 故障系统母线电压下降 非常显著， 而非故障系统母线电压影响不大。这 是因为淄博电网 2 2 0 k V系统为环网运行 ， 2 2 0 k V 系统故障时 ， 故障点到丙变及 乙变两段母线 的电 气距离相差不大。1 1 0 k V系统为开环运行 ， 故 障 时， 故障点到丙变及乙变非故障段母线的电气距 离要远大于故障段母线 。经过实践证 明， 将快速 切换装置“ 有压定值” 提高到 9 0 V， 就可以避免系 统穿越性故障对快速切换装置的影响。 在运行中还发现 ， 早期某些变电站安装 的 电 源快速切换装置 中“ 有流闭锁判据 ” 中电流不带 方向， 发生电网故障时， 由于失压母线上电机反 电 势提供一定的电流 ， 电流越限闭锁快速切换装置 ， 会造成装置拒动 。经与厂家交流 ， 在有流 闭锁 电 流加上方向， 正 向电流越限闭锁装置 ， 反向电流越 限不闭锁 ， 这样就使快速切换装置更加完善 。 4结论 改造前的备 自投装置的电源切换时问一般为 0 ． 5～2 S ， 改造后快速切换 的电源切换时 间只有 0 ． 1～ 0 ． 2 s ， 与原来 的备 自投装置相 比， 快速切换 装置动作的快速性和可靠性都有很大提高。由于 电动机启动电流倍数与备用电源切换时 间有关 ， 断电时间越短 ， 相应 自启动 电流倍数增加越不显 著 ， 快速切换的成功率越高。经实践证明 ， 快速切 换装置的应用为齐鲁石化 电网的安全稳定运行提 供了有力保障。 APPLI CATI oN oF FAST PoW ER S W I TCHI NG UNI T I N OI LU P ETROCHEMI CI AL PoW ER S YS TEM Su n Bi ng c h e n ( D e p a r t me n t o f P o w e r a n d Me a s u r e me n t of Q i l u B r a n c h C o m p a n y ， S I N O P E C， Z i b o S h a n d o n g 2 5 5 4 0 0) Abs t r a c t ： T hi s p a p e r i n t r o d u c e d t h e wo r k i n g p r i n c i p l e a n d a p p l i c a t i o ns s t a t u s o f t h e f a s t p o we r s wi t c h i n g u n i t ，p u t f o r wa r d t o s o me s u g g e s t i o n s f o r s o l v i n g e x i s t i n g p r o b l e m i n t h e p r a c t i — c a l a p p l i c a t i o n ． Ke y wo r ds： 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