現(xiàn)代水力發(fā)電廠(chǎng)要求其生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化采用計(jì)算機(jī)控制,為了實(shí)現(xiàn)這一要求,需要許多廠(chǎng)用機(jī)械和自動(dòng)化監(jiān)控設(shè)備及輔助設(shè)備為發(fā)電服務(wù)。因此,需要向這些電動(dòng)機(jī)、自動(dòng)化監(jiān)控設(shè)備和照明供電,這種為電廠(chǎng)自用的供電系統(tǒng)稱(chēng)為廠(chǎng)用電系統(tǒng)。
水電廠(chǎng)的重要機(jī)械及監(jiān)控、保護(hù)、自動(dòng)裝置等二次設(shè)備,允許電源中斷的時(shí)間僅為電源操作切換時(shí)間,它們停止工作后,會(huì)引起主機(jī)減少出力或停止發(fā)電,甚至可能使主機(jī)或輔助設(shè)備損壞。因此,大、中型水輪發(fā)電機(jī)組的自用電系統(tǒng)一般都分成兩段,各段電源相互獨(dú)立,而且兩段電源之間裝設(shè)有備用電源自動(dòng)投入裝置,兩段電源互為備用,以提高供電的可靠性。
1.1 備自投工作原理
某電站機(jī)組400V配電系統(tǒng)采用兩段母線(xiàn)供電,分別取自不同的10kV變壓器,機(jī)組自用電主接線(xiàn)示意圖如圖1所示。
圖1 機(jī)組自用電主接線(xiàn)示意圖
圖1中,QF1為400V 1號(hào)進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān),QF2為400V 2號(hào)進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān),QF3為400V分段開(kāi)關(guān),QF5為10kV 1號(hào)進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān),QF6為10kV 2號(hào)進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān),3TV為Ⅰ母母線(xiàn)電壓互感器(PT),4TV為Ⅱ母母線(xiàn)PT,1BA為1號(hào)進(jìn)線(xiàn)電流互感器(CT),2BA為2號(hào)進(jìn)線(xiàn)CT,1BA0和2BA0為零序保護(hù)用CT。
備自投裝置型號(hào)是WBT196D—I,裝置能自動(dòng)判斷備用電源自動(dòng)投入的方式,分段備用電源自動(dòng)投入原理框圖如圖2所示。
圖2 分段備用電源自動(dòng)投入原理框圖
當(dāng)兩段400V母線(xiàn)正常分段運(yùn)行且備自投功能正常投入時(shí),分段備自投正常充電。如果400V Ⅰ母線(xiàn)進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān)QF1或者上級(jí)10kV開(kāi)關(guān)QF5故障跳閘,400V Ⅰ母線(xiàn)失電壓同時(shí)進(jìn)線(xiàn)無(wú)電流,分段備自投裝置動(dòng)作跳開(kāi)QF1,然后合上QF3,通過(guò)QF2繼續(xù)對(duì)Ⅰ母負(fù)荷供電,保證負(fù)荷正常運(yùn)行。Ⅱ母失電時(shí)的動(dòng)作邏輯類(lèi)似。
1.2 備自投閉鎖功能
備自投裝置在正常情況下能可靠保證負(fù)荷的有效供電,同時(shí)也引入一個(gè)問(wèn)題,如果400V母線(xiàn)或者所帶的負(fù)荷本身故障引起上級(jí)電源跳閘,此時(shí)備自投裝置如果繼續(xù)動(dòng)作,則會(huì)造成備用電源繼續(xù)合于故障,對(duì)故障負(fù)荷造成二次沖擊,更嚴(yán)重的是造成備用電源跳閘導(dǎo)致全部負(fù)荷失電,所以對(duì)于保護(hù)動(dòng)作造成開(kāi)關(guān)跳閘的情況,需要將備自投裝置閉鎖,保證備自投裝置可靠不動(dòng)作。
備自投裝置設(shè)置有專(zhuān)門(mén)的閉鎖開(kāi)入回路,在開(kāi)入量的配置中可設(shè)定相應(yīng)的延時(shí),作為該開(kāi)入量采集時(shí)的去抖時(shí)間,裝置通過(guò)并用硬件濾波和軟件去抖保證了開(kāi)關(guān)量采集的準(zhǔn)確性。備自投閉鎖回路如圖3所示。
圖3 備自投閉鎖回路
圖3中,1ZJJ和2ZJJ分別是QF1和QF2的保護(hù)動(dòng)作信號(hào),LCU是監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)出的閉鎖信號(hào),P122觸點(diǎn)是10kV開(kāi)關(guān)QF5、QF6的保護(hù)動(dòng)作信號(hào)。設(shè)計(jì)原本只考慮了400V進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān)跳閘和監(jiān)控開(kāi)出閉鎖功能,未考慮10kV開(kāi)關(guān)跳閘閉鎖備自投動(dòng)作功能。由于400V進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān)未配置接地保護(hù)功能,400V系統(tǒng)接地保護(hù)主要靠10kV側(cè)開(kāi)關(guān)的零序保護(hù)實(shí)現(xiàn),故本次加入10kV開(kāi)關(guān)的跳閘閉鎖功能。
為了驗(yàn)證備自投裝置在10kV保護(hù)裝置跳閘動(dòng)作后能否可靠閉鎖,分別對(duì)QF5和QF6的保護(hù)裝置加入零序電流,模擬接地故障進(jìn)行驗(yàn)證。
2.1 試驗(yàn)前設(shè)備狀態(tài)
試驗(yàn)前兩段400V母線(xiàn)正常分段運(yùn)行,QF1、QF2、QF5、QF6合閘,QF3分閘,400V母線(xiàn)電壓均為400V,備自投裝置充電正常。備自投裝置和10kV保護(hù)裝置部分定值分別見(jiàn)表1和表2,表1中的通信延時(shí)1即備自投閉鎖開(kāi)入防抖時(shí)間。
表1 備自投裝置部分定值
表2 QF5、QF6保護(hù)裝置部分定值
2.2 試驗(yàn)情況
1)手動(dòng)分開(kāi)QF5,備自投裝置正確動(dòng)作,延時(shí)5s分開(kāi)QF1,再延時(shí)5s合上QF3。
2)恢復(fù)至試驗(yàn)前狀態(tài),手動(dòng)分開(kāi)QF6,備自投裝置正確動(dòng)作,延時(shí)5s分開(kāi)QF2,再延時(shí)5s合上QF3。
以上兩步說(shuō)明備自投裝置邏輯功能正常,手動(dòng)分10kV開(kāi)關(guān)后不閉鎖備自投裝置動(dòng)作。
3)恢復(fù)至試驗(yàn)前狀態(tài),在QF5開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置零序電流回路加入故障量1A,保持時(shí)間0.75s。QF5跳閘,400V Ⅰ母失電,備自投裝置未動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)閉鎖功能。
4)恢復(fù)至試驗(yàn)前狀態(tài),在QF6開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置零序電流回路加入故障量1A,保持時(shí)間0.75s。QF6跳閘,400V Ⅱ母失電,備自投裝置動(dòng)作,延時(shí)5s分開(kāi)QF2,再延時(shí)5s合上QF3,未實(shí)現(xiàn)閉鎖功能。檢查確認(rèn)QF6開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置相關(guān)配置和試驗(yàn)回路接線(xiàn)正常后,恢復(fù)至試驗(yàn)前狀態(tài)并重復(fù)一次試驗(yàn),仍未正確閉鎖,試驗(yàn)不成功。
5)恢復(fù)至試驗(yàn)前狀態(tài),在QF6開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置處短接至備自投裝置的跳閘信號(hào),再在QF6開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置零序電流回路加入故障量1A,保持時(shí)間0.75s。QF6跳閘,400V Ⅱ母失電,備自投裝置未動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)閉鎖功能。
2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析及驗(yàn)證
為了便于分析試驗(yàn)過(guò)程,將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行匯總,見(jiàn)表3。
表3 備自投閉鎖試驗(yàn)結(jié)果
從表3可以看出,QF6保護(hù)跳閘后400V備自投未正確閉鎖,主要原因是備自投裝置未收到保護(hù)跳閘的閉鎖信號(hào),原因可能有以下幾點(diǎn):
1)10kV保護(hù)裝置送備自投裝置的閉鎖觸點(diǎn)未動(dòng)作。通過(guò)保護(hù)裝置校驗(yàn)已確認(rèn)該觸點(diǎn)能正確動(dòng)作,本條原因排除。
2)10kV保護(hù)裝置的故障時(shí)間不夠,備自投裝置未收到閉鎖信號(hào)觸點(diǎn)就已返回。將故障時(shí)間設(shè)置為1min,仍未正確閉鎖,本條原因排除。
3)備自投裝置閉鎖開(kāi)入觸點(diǎn)防抖動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng),保護(hù)裝置動(dòng)作跳開(kāi)QF6以后,備自投動(dòng)作條件先于閉鎖條件有效,無(wú)法實(shí)現(xiàn)閉鎖功能。將閉鎖開(kāi)入觸點(diǎn)防抖動(dòng)時(shí)間由0.02s改為0.01s,恢復(fù)至試驗(yàn)前狀態(tài)并重復(fù)一次試驗(yàn),閉鎖功能正常。
從以上試驗(yàn)結(jié)果看,備自投動(dòng)作條件與備自投閉鎖條件之間存在嚴(yán)格的時(shí)間配合關(guān)系,如果裝置收到閉鎖開(kāi)入觸點(diǎn)的時(shí)間晚于備自投動(dòng)作條件滿(mǎn)足的時(shí)間,則裝置無(wú)法實(shí)現(xiàn)可靠閉鎖,影響設(shè)備的安全運(yùn)行。
從控制回路上看,10kV開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置動(dòng)作后,裝置開(kāi)出三對(duì)觸點(diǎn),分別用于上送跳閘信號(hào)、閉鎖備自投裝置、跳10kV開(kāi)關(guān),通過(guò)試驗(yàn),這三對(duì)觸點(diǎn)動(dòng)作時(shí)間基本相同,誤差不超過(guò)5ms。保護(hù)裝置跳閘時(shí)間測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。
表4 保護(hù)裝置跳閘時(shí)間測(cè)試結(jié)果
保護(hù)裝置動(dòng)作后,閉鎖觸點(diǎn)閉合送至備自投裝置,同時(shí)10kV開(kāi)關(guān)跳開(kāi),這里需要考慮開(kāi)關(guān)的分閘時(shí)間和備自投裝置的閉鎖開(kāi)入觸點(diǎn)防抖時(shí)間,如果開(kāi)關(guān)分閘時(shí)間較短,而閉鎖開(kāi)入觸點(diǎn)防抖時(shí)間過(guò)長(zhǎng),則開(kāi)關(guān)分閘后400V母線(xiàn)失電,備自投裝置檢測(cè)出模擬量滿(mǎn)足動(dòng)作條件,此時(shí)閉鎖信號(hào)仍無(wú)效,備自投會(huì)正常動(dòng)作,不會(huì)閉鎖。查閱10kV開(kāi)關(guān)的試驗(yàn)報(bào)告,QF5與QF6的分閘時(shí)間存在一定差異。斷路器分閘時(shí)間測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。
表5 斷路器分閘時(shí)間測(cè)試結(jié)果
根據(jù)《WBT 196D—I數(shù)字備用電源自動(dòng)投入裝置使用說(shuō)明書(shū)》,開(kāi)入量分辨率不大于2ms,模擬量運(yùn)算時(shí)間不大于1ms。保護(hù)裝置動(dòng)作后,10kV開(kāi)關(guān)跳閘,400V系統(tǒng)就會(huì)瞬時(shí)失電,保護(hù)跳閘觸點(diǎn)動(dòng)作時(shí)間加上開(kāi)關(guān)分閘時(shí)間和模擬量運(yùn)算時(shí)間就是備自投裝置判斷電壓、電流條件是否滿(mǎn)足的時(shí)間;同樣,保護(hù)跳閘閉鎖觸點(diǎn)動(dòng)作時(shí)間加上備自投裝置開(kāi)入量防抖時(shí)間和開(kāi)入量辨認(rèn)時(shí)間就是備自投裝置判斷閉鎖條件是否滿(mǎn)足的時(shí)間。
根據(jù)以上數(shù)據(jù)計(jì)算保護(hù)裝置動(dòng)作后,備自投裝置采集到400V系統(tǒng)電壓、電流模擬量和收到保護(hù)閉鎖信號(hào)開(kāi)關(guān)量的時(shí)間。備自投裝置判斷結(jié)果見(jiàn)表6。
表6 備自投裝置判斷結(jié)果
從表6可以看出,斷路器的分閘時(shí)間在25ms左右,考慮到保護(hù)動(dòng)作觸點(diǎn)的時(shí)間差,若備自投裝置開(kāi)入量防抖時(shí)間設(shè)置為20ms,則備自投裝置判斷備自投動(dòng)作條件和閉鎖條件的時(shí)間很接近,容易出現(xiàn)保護(hù)裝置動(dòng)作后,備自投裝置先判斷動(dòng)作條件滿(mǎn)足的情況,從而導(dǎo)致閉鎖不成功。將開(kāi)入量的防抖時(shí)間由20ms減少至10ms,縮短備自投裝置判斷閉鎖條件滿(mǎn)足的時(shí)間,就可以可靠避免這種情況發(fā)生,通過(guò)試驗(yàn)也驗(yàn)證了這個(gè)理論判斷。
本文對(duì)某電站400V系統(tǒng)備自投裝置的工作原理和閉鎖邏輯進(jìn)行了分析,結(jié)合相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù),判斷出備自投裝置的開(kāi)入信號(hào)防抖時(shí)間對(duì)備自投閉鎖功能的正確判斷有一定影響,必須要根據(jù)10kV或400V進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān)的分閘時(shí)間來(lái)合理設(shè)定備自投裝置的開(kāi)入信號(hào)防抖時(shí)間,才能保證開(kāi)關(guān)故障跳閘后正確閉鎖備自投裝置,防止備用電源合于故障點(diǎn)造成其他不利影響。
本文編自2021年第10期《電氣技術(shù)》,論文標(biāo)題為“備自投閉鎖功能完善及試驗(yàn)分析”,作者為孫大根。