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 廠(chǎng)用電系統(tǒng)備自投運(yùn)行情況

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。

2 備自投閉鎖試驗(yàn)

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。

?3 備自投閉鎖功能配合分析

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。

?4 結(jié)論

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。