6kV厂用电快切装置优化方案

以惠州LNG电厂为例，该厂的6kV厂用电快切装置为东大金智电气自动化有限公司设计生产的MFC2000型计算机厂用电快切装置，适用于有较多高压电动机负载，对电源切换要求较高，在电源切换时不能造成运行中断或设备冲击损坏等场合。

（一）快切装置的切换方式及原理

发电机组对厂用电切换的基本要求是安全可靠。其安全性体现为切换过程中不能造成设备损坏，而可靠性则体现为提高切换成功率，减少备用变过电流或重要辅机跳闸造成锅炉汽机停运的事故。

1.厂用电切换方式

厂用电源切换的方式可按开关动作顺序分，也可按起动原因分，还可按切换速度进行分类。

（1）按开关动作顺序分类（动作顺序以工作电源切向备用电源为例）

1）并联切换。先合上备用电源，两电源短时并联，再跳开工作电源。这种方式多用于正常切换，如起、停机。并联方式另分为并联自动和并联半自动两种。

2）串联切换。先跳开工作电源，在确认工作开关跳开后，再合上备用电源，母线断电时间至少为备用开关合闸时间。此种方式多用于事故切换。

3）同时切换。这种方式介于并联切换和串联切换之间。合备用电源开关，命令是在跳工作电源开关命令发出之后、工作电源开关跳开之前发出。母线断电时间大于0ms而小于备用电源开关合闸时间，可设置延时来调整。这种方式既可用于正常切换，也可用于事故切换。

（2）按起动原因分类

1）正常手动切换。由运行人员手动操作起动，快切装置按事先设定的手动切换方式（并联、同时）进行分合闸操作。

2）事故自动切换。由保护接点起动。发变组、厂变和其他保护出口跳工作电源开关的同时，起动快切装置进行切换，快切装置按事先设定的自动切换方式（串联、同时）进行分合闸操作。

3）不正常情况自动切换。有两种不正常情况，一是母线失压，当母线电压低于整定电压达整定延时后，装置自行起动，并按自动方式进行切换；二是工作电源开关误跳，由工作电源开关辅助接点起动装置，在切换条件满足时合上备用电源。

（3）按切换速度分类

1）快速切换；

2）短延时切换；

3）同期捕捉切换；

4）残压切换。

2.快速切换、同期捕捉切换、残压切换原理

当厂用6kV母线工作电源进线开关跳闸后，由于厂用负载多为异步电动机，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。此时，电动机相当于异步发电机，其定子绕组磁场已由同步磁场转为异步磁场，而转子不存在外加原动力和外加励磁电流。因此，备用电源合上时，若相角差不大，即使存在一些频差和压差，定子磁场也将很快恢复同步，电动机也很快恢复正常异步运行。

（1）快速切换

图10-1 厂用电一次系统（一段）简图

如图10-1所示的厂用电系统，工作电源由发电机端经厂用高压变压器引入，备用电源由电厂高压母线或由系统经启备变引入。正常运行时，厂用母线由工作电源供电，当工作电源侧发生故障时，必须跳开工作电源开关1DL，合2DL，跳开1DL时厂用母线失电。以极坐标形式绘出的某6kV母线残压相量变化轨迹（残压衰减较慢的情况）如图10-2所示。

图中V_D为母线残压，V_S为备用电源电压，ΔU为备用电源电压与母线残压间的电压差。合上备用电源后，电动机承受的电压U_M为

式中 X_M——母线上电动机组和低压负载折算到高压厂用电压后的等值电抗；(www.xing528.com)

X_S——电源的等值电抗。

令K=X_M／（X_S＋X_M），则

U_M=KΔU （10-2）

为保证电动机安全自起动，U_M应小于电动机的允许起动电压，设为1.1倍额定电压U_N，则有：

KΔU＜1.1U_N （10-3）

ΔU（％）＜1.1／K （10-4）

设K=0.67，则ΔU（％）＜1.64。图10-2中，以A为圆心，以1.64为半径绘出弧线A′—A″，则A′—A″的右侧为备用电源允许合闸的安全区域，左侧则为不安全区域。若取K=0.95，则ΔU（％）＜1.15，图2中B′—B″的左侧均为不安全区域。

图10-2 母线残压特性示意图

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A向B方向移动，如能在A—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，这就是所谓的“快速切换”。

图10-2中，快速切换时间应小于0.2s，实际应用时，B点通常由相角来界定，如60°，考虑到合闸回路固有时间，合闸命令发出时的角度应小于60°，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1Hz，合闸时间为100ms，则提前量约为36°。

快速切换的整定值有两个，即频差和相角差，在装置发出合闸命令前瞬间将实测值与整定值进行比较，判断是否满足合闸条件。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。

（2）同期捕捉切换

同期捕捉切换时，电动机相当于异步发电机，其定子绕组磁场已由同步磁场转为异步磁场，而转子不存在外加原动力和外加励磁电流。因此，备用电源合上时，若相角差不大，即使存在一些频差和压差，定子磁场也将很快恢复同步，电动机也很快恢复正常异步运行。所以，此处同期指在相角差零点附近一定范围内合闸。

同期捕捉切换有两种基本方法：一种基于“恒定越前相角”原理，快切装置实时跟踪频差和相差，当相差达到整定值，且频差不超过整定范围时，即发合闸命令，当频差超范围时，放弃合闸，转入残压切换；另一种基于“恒定越前时间”原理，即完全根据实时的频差、相差，依据一定的变化规律模型，计算出离相角差过零点的时间，当该时间接近合闸回路总时间时，发出合闸命令。

同期捕捉切换整定值有两个。当采用恒定越前相角方式时，为频差和相角差（越前角）；当采用恒定越前时间方式时，为频差和越前时间（合闸回路总时间）。

（3）残压切换

当残压衰减到20％～40％额定电压后实现的切换通常称为“残压切换”。残压切换虽能保证电动机安全，但由于停电时间过长，电动机自起动成功与否、自起动时间等都将受到较大限制。如图10-2所示的情况下，残压衰减到40％的时间约为1s，衰减到20％的时间约为1.4s。而对另一机组的试验结果表明，衰减到20％的时间为2s。

惠州LNG电厂的厂用电自动切换时，首先采用快速切换的方法，快切不成功时转为同期捕捉切换，同期捕捉不成功时，最后进行残压切换。

（二）MFC2000-2快切装置的信号及含义（见表10-1）

表10-1 MFC 2000-2快切装置的信号及含义

注：1.快切装置告警后，其装置面板上“闭锁”灯点亮，需手动复归；

2.快切装置动作后，其装置面板上“动作”灯点亮，需手动复归；

3.快切装置正常运行时，其装置面板上“运行”、“工作”灯应点亮。