现场︱发电厂启备变冷备用技术及问题探讨
中国电工技术学会定于2016年7月10~11日在北京铁道大厦举办“2016第十一届中国电工装备创新与发展论坛”，主题为“电工行业十三五规划研究与解读”。
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西安热工研究院有限责任公司的研究人员兀鹏越、孙钢虎等，在2015年第12期《电气技术》杂志上撰文，介绍了发电厂启备变冷备用运行方式下厂用电切换的过程及控制原理，对影响启备变冷备用运行的变压器空投时差动保护误动作、母线失压时间增加导致快切失败、冷备用时设备带故障投入、对电压跌落敏感的厂用负荷跳闸等问题进行分析。
结合实例介绍了启备变冷备用技术的应用情况，并对采用此运行方式导致的厂用电切换失败后果进行了分析，指出该技术的可行性。
火力发电厂都设置有一台或多台启动/备用变压器（简称启备变），除了作为启停机过程中的厂用电源外，还在机组并网发电后作为厂用电的热备用电源，以保证机组事故跳机时可以立即带厂用电负荷，维持厂用电的连续性，保障机组安全。
在机组发电运行期间，启备变处于空载运行状态，长期空载运行的损耗是相当可观的。据测算，一台容量45MW的油浸式启备变，一年空载运行电能损耗约三十万度。
近年来，随着发电厂对节能降耗工作的日益重视，降低启备变空载损耗就成了比较热门的课题。一些电厂积极尝试启备变冷备用技术，个别电厂还进行了试验和应用[1][2]。
本文在广泛调研及若干台机组现场试验的基础上，对当前启备变冷备用技术中存在的几个关键性的技术问题进行了分析，供有关的技术人员参考。
1启备变的运行方式
1.1 运行方式简介
图1是典型的单元机组电气一次系统示意图。目前的常规运行方式，当机组正常发电时，厂用电由高压厂用变压器提供，1DL、2DL、5DL、6DL合闸，3DL、4DL分闸。
图1 火电厂电气系统示意图
当机组故障跳机时，由快切装置快速跳开1DL、2DL，合上3DL、4DL，实现厂用电快速切换，保持厂用负荷持续运行。由于机组运行时起备变高压侧开关6DL合闸，起备变充电运行，因此称之为起备变热备用。
如果机组运行时，起备变高压侧开关6DL分闸，起备变不带电。当机组跳闸时，再由快切立即合6DL、3DL、4DL投入起备变及厂用负荷。这种方式称之为起备变冷备用方式。需要说明的是，文中这两种方式定义不同于发电厂运行规程对冷备用的规定。
1.2 采用热备用方式的原因
长期以来，火电厂启备变绝大部分都采用热备用运行方式。原因就在于启备变运行中低压侧带电，随时可以进行厂用电源快速切换，一般情况下都可以切换成功；如果冷备用运行，当机组跳机时首先要给启备变充电，然后才可以进行切换，这样切换时间变长，增大了厂用电切换失败的风险。
另一个原因，是变压器空载合闸产生励磁涌流有可能导致保护误动作，使得变压器空投失败。还有一个因素，冷备用的变压器有可能存在故障而未被发现，跳机投运时投运失败。这些因素导致发电厂宁肯付出常年启备变空载运行损耗的代价，也不肯冷备用运行。
1.3冷备用方式的实现
近年来，随着火电厂节能工作深入开展，对于起备变冷备用方式逐渐重视起来。起备变冷备用控制方式中，为厂用电快切装置增加了高压侧断路器合闸出口，当发电机组保护动作启动快切时，快切装置发出指令合起备变高压侧6DL断路器和低压侧3DL断路器，瞬时将处于冷备用的起备变投入运行并立即接带厂用负荷运行。如图2所示。
图2 冷备用方式的控制回路（仅一段）
为了防止励磁涌流引起变压器空投失败，在起备变高压侧断路器6DL处配置励磁涌流抑制器，如图3所示。
当发电机组保护动作启动快切时，快切装置发出合起备变高压侧6DL断路器指令给励磁涌流抑制器，由励磁涌流抑制器选择合适的角度发出合闸指令，控制6DL准确合闸于时机，使得变压器励磁涌流最小，防止差动保护误动作，确保变压器空投成功，然后再由快切择机合低压侧3DL断路器。
与图2相比，这种方式可以防止励磁涌流导致的变压器空投失败，但带来了切换时间的延迟，从而增大了切换失败的风险，控制方式也更复杂。
图3 带励磁涌流抑制器的冷备用控制回路
2影响启备变冷备用运行的问题
启备变冷备用运行可能存在的主要问题有以下这些：
2.1 冷备用变压器空投时差动保护误动作
变压器空载合闸产生励磁涌流[3]，这是变压器自身固有特性决定的，在不采取措施的情况下必然存在，大小约为变压器额定电流的8-12倍，如图4。
图4 变压器空载合闸励磁涌流
变压器励磁涌流会导致变压器差动保护误动作，这是继电保护长期以来未能解决的难题，即使目前微机保护技术已经十分先进的情况下，仍然无法保证百分之百识别励磁涌流不误动。
这一点是笔者咨询国内几个主要变压器微机保护厂家的技术人员得到承认的。因此，由于励磁涌流会导致保护误动作，紧急事故时启备变投不上的可能性也是存在的。
以前人们认为空载合闸励磁涌流是变压器难以克服的固有特性，采取了各种方法来识别和躲避励磁涌流。现在在工程上采用了基于断路器选相位关合技术的励磁涌流抑制器，通过变压器空载合闸的电压角度，即可有效抑制励磁涌流的大小。
其主要原理为：变压器外加电源电压的波形与主磁通波形一致的，但超前90°，因此通过测量电压的波形就可以得到主磁通的波形，进而通过测量断电电压时刻的波形可以获取断电时剩磁的极性。然后控制断路器的合闸时机，使得变压器空投上电时产生的偏磁与剩磁极性相反，再与稳态磁通共同作用，使得总磁通低于变压器的饱和磁通，即可抑制涌流。
影响励磁涌流抑制效果的一个重要因素是开关动作时间的离散性，当开关动作时间误差超过3ms时，抑制效果就不可接受了。因此，选择动作特性稳定的开关设备是一个很重的前提条件。
基于该技术的产品已经有多家公司可以生产，在工程中应用较多。励磁涌流抑制器的效果已经得到我国南方电网公司的认可，2011年专门发通知要求在南方电网使用。
根据工程实际应用来看，使用励磁涌流抑制器可以将励磁涌流大小限制在变压器额定电流以下，杜绝了励磁涌流导致的变压器空投时差动保护误动问题。
2.2 母线失压时间增加导致快切失败
由于冷备用情况下启动切换，需要先合启备变高压侧开关，再合低压侧开关，比热备用情况下只合低压侧开关的动作时间要慢100ms-200ms。这样一来，厂用高压母线总的失压时间在200ms-300ms之间，这段时间母线残压如果下降较快，有可能无法实现快速切换，导致一些辅机跳闸，切换失败。
母线残压下降特性取决于负荷特性，电机类负荷越多，容量越大，残压下降越慢，越有利于快速切换的实现[4]。一般运行中机组高压厂用母线残压衰减过程都要持续好几秒，冷备用方式下切换带来的200ms-300ms的失压时间内，母线电压电压衰减大约5V-15V，跌落不是太多，实现快速切换的几率还是很高的。
2.3 冷备用时设备带故障投入
发电厂运行人员还有一个顾虑，就是处于未充电冷备用状态的变压器如果已经存在故障而没有发现，或者处于分闸状态的断路器已经有故障，关键时候无法合闸，都会造成事故时启备变投入失败。这种可能性不是没有，但是对于稳定性比较好、事故率较低的变压器和断路器来说，如果设备本身质量合格的话，发生这种情况的几率很小。
除了对设备加强监视以外，还可以采取的预防措施就是定期对变压器充电，在恶劣天气时将启备变热备用运行。
2.4对电压跌落敏感的厂用负荷跳闸
由于厂用电切换过程存在短时的母线失压，切换过程中在运行的负荷能否维持运行就很关键了。厂用电设计技术规程规定，短时停电会影响生产的I类负荷低电压保护跳闸定值40V，9s；短时断电不影响生产运行的II类、III类负荷低电压保护跳闸定值60V，0.5s。
也即短时的试验是不会导致重要辅机跳闸的，只要厂用电切换成功，是可以保证机组生产连续性的。在切换过程中，可能会有一些对电压敏感的辅机跳闸，但这些辅机都是重要性较低的设备，可以手动恢复送电，不会影响机组运行。
因此，从以上分析可见，启备变冷备用运行存在问题对机组生产运行的影响是存在的，但都不是根本性的，且均有解决办法。
3冷备用切换过程
冷备用切换过程的关键问题在于尽量缩短切换过程的过渡时间。由于变压器低压侧真空开关的分合闸固有动作时间约为40-60ms，而高压侧开关的分合闸固有动作时间约为80-100ms，必须采取措施防止低压侧开关先于高压侧开关合闸。
措施之一是快切装置判断高压侧开关的辅助触点，确保高压侧开关合闸后才发出低压侧开关合闸指令。措施之二是采取低压侧开关延时合闸，延时可整定。措施二可以通过时间配合将切换时间压缩到最小。表1是采取延时配合的快切过程时序。
表1 切换过程时序
根据有关过程实际切换试验情况，采用冷备用切换母线的失压时间110ms左右，不影响辅机的运行[4]。
4实际应用情况
据了解，目前还有不少工程都设计了启备变冷备用方式，但进行了启备变冷备用实际切换试验的不多，而实际启备变冷备用方式运行的更少。
究其原因，就在于没有这方面成熟的运行经验，而冷备用试验又存在厂用电切换失败的风险，因此人们对于进行该试验态度保守谨慎，大多数设计了冷备用方式的火电厂，实际上启备变还是热备用运行，没有达到设计目的。
据调查，在实际生产中启备变冷备用运行的机组不是很多。长期以来，电力系统内的发电厂节能要求并不严格，从保证机组安全的角度来讲，大家还是愿意启备变热备用运行。而在一些外资电厂或者企业自备电厂等小型机组，出于节能的考虑，已有多年启备变冷备用运行经验。
这些机组大多都没有采用励磁涌流抑制器，因此冷备用切换时间较短，实际切换成功率都比较高。根据调研中了解到，在冷备用切换方式下，启备变都可以快速切换成功，且机组的主要辅机都可以维持不跳闸，但是会有个别对电压波动敏感的设备跳闸。这些设备一般采用电磁接触器，都为不重要的负荷，即使跳闸也不影响机组安全，运行人员手动合上即可。
华北电力大学对这种方式下的启备变冷备用技术有较多的研究，运用RTDS数字仿真技术在实验室进行详细的分析验证，并在海勃湾发电厂、达拉特发电厂进行了实际试验，试验结果证明，启备变冷备用是可行的[4-6]。
采用励磁涌流抑制器的启备变冷备用运行方式，由于增加了切换时间，被认为切换成功率降低，一般不愿意在工程上实际应用。实际调研中了解到也有个别应用，辽宁某自备电厂采用此方式运行4年以上，每次事故都成功切换。
总体来看，发电厂采用启备变冷备用运行方式还是少数。
5冷备用切换失败的影响分析
阻碍启备变采用冷备用方式的最大顾虑，是担心当发生机组事故时，厂用电切换失败，导致全厂失电。因此有必要对这种情况以及由此带来的影响进行分析。
如果机组事故，停机是必然的。问题只在于停机过程中是否可以安全停机，不会导致发生设备损坏等重大事故。实际上，在发电厂的设计中，全厂失电情况下是能够保证机组安全停机的，不至于造成设备损坏等严重事故发生。
按照火力发电厂厂用电设计规程，当厂用电失去后，最重要的控制系电源由UPS瞬时切换到蓄电池组，保证失电时控制系统能够正常运行；对机组安全威胁最大的是汽机润滑油系统立即启动直流油泵维持油压，保证汽轮机安全[7]。
除此以外的机组其他负荷是可以在停机是经受短时间的断电而不会导致设备损坏等严重事故发生的。而厂用母线失压后柴油发电机立即启动，在15秒内即可带保安段负荷运行，从而保证机组安全停机。
而所谓启备变采用冷备用方式切换不成功，指的是在母线电压跌落到低电压保护动作值（70%）以前没能快速切换成功，而不是切换失败导致高压厂用电全失。这种情况下，厂用高压母线电压会有短时（几百毫秒到几秒之间）的跌落，会导致一些对电压敏感的负荷跳闸，而重要负荷都不会跳闸，在厂用电切换成功后电动机会自动再启动，也即不会导致全厂失电。
启备变采用冷备用方式切换不成功最糟糕的情况是快切装置未动作，可以由运行人员抢合备用电源，也可以保证厂用电源马上恢复，实现安全停机，不会导致严重的事故发生。
因此，对于启备变冷备用方式导致的厂用电切换失败，也是能够保证机组安全停机的。应该正确合理分析和评价启备变冷备用切换带来的风险，过分夸大切换失败的后果是不可取的。
6结语
理论和实践证明，发电厂启备变冷备用运行方式是可行的，在不大的投资下可以实现较好的节能效果。由此对机组的运行带来安全风险的增大是有限的，在可控范围内，不至于造成严重的后果。应该理性看待这种运行方式，积极创造条件在实际中应用，积累更多的运行经验，从而使其更加完善。
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