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摘要：厂用电切换是电厂生产过程中的关键环节之一，对电厂的稳定运行具有十分重要的意义。厂用电切换的过程中常常会出现电磁环网问题，这一现象对电厂设备的安全产生威胁。本文分析了厂用电切换的常见切换方式，并基于具体的工程案例说明了电磁环网产生时的运行工况，然后从理论的角度分析了电磁环网的影响。本文的分析过程对于验证电厂能否安全地进行厂用电切换具有通用的指导作用。
关键词：厂用电切换；启备变；电磁环网
0 引言
启备变作为发电厂的重要设备，是电厂的安全稳定运行的关键设备之一[1-2]。在电厂的生产运营过程中，常需改变电气运行方式，电气运行方式的改变往往要求厂用电通过启备变在工作电源和备用电源之间进行切换。发电机组的工作电源与备用电源可以源自同一系统，也可以源自不同系统。通常源自同一系统时，两者间的相角差一般较小，工作电源与备用电源之间经过主变、高厂变及启备变形成较小的电磁环网。如果工作电源与备用电源源自不同的系统，两者间的相角差一般较大，或者虽然源自同一系统，但两者之间经过了若干变压器以及线路的传输，进而形成了一个较大的电磁环网，从而导致了两者之间的相角差很大。启备变在较大相角差的情况下进行切换，相当于电磁环网的短时合环操作，这一过程期间会产生环流，环流可能会导致保护误动，也可能会对变压器造成一定损坏。因此，对系统进行相角及电流的计算十分必要。
目前针对厂用电在工作电源和备用电源之间进行切换的问题已有部分文献进行研究。文献[3]分析了厂用系统电源在切换过程中可能出现的问题，探讨了4种常见的切换方式，并就每种切换方式进行了较为细致的分析。文献[4]分析了传统的发电厂厂用电切换方式，指出切换过程中常见的事故的产生原因往往是备用电源与仅靠惯性而无后续动力支持的电动机群进行电气对接。文献[5]对工作电源与备用电源源自不同的系统的情况进行了分析，阐述了厂用电的切换流程，指出在这种情况下应注意的几个问题。文献[3]、文献[4]和文献[5]并没有详细分析启备变在较大相角差的情况下进行切换时，电磁环网的短时合环而产生的环流问题。文献[6]给出了不同接线形式情况下的厂用电源切换方式的选择方法。文献[7]针对厂用电的工作电源与备用电源来自同一系统，但在特殊情况下两者之间具有较大相角差的情况进行了探讨，纠正了一些错误方式，提出了这种情况下的合理切换方法。
本文首先阐述了厂用电切换的不同切换方式，并针对一个具体的工程案例介绍了厂用电并联切换时工作电源与备用电源之间出现电磁环网的实际运行工况，然后在理论上分析了电磁环网的影响及危害。
1 厂用电切换方式
发电厂厂用电的切换方式根据不同的标准具有不同的分类方法，目前常见的分类标准有：开关的动作顺序、启动原因和切换速度。厂用电源的切换方式根据开关的动作顺序可分为：并联切换、串联切换和同时切换；根据启动原因可分为：正常手动切换、事故自动切换和不正常情况自动切换；根据切换速度可分为：快速切换、短延时切换、同期捕捉切换以及残压切换[8]。本章主要介绍厂用电的并联切换、串联切换以及同时切换。
并联切换一般适用于正常情况下的厂用电切换，其工作原理可概括为“先合后跳”。当由工作电源切换至备用电源时，先合上备用电源，使备用电源先接入系统，此时备用电源与工作电源存在短时并列运行，然后再断开工作电源。当由备用电源切换至工作电源时，先合上工作电源，使工作电源先接入系统，此时工作电源与备用电源同样存在短时的并列运行，然后再断开备用电源。由上述过程可知，在这一切换期间厂用母线不失电，安全性较高，是最常用的厂用电切换方式。
串联切换一般适用于事故情况下的厂用电切换，其工作原理可概括为“先跳后合”，即先断开工作电源，当确认工作电源断开后，再合上备用电源。在这种情况下工作电源与备用电源不会存在短时的并列运行，但在这一切换期间厂用母线必然出现短时的失电。
同时切换是综合并联切换和串联切换的一种厂用电切换方式，其既适用于正常情况下的厂用电切换，也适用于事故情况下的厂用电切换。同时切换的工作原理如下：当由工作电源切换至备用电源时，在发出工作电源的跳闸命令与工作电源跳开之间发出备用电源的合闸命令。因此在这种情况下，厂用母线的断电时间小于备用电源的合闸时间。同时切换正常情况下不会造成工作电源与备用电源的短时并列运行，但是如果工作电源开关拒动，也会造成工作电源与备用电源之间存在短时并列[9]。
2 并联切换出现电磁环网的工程案例
某电厂采用两台机组共用一台启备变的接线方式，启备变容量不小于最大的一台高厂变的容量，这是目前常见的一种主接线的配置方式。该电厂一期建设2套75MW天然气联合循环热电冷机组；二期根据地区负荷发展需要视时建设2套200MW天然气联合循环热电冷机组。本文主要研究项目的一期工程，一期工程主要建设2×75MW级燃气-蒸汽联合循环机组，按2台燃机（53MW）+2台配套余热锅炉+2台抽凝式汽轮机（22MW）作为建设方案，采取热-电-冷三联供技术，可较好的就地满足该地区冷、热、电的负荷需要。该电厂110kV升压站主接线如图1所示。
机组正常运行时，启备变空载处于热备用状态，当2组机组其中1组启动（指由零出力升至额定出力的过程）、停机（指由正常运行转为停机不出力的过程）或其厂用变故障时，该机组厂用负荷由启备变供电；因启备变为两组机组共用，因此不考虑2组机组同时启动、停机的情况。启备变可能运行的工况如下：
（1）发电机组启动：启备变首先向发电机组的厂用电供电并启动发电机组后，如并联切换条件满足要求，先合上高厂变低压侧开关，经一定延时后再自动跳开启备变开关，该并列延时时间一般不超过0.5s。如果在该段延时内，刚合上的高厂变开关被跳开，则装置不再自动跳开启备变开关。如果手动起动后并联切换条件不满足，厂用电源快切装置原装置将立即闭锁且发闭锁信号，等待复归。
（2）发电机组停机：发电机组正常运行情况下厂用电由高厂变供电，如并联切换条件满足要求，先合启备变变开关，经一定延时后再自动跳开高厂变开关，高厂变与启备变并列延时时间一般不超过0.5s。如果手动起动后并联切换条件不满足，厂用电源快切装置原装置将立即闭锁且发闭锁信号，等待复归。
（3）事故停机：发电机组正常运行情况下厂用电由高厂变供电，保护动作跳闸发电机组后，先跳开高厂变开关，在切换条件满足时（或经用户延时）发合启备变电源开关。
由上述运行工况可知，工作电源与备用电源存在短时的并列运行，两者之间经过主变、高厂变及启备变形成一个电磁环网，这一过程期间会产生环流。因此，在厂用电通过启备变在工作电源和备用电源之间进行切换之前，需要对系统进行相角及电流的计算。
3电磁环网理论分析
高厂变与启备变并列相当于电磁环网的短时合环操作，合环时110kVⅠ母线与110kVⅡ母线之间相角差的存在会使合环点出现功率潮流，若是功率潮流过大，则会损伤变压器，也会导致保护装置动作[6]。一般输电线路的电阻和电抗相比而言很小，可假设R=0，即假设输电线路只有电抗，则电磁环网在合环时的功率潮流计算公式如式（1）所示：
式中：U1为工作电源电压，U2为备用电源电压，δ为工作电源与备用电源的相角差，X为电磁环网阻抗之和，P为有功潮流，Q为无功潮流。
由式（1）可见，当δ为0°时，有功潮流等于零，只有无功潮流存在，其大小主要取决于工作电源与备用电源之间的电压差[10]。如需降低无功潮流的大小，只要尽可能减小电压差即可。当δ较大时，合环情况下既存在有功潮流，又存在无功潮流，此时不能将合环时出现的功率潮流完全消除。由于δ受功率的影响，在厂用电切换时，可以利用δ较小的时机进行切换，此时可以减轻功率潮流对变压器的冲击。
电磁环网在合环时对系统设备的冲击还体现在高厂变与启备变之间的环流大小。如果环流很大，再加上正常工作电流，则会使得其中某一台变压器的电流大小超过额定值，此时变压器绕组会因过载而发热，最终会使变压器继电保护设备动作[7]。环流的计算公式如式（2）所示：
式中：Ic为环流，Z1为高厂变的短路阻抗，Z2为启备变的短路阻抗。
由式（2）可见，环流的大小正比于工作电源与备用电源之间的电压差，而电压差的大小又主要取决于相角差δ。因此，若δ较大时必然会产生较大的环流，所以需要在δ较小的时候进行厂用电的切换[11]。
4结语
在发电厂长期的生产生活中，厂用电的切换方式一直是容易被忽略的一点。随着发电厂规模的扩大及发电机组容量的增加，厂用电系统的安全稳定运行愈加重要。因此，对厂用电切换过程中容易出现的问题进行深层次的分析是电力工业发展的迫切需要。本文分析了厂用电并联切换时出现电磁环网的危害，分析了电磁环网对电厂的影响，最后阐明了该电厂安全地进行厂用电切换的能力，这一研究过程同样适用于验证其他电厂能否安全地进行厂用电切换，对工程实践具有一定的指导意义。
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论文作者:冯雄志
论文发表刊物:《电力设备》2017年第4期
论文发表时间:2017/5/16
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