解决方案︱石化企业110kV供电系统的快切装置应用及分析
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茂名石化热电厂的研究人员唐海东，在2015年第9期《电气技术》杂志上撰文指出，石化供电系统电源侧故障停电往往给石化企业带来灾难性的后果，本文结合石化企业供电负载的特点，分析了快切装置的原理，提出了改进方案，成功实现了快切装置在石化企业110kV供电系统电源侧的应用，消除了石化供电系统电源侧停电对安全生产的影响，对于带有发电机、同步电机等场合也能够实现安全切换，实现连续供电，快切装置值得在石化企业大力推广应用。
某石化厂的供电系统共有七座110kV变电站，总生产负荷约400MW,共12回电源110kV进线，均为架空线路。由于该厂地处多雷多雨的雷州半岛附近,年平均雷击日为90天，最高达108.9天。在雷雨季节架空线路因遭受雷击，风筝、树木碰触线路，造成线路单相接地等故障的跳闸频率较高。
2001年至2014年该厂110kV架空线路因雷击或其它故障所引起的停电事故共有27起。该厂原采用的是传统的备自投方式，即外线路因雷击跳闸后，通过检测残压的方式，将备用电源投入，因会引起的大面积的减产、停产事故，给该厂经济效益造成巨大的损失，甚至可能引发次生的火灾爆炸事故。厂用电备用电源的快切装置则是应用在电厂中的快切装置，不适用于石化企业的各种特殊负荷的场合。
如果在外线路故障切除后能够将失电的负荷及时转移至正常的电源回路上来恢复供电，就可以避免外线路跳闸带来的停产、减产问题。应用在厂用电备用电源的快切装置可以实现在极短时间内(毫秒级)不停电完成负荷转移，是一种比较理想的方案。
但该厂供电系统内部含有发电机，同步电动机等大型电气设备，与厂用电电气设备的类别（异步电动机群）有较大的差别，如果单纯套用在厂用电应用的快切装置，切换时能否保证发电机、大型同步机等设备的安全？
另外石化系统内部含有很多大容量的风机、压缩机等转动惯量较大的负载，母线残压衰减的速度与厂用电母线残压衰减速度可能存在较大的差异，快切装置的整定值如何能够保证切换成功？本篇就是要解决上述问题。
1 快切装置的原理及应用
1.1快切装置的切换原理
快切装置的工作原理如下：石化企业供电系统一次回路简图如图1，母线Ⅰ由进线1供电，母线Ⅱ由进线2供电，两母线Ⅰ、Ⅱ之间通过母联开关3DL相连，M1～M4为负载线路，正常情况下，进线开关1DL、2DL处于闭合状态，母联开关3DL处于断开状态，快切装置通过信号采集运算，负责1DL、2DL、3DL之间的停电切换工作。快切装置的动作原理框图如图2。
图1、石化企业供电系统一次回路简图
图2、快切装置的动作原理框图
图3、某300MW发电机组6kV母线残压特性示意图[1]
快切装置根据图3电气参数量的变化进行运算判断，以实现不同的切换。图3为某300MW发电机组6kV母线残压特性示意图，VD 为母线残压，弧线ABCD表示母线残压相量变化轨迹，△U为备用电源电压与母线残压间的差压。
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，这就是快速切换，是最理想的切换方式。
过B点后BC段为不安全区域，不允许切换。在C点后至CD段实现的切换以前通常称为延时切换或短延时切换，这正式现有石化企业备自投普遍采用的切换方式。在C-D段捕捉母线残压与备用电源电压第一次相位重合点实现合闸，这就是同期捕捉切换，相对于上述延时切换或短延时切换，同期捕捉切换由于合闸时，由于备用电源电压与母线残压两电压同相，备用电源合上时冲击电流较小，也基本不会对设备及系统造成危害。
当母线电压衰减到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。而长延时切换是在备用电源的容量不足以承担全部负载甚至不足以承担通过残压切换过去的负载的自起动时迫不得已的选择。
1.2快切装置在石化企业供电系统存在的难题
厂用电备用电源的快切装置可以实现在极短时间内不停电完成负荷转移，是一种比较理想的装置。但由于石化企业的供电系统内部含有发电机、同步电动机等大型电气设备，与厂用电气设备的类别有较大的差别，如厂用的电动机为异步电动机，如果石化企业的供电系统单纯的套用厂用电备用电源的快切装置，切换时是不能保证上述发电机、同步电动机等大型电气设备的安全的。
另外，石化系统内部含有很多大容量的风机、压缩机等设备，这些设备都为转动惯量较大的负载，失压母线即故障母线残压衰减的速度与厂用电的失压母线残压衰减速度存在较大的差异，快切装置的整定值等的设定与厂用电也存在差别。
1.3快切装置在石化供电系统的应用
2012年10月该厂与清华大学、东大金智合作，在清华大华电机系实验室采用东大金智针对茂名石化供电系统的特点开发的MFC-S型快切装置，选取了比较典型的供电系统110kV乙烯北站，完成了关于乙烯北站切换初步物理动模试验。试验中发电机、同步机在切换中状况良好，也实现了平稳切换，没有出现较大幅值的振荡，同时也保证了系统的安全。
为满足石化系统各种负载的需要，用于石化企业110kV供电系统的快切装置对逻辑判断进行了很大的改进，判断是否满足以下条件：逆功率启动条件、无流启动条件、失压启动条件、误跳启动条件、保护启动的条件，进行切换。
图4、快切装置的动作逻辑图
图4为改进后快切装置的动作逻辑图。根据所述数字信号判断是否满足以下条件：
逆功率启动条件：所述进线线路的三相进线中任意一相进线的功率反向且该相频率的变化量>整定频率△fzd；
无流启动条件：所述进线线路三相进线的电流均小于设定的无流电流Iwl且三相频率的变化量均大于整定频率△fzd；
失压启动条件：所述进线线路三相进线的电压均小于电压整定值Uzd且持续时间均大于时间整定值Tzd；
误跳启动条件：所述进线线路三相进线任意一相的电流小于设定的误跳电流Iwt且所述进线开关跳开；
保护启动的条件：所述进线保护装置启动；
若满足误跳启动条件，则启动切换操作，并由上至下进一步判断是否满足：
若满足其它任一条件，则发出跳进线开关命令，且启动切换操作，也由上至下进一步判断是否满足：
快速切换条件：与跳开的所述进线线路相连的故障母线的任意一相电压与备用电源对应相的电压波形的频差小于1Hz，且角差小于20度；
同期捕捉切换条件：与跳开的所述进线线路相连的故障母线的任意一相电压与备用电源对应相的电压波形的频差小于1.5Hz，且角差小于30度；
残压切换的条件：与跳开的所述进线线路相连的故障母线的电压＜40%故障母线额定电压Un；
长延时切换条件：从所述切换操作启动后延时7秒，与跳开的所述进线线路相连的故障母线的电流＜0.5A；
满足则停止后续判断并发送相应的切换命令即快速切换命令或同期捕捉切换命令或残压切换命令或长延时切换命令，其中，残压切换延时0.5秒；
开合闸执行机构：在收到微机芯片的跳进线开关命令后，执行跳开所述进线开关的操作，并在收到微机芯片的切换命令后，执行合备用电源操作。
经研究分析，上述参数的推荐取值范围为：△fzd取值范围为0.02～0.5HZ，Iwl取值范围为0.5～2A，Uzd取值范围为20%～90%进线线路额定电压，Tzd取值范围为0.1～5秒，Iwt取值范围为0.5～2A。
2012年底由该厂与清华大学、东大金智三方开发的第一台适用于石化企业供电系统的MFC-S型快切装置在该厂炼油西站110kV系统开始试用，2013年初开始全面应用，共投用22套。目前各装置运行稳定，状况良好。
2应用情况及经济效益测算
2.1动作记录
2014年该厂供电系统110kV进线共发生6起故障，快切装置均成功切换，切换时间在150ms以内。切换时发电机、同步电动机等大型设备均实现平稳过渡，相关装置生产机泵也没有受到影响，避免了由于系统电源的波动造成停产、减产等问题，实现了负荷不停电转移（详见案例）。特别是榭烯北线三次切换下游50MW发电机，22.1MW、6MW大型同步机都没有受到影响，下表是2010年快切投用以来快切装置动作情况：
表1 2014年茂名石化公司快切装置动作记录
|
故障日期 |
故障回路 |
故障类型 |
启动方式 |
切换方式 |
切换时间 （ms） |
|
2014.5.11 |
110kV河油中线 |
单相接地 |
距离I段 |
快速合闸 |
141 |
|
2014.6.13 |
110kV榭烯北线 |
单相接地 |
高频保护 |
快速合闸 |
129 |
|
2014.6.26 |
110kV榭油中线 |
单相接地 |
光差保护 |
快速合闸 |
111 |
|
2014.7.21 |
110kV榭烯北线 |
单相接地 |
高频保护 |
快速合闸 |
127 |
|
2014.8.23 |
110kV榭烯北线 |
单相接地 |
高频保护 |
快速合闸 |
125 |
|
2014.11.26 |
110kV河油中线 |
单相接地 |
距离I段 |
快速合闸 |
111 |
以上6次动作，故障线路上均挂有自备发电机，发电机负荷比用电负荷稍小，约占80～90%左右。带有发电机的系统切换时不跳发电机，而是带着发电机完成切换。
几次成功动作表明：石化企业110kV供电系统快切装置的应用有效地解决了困扰石化供电系统电源侧故障带来的停电问题，不仅可以在无发电机等大型电气设备的系统实现安全切换，对于带有发电机、大型同步电动机等的场合也能够实现安全切换。
2.2间接经济效益
自2013年110kV供电系统应用该技术以来，避免了6次因110kV架空线路故障跳闸引起的大面积停电事故，从而保证了该厂长周期安全生产。直接经济效益计算如下：
（1）2014年化工区供电系统110kV线路共发生两次跳闸事故，事故线路为榭烯北线跳闸，假设没有快切，则造成2#裂解、CFB锅炉、四循、2#加氢等装置高压机泵跳停，主要影响2#裂解装置的生产。
目前2#裂解开停工一次耗物料约450吨，石脑油约占80%，其余物料为蒸气等，占20%，物料的平均价格约7500元左右，外线路一条故障2#裂解跳停一次，损失约450×0.75=337.5万元；则两次故障2#裂解的损失为2×337.5=675万元
（2）2014年炼油区供电系统110kV线路共发生四次跳闸事故，其中炼油中站两条外线路4次，中站一条外线路跳闸后，全厂约40%负荷失去电源，炼油产量大致如下：汽油：270t/h；煤油：150t/h；富乙烯气：200t/h；沥青：66t/h；商品原料油：180t/h。
据此计算，中站一条外线路跳闸炼油1小时约减产如下：汽油108t/h，约7000元/吨；煤油60t/h，约7000元/吨；富乙烯气80t/h，约10000元/吨；沥青26t/h，约4000元/吨；商品原料油72t/h，约4000元/吨。共损失245万元。
炼油中站外线路共发生4次故障，损失980万元。
（3）利润计算
2014年共避免损失675+980=1655万元，本项目费用100万元；快切装置投资费用22套×12万元=264万元；成本共100+264=364万元；利润=1655万元-364万元=1291万元。
（4）避免了6次石化装置因突然停电引发次生火灾爆炸事故和设备损坏事故。
2.3社会效益
石化产业关系到国家能源战略安全和经济社会发展，在国民经济中起着举足轻重的作用。石化企业的显著特点是规模化连续性生产、对供电连续性要求高，快切装置在110kV供电系统侧的应用解决了供电系统故障停电引起的安全性及生产连续性问题，对石化产业提高经济效益和社会效益有着极大的意义。
3 结束语
快切装置在石化企业110kV供电系统电源侧的应用有效地解决了困扰石化供电系统电源侧故障带来的停电问题，不仅可以在没有发电机等大型电气设备的系统实现安全切换，对于带有发电机等大型电气设备的场合也能够实现安全切换。
快切装置在茂名石化投用两年多来成功为茂名石化避免了6次大面积停电事故，确保了装置的安全生产。在目前技术条件下，快切装置炼化企业供电系统的使用是安全可行的，快切装置值得推广应用。