机场弱电工程需求设计（1000MW机组保安段电源的改造方案分析及应用）

华润电力湖北有限公司的研究人员石志辉，在2020年第9期《电气技术》杂志上撰文，结合电厂保安段的运行方式以及电厂所具备的现有条件，提出了保安段改造方案，并详细介绍了改造过程及优化空间，实践证明保安段改造达到了预期效果。

发电厂厂用电源是保证发电厂正常运行的基本电源，厂用电系统接线、布置及负荷分配是否合理，直接关系到发电厂汽轮机、发电机、锅炉及相关辅助设备乃至整个发电厂能否可靠、灵活、经济运行。

为了保证在全厂事故停电时能安全可靠地停机、停炉、避免设备遭受损坏，厂用电源关键组成部分的保安段承担着发电厂保安负荷的供电任务，保安电源作为发电厂的最后防线，发挥着至关重要的作用。发电厂应结合现场实际情况，充分利用现有条件，来提升保安电源的可靠性。

1 保安段电源接线和运行方式

华润电力湖北有限公司（以下简称蒲圻电厂）共装机2×330MW 2×1000MW，分两期完成，4台机组均采用发变线组单元接线方式。

一期和二期各设一台起动备用变压器，其中一期的#01起备变通过蒲汪Ⅱ回线接于距电厂约15km的汪庄余变电所220kV母线，二期的#02起备变电源与一期#01起备变电源合用一路厂外220kV电源，即从一期蒲汪Ⅱ回线处T接，并通过220kV电缆引接至二期#02起备变高压侧。二期起备变电源设计虽有节省投资、节约征地等优点，却对起备变电源线路的运行可靠性提出了更高要求。

二期2×1000MW机组厂用电系统采用10kV和380V/220V两级电压。每台机组设有两段汽机保安电机控制中心（motor control center, MCC）段母线、两段锅炉保安MCC段母线和一段脱硫保安MCC段母线，在事故情况下保证主机润滑油泵、顶轴油泵、密封油泵、盘车电动机、火检风机、其他重要辅机油泵以及直流系统、不间断电源（uninterruptible power supply, UPS）、分散控制系统（distributed control system, DCS）等重要负荷的供电。

正常运行时，各保安MCC段由对应的汽机动力中心（power center, PC）段、锅炉PC段和脱硫PC段按工作和备用方式通过双电源切换装置快速切换供电。其中汽机保安MCC段、锅炉保安MCC段的备用电源自投功能由双电源自动切换开关（automatic transfer switch, ATS）实现，脱硫保安MCC段的备用电源自投功能由备自投装置实现。

为了保证在全厂事故停电时能安全可靠地停机、停炉、避免设备遭受损坏，每台机组设置一台1800kW柴油发电机组作为机组的交流事故保安电源，接入保安PC段，为上述各保安MCC段提供第三路电源。保安电源接线方式如图1所示。

图1 保安电源接线图

以汽机保安MCCA段的运行方式为例，来自汽机PCA段的电源1和来自汽机PCB段的电源2互为备用，通过ATS双电源自动切换开关后经开关4ZKK接入汽机保安MCCA段，作为该段的工作电源。

如该段由电源1供电，当电源1故障，ATS双电源开关自动切换至电源2供电，如电源2也出现故障，汽机保安MCCA段失压，柴油发电机组联起成功后，汽机保安MCCA段工作电源进线开关4ZKK自动跳开，柴油发电机组出口开关1ZKK及汽机保安MCCA段备用电源进线开关5ZKK依次自动合上，此时汽机保安MCCA段由柴油发电机组供电。其他各保安MCC段运行方式与之类似。

2 保安段电源改造方案分析

蒲圻电厂二期保安PC段目前采用柴油发电机组为机组保安PC段提供电源，柴油发电机组作为一个相对独立的系统，受厂用电系统因素影响较小，这是其被广泛选作机组保安电源的最主要原因。柴油发电机组带载机会少，日常除了定期的怠速试运，更多时间处于静止热备用状态。

柴油发电机组系统较为复杂，维护工作专业性较强，涉及电控、机务、暖通等多个专业，涵盖电控系统、机油油位、柴油油量、冷却液液位、寒冷环境下柴油和冷却液管道的防寒防冻、各类滤芯、电瓶电压、风道、排烟管、风扇、气门间隙等诸多方面，任一方面出现问题都将导致柴油发电机组起动失败或运行故障。

与发电机、变压器等常规电气设备的管理维护工作相比，电厂维保人员对柴油发电机组的管理经验相对不足，一旦柴油发电机组出现故障，维保人员不一定能迅速排查处理。这些都是柴油发电机组作为机组保安电源相对不利的方面。

蒲圻电厂二期项目基建期在厂内建有一处施工电源配电室，内设两段10kV母线，设计采用两条10kV架空专用线路，施工电源取自距厂约2.64km的110kV荆泉变电站，变电站提供的用电容量分别为3000kVA和1600kVA。在二期两台机组建成投产以后，该施工电源未拆除，一直保留至今。

施工电源取自厂外独立电源，优点是设备故障率低、维护工作量少，可以长期处于热备用状态，在机组事故时可立即投入，事故过程中保安电源短暂失电的时间缩短，但其缺点是厂外独立电源并不能完全独立于外部电力系统，两条架空线路途经的部分地段植被茂密，一旦输电线路或变电站内部出现故障，施工电源将无法100%保证供电可靠性。

简要对比两种供电方式的特点，见表1。结合厂内现有条件，对保安PC段电源系统进行改造，在保留柴油发电机组作为保安PC段第一电源的基础上，将目前处于闲置状态的施工电源接入二期保安PC段，作为该段新增的备用电源（如图1虚线部分所示），以解决在机组事故状态下，当柴油发电机组无法正常运行时，保安段无备用电源供电的问题。

考虑到柴油发电机组的运行基本不受厂内和厂外条件的制约，可适应极端停电事故情况，因此在运行方式上，将柴油发电机组作为保安PC段的主电源，施工电源作为该段的备用电源。

表1 两种供电方式特点对比表

#3机、#4机保安PC配电室均位于集控楼0m层，两配电室相邻，施工电源配电室距离#3机保安PC配电室约285m，在#3机保安PC配电室内新安装1台保安变压器和3面400V低压开关柜，施工电源开关与新增变压器之间、新增低压开关与机组保安PC段之间采用电缆连接，新增变压器与低压开关柜以及低压开关柜之间均采用铜排连接。

3 保安段电源改造

保安PC段电源改造工作主要包括10kV施工电源开关改造、新增保安变压器和新增400V低压开关柜安装及相关配套工作。

3.1 10kV施工电源开关改造

保安PC段新增备用电源取自10kV施工电源B段，该段工作电源进线开关QF和保安变压器高压侧开关QF1在原设计中均采用手动操作、就地巡检的工作模式。

为减少人员操作风险、加强设备运行状态的监控，在开关原控制回路中增加远方、就地转换开关，将这两台10kV开关的远方分合闸指令接入DCS（如图2虚线部分所示），同时将10kV开关的合位、跳位、储能、手车工作位、远方、回路故障、保护动作等反馈信号接入DCS，将10kV施工电源B段母线电压、两台10kV开关的电流通过4～20mA模拟信号接入DCS。10kV开关控制回路改造后如图2所示。

图2 10kV开关控制回路改造图

3.2 新增保安变压器安装

根据保安PC配电室现有设备布置情况，新增保安变压器安装于#3机保安PC配电室的备用屏柜预留位置。#3机、#4机保安负荷统计见表2。

有文献要求明备用的低压厂用工作变压器的容量宜留有10%的裕度，保安变压器容量选择2500kVA。

表2 #3机、#4机保安负荷统计表

3.3 新增400V低压开关柜安装

新增400V低压开关柜也安装于#3机保安PC配电室的备用屏柜预留位置。根据表1的统计核算，保安变压器低压侧开关QF2选择In=6.3kA，施工电源至#3机保安PC段馈线开关QF3与施工电源至#4机保安PC段馈线开关QF4均选择In=4kA。

保安变压器与低压侧开关QF2采用3层80mm×10mm铜排双拼并排连接，保安变压器低压侧开关QF2与施工电源至#3机保安PC段馈线开关QF3和施工电源至#4机保安PC段馈线开关QF4均采用双层80mm× 10mm铜排双拼并排连接，施工电源至#3机保安 PC段馈线开关QF3与#3机保安PC段、施工电源至#4机保安PC段馈线开关QF4与#4机保安PC段均采用12根3×185mm2 1×95mm2低压动力电缆并排连接。

为避免出现两路电源非同期并列情况，施工电源至#3机保安PC段馈线开关QF3与#3机保安PC段工作电源进线开关采用DCS搭设逻辑和控制回路硬接线两方面措施，其中一路电源进线开关的合闸允许条件必须满足另一路电源进线开关在跳闸位，实现两路电源进线开关在远方和就地方式下的合闸互锁功能，确保事故情况下，保安PC段只有一路电源供电。保安PC段电源进线开关改造后的合闸允许回路逻辑与控制回路分别如图3、图4所示。

图3 保安PC段电源进线开关合闸允许回路逻辑改造图

图4 保安PC段电源进线开关控制回路改造图

3.4 改造后动作过程分析

施工电源接入保安PC段后，保安MCC段实现4路电源供电：PCA段、PCB段、柴油发电机组、厂外市电。在原运行方式基础上，如柴油发电机组起动失败或运行故障，柴油发电机组出口开关将自动跳开，由运行人员先断开来自柴油发电机组的保安PC段工作电源进线开关，再合上施工电源至保安PC段馈线开关。

此时保安MCC段由厂外市电供电。如柴油发电机组处于退出状态，运行人员在事故情况下，确认保安MCC段工作电源进线开关分闸后，可直接将保安MCC段切至由厂外市电供电。

3.5 改造效果与设计优化

保安PC段改造后，各设备运行可靠，为百万千万机组顺利迎峰度冬提供了坚实保障，达到了改造的目的。

1）将厂外市电作为新增备用电源，提高了保安段供电可靠性。

2）最大程度地利用现有设备，提高了设备利用率，降低了改造成本。

3）保安PC段改造后，仍有进一步优化改进的空间。柴油发电机组控制系统独立于DCS，包括可编程逻辑控制器（programmable logic controller, PLC）、同期装置、电压检测模块等设备，负责柴油发电机组的起停、保安段工作电源和备用电源开关的切换。施工电源目前接入保安PC段采用手动投切方式，后续可通过完善PLC程序和增加系统硬件的手段，对保安段运行方式进行优化。

在柴油发电机组控制柜上增加运行方式切换开关，运行人员可根据现场情况自行选择以下3种运行方式。

（1）对应上述手动模式，即事故情况下柴油发电机组起动，在柴油发电机组起动失败或运行故障情况下，手动投切施工电源。该方式不需修改PLC程序和控制回路，运行人员需要判断现场情况后再决定是否投切厂外市电。

（2）在柴油发电机组起动失败或运行故障情况下，电压检测模块检测到厂外市电正常后，施工电源自动投入，当厂用电恢复后，在运行人员确认后，保安电源自动切回至厂用电。该方式需要扩展PLC的数字输入（digital input, DI）和数字输出（digital output, DO）卡件，增加电压检测模块等设备，并修改PLC程序和控制回路。

（3）柴油发电机组退出运行，电压检测模块检测到厂外市电正常后，施工电源自动投入，当厂用电恢复后，在运行人员确认后，保安电源自动切回至厂用电。该方式也需要扩展PLC的DI和DO卡件，增加电压检测模块等设备，并修改PLC程序和控制回路。

4 结论

本文阐述了1000MW机组保安段电源的运行方式，总结分析了保安段电源的改造方案、改造过程及优化空间。交流保安电源是发电厂厂用电系统的重要组成部分，除了依靠传统的柴油发电机组提供备用保安电源以外，各厂还可结合自身的具体情况，采用引入其他可靠电源作为保安电源、优化保安电源运行方式、细化设备的检修和运行管理等手段，来提升保安电源系统运行的可靠性、灵活性、经济性。同时，维护人员也应克服畏难情绪，刻苦钻研技术、锤炼动手能力，确保柴油发电机组始终处于良好备用状态。

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