大渡河瀑布沟水电厂科研人员发表备自投闭锁功能完善的研究成果

备自投即备用电源自动投入装置，能在工作电源故障或其他原因断开后迅速地自动将备用电源投入工作，但如果工作电源因负荷端短路等原因造成电源跳闸，则应由电源端保护装置跳闸信号闭锁备自投装置动作，否则备用电源会合于故障回路，造成二次破坏。国能大渡河瀑布沟水力发电总厂的研究人员孙大根，在2021年第10期《电气技术》上撰文，结合现场试验，提出了某电站400V配电系统备自投装置闭锁功能的实现方法，以提高备自投装置运行的可靠性。

现代水力发电厂要求其生产过程自动化采用计算机控制，为了实现这一要求，需要许多厂用机械和自动化监控设备及辅助设备为发电服务。因此，需要向这些电动机、自动化监控设备和照明供电，这种为电厂自用的供电系统称为厂用电系统。

水电厂的重要机械及监控、保护、自动装置等二次设备，允许电源中断的时间仅为电源操作切换时间，它们停止工作后，会引起主机减少出力或停止发电，甚至可能使主机或辅助设备损坏。因此，大、中型水轮发电机组的自用电系统一般都分成两段，各段电源相互独立，而且两段电源之间装设有备用电源自动投入装置，两段电源互为备用，以提高供电的可靠性。

1 厂用电系统备自投运行情况

1.1 备自投工作原理

某电站机组400V配电系统采用两段母线供电，分别取自不同的10kV变压器，机组自用电主接线示意图如图1所示。

图1 机组自用电主接线示意图

图1中，QF1为400V 1号进线开关，QF2为400V 2号进线开关，QF3为400V分段开关，QF5为10kV 1号进线开关，QF6为10kV 2号进线开关，3TV为Ⅰ母母线电压互感器（PT），4TV为Ⅱ母母线PT，1BA为1号进线电流互感器（CT），2BA为2号进线CT，1BA0和2BA0为零序保护用CT。

备自投装置型号是WBT196D—I，装置能自动判断备用电源自动投入的方式，分段备用电源自动投入原理框图如图2所示。

图2 分段备用电源自动投入原理框图

当两段400V母线正常分段运行且备自投功能正常投入时，分段备自投正常充电。如果400V Ⅰ母线进线开关QF1或者上级10kV开关QF5故障跳闸，400V Ⅰ母线失电压同时进线无电流，分段备自投装置动作跳开QF1，然后合上QF3，通过QF2继续对Ⅰ母负荷供电，保证负荷正常运行。Ⅱ母失电时的动作逻辑类似。

1.2 备自投闭锁功能

备自投装置在正常情况下能可靠保证负荷的有效供电，同时也引入一个问题，如果400V母线或者所带的负荷本身故障引起上级电源跳闸，此时备自投装置如果继续动作，则会造成备用电源继续合于故障，对故障负荷造成二次冲击，更严重的是造成备用电源跳闸导致全部负荷失电，所以对于保护动作造成开关跳闸的情况，需要将备自投装置闭锁，保证备自投装置可靠不动作。

备自投装置设置有专门的闭锁开入回路，在开入量的配置中可设定相应的延时，作为该开入量采集时的去抖时间，装置通过并用硬件滤波和软件去抖保证了开关量采集的准确性。备自投闭锁回路如图3所示。

图3 备自投闭锁回路

图3中，1ZJJ和2ZJJ分别是QF1和QF2的保护动作信号，LCU是监控系统开出的闭锁信号，P122触点是10kV开关QF5、QF6的保护动作信号。设计原本只考虑了400V进线开关跳闸和监控开出闭锁功能，未考虑10kV开关跳闸闭锁备自投动作功能。由于400V进线开关未配置接地保护功能，400V系统接地保护主要靠10kV侧开关的零序保护实现，故本次加入10kV开关的跳闸闭锁功能。

2 备自投闭锁试验

为了验证备自投装置在10kV保护装置跳闸动作后能否可靠闭锁，分别对QF5和QF6的保护装置加入零序电流，模拟接地故障进行验证。

2.1 试验前设备状态

试验前两段400V母线正常分段运行，QF1、QF2、QF5、QF6合闸，QF3分闸，400V母线电压均为400V，备自投装置充电正常。备自投装置和10kV保护装置部分定值分别见表1和表2，表1中的通信延时1即备自投闭锁开入防抖时间。

表1 备自投装置部分定值

表2 QF5、QF6保护装置部分定值

2.2 试验情况

1）手动分开QF5，备自投装置正确动作，延时5s分开QF1，再延时5s合上QF3。

2）恢复至试验前状态，手动分开QF6，备自投装置正确动作，延时5s分开QF2，再延时5s合上QF3。

以上两步说明备自投装置逻辑功能正常，手动分10kV开关后不闭锁备自投装置动作。

3）恢复至试验前状态，在QF5开关保护装置零序电流回路加入故障量1A，保持时间0.75s。QF5跳闸，400V Ⅰ母失电，备自投装置未动作，实现闭锁功能。

4）恢复至试验前状态，在QF6开关保护装置零序电流回路加入故障量1A，保持时间0.75s。QF6跳闸，400V Ⅱ母失电，备自投装置动作，延时5s分开QF2，再延时5s合上QF3，未实现闭锁功能。检查确认QF6开关保护装置相关配置和试验回路接线正常后，恢复至试验前状态并重复一次试验，仍未正确闭锁，试验不成功。

5）恢复至试验前状态，在QF6开关保护装置处短接至备自投装置的跳闸信号，再在QF6开关保护装置零序电流回路加入故障量1A，保持时间0.75s。QF6跳闸，400V Ⅱ母失电，备自投装置未动作，实现闭锁功能。

2.3 试验结果分析及验证

为了便于分析试验过程，将试验结果进行汇总，见表3。

表3 备自投闭锁试验结果

从表3可以看出，QF6保护跳闸后400V备自投未正确闭锁，主要原因是备自投装置未收到保护跳闸的闭锁信号，原因可能有以下几点：

1）10kV保护装置送备自投装置的闭锁触点未动作。通过保护装置校验已确认该触点能正确动作，本条原因排除。

2）10kV保护装置的故障时间不够，备自投装置未收到闭锁信号触点就已返回。将故障时间设置为1min，仍未正确闭锁，本条原因排除。

3）备自投装置闭锁开入触点防抖动时间过长，保护装置动作跳开QF6以后，备自投动作条件先于闭锁条件有效，无法实现闭锁功能。将闭锁开入触点防抖动时间由0.02s改为0.01s，恢复至试验前状态并重复一次试验，闭锁功能正常。

3 备自投闭锁功能配合分析

从以上试验结果看，备自投动作条件与备自投闭锁条件之间存在严格的时间配合关系，如果装置收到闭锁开入触点的时间晚于备自投动作条件满足的时间，则装置无法实现可靠闭锁，影响设备的安全运行。

从控制回路上看，10kV开关保护装置动作后，装置开出三对触点，分别用于上送跳闸信号、闭锁备自投装置、跳10kV开关，通过试验，这三对触点动作时间基本相同，误差不超过5ms。保护装置跳闸时间测试结果见表4。

表4 保护装置跳闸时间测试结果

保护装置动作后，闭锁触点闭合送至备自投装置，同时10kV开关跳开，这里需要考虑开关的分闸时间和备自投装置的闭锁开入触点防抖时间，如果开关分闸时间较短，而闭锁开入触点防抖时间过长，则开关分闸后400V母线失电，备自投装置检测出模拟量满足动作条件，此时闭锁信号仍无效，备自投会正常动作，不会闭锁。查阅10kV开关的试验报告，QF5与QF6的分闸时间存在一定差异。断路器分闸时间测试结果见表5。

表5 断路器分闸时间测试结果

根据《WBT 196D—I数字备用电源自动投入装置使用说明书》，开入量分辨率不大于2ms，模拟量运算时间不大于1ms。保护装置动作后，10kV开关跳闸，400V系统就会瞬时失电，保护跳闸触点动作时间加上开关分闸时间和模拟量运算时间就是备自投装置判断电压、电流条件是否满足的时间；同样，保护跳闸闭锁触点动作时间加上备自投装置开入量防抖时间和开入量辨认时间就是备自投装置判断闭锁条件是否满足的时间。

根据以上数据计算保护装置动作后，备自投装置采集到400V系统电压、电流模拟量和收到保护闭锁信号开关量的时间。备自投装置判断结果见表6。

表6 备自投装置判断结果

从表6可以看出，断路器的分闸时间在25ms左右，考虑到保护动作触点的时间差，若备自投装置开入量防抖时间设置为20ms，则备自投装置判断备自投动作条件和闭锁条件的时间很接近，容易出现保护装置动作后，备自投装置先判断动作条件满足的情况，从而导致闭锁不成功。将开入量的防抖时间由20ms减少至10ms，缩短备自投装置判断闭锁条件满足的时间，就可以可靠避免这种情况发生，通过试验也验证了这个理论判断。