現代水力發電廠要求其生產過程自動化采用計算機控制，為了實現這一要求，需要許多廠用機械和自動化監控設備及輔助設備為發電服務。因此，需要向這些電動機、自動化監控設備和照明供電，這種為電廠自用的供電系統稱為廠用電系統。

水電廠的重要機械及監控、保護、自動裝置等二次設備，允許電源中斷的時間僅為電源操作切換時間，它們停止工作后，會引起主機減少出力或停止發電，甚至可能使主機或輔助設備損壞。因此，大、中型水輪發電機組的自用電系統一般都分成兩段，各段電源相互獨立，而且兩段電源之間裝設有備用電源自動投入裝置，兩段電源互為備用，以提高供電的可靠性。

1 廠用電系統備自投運行情況

1.1 備自投工作原理

某電站機組400V配電系統采用兩段母線供電，分別取自不同的10kV變壓器，機組自用電主接線示意圖如圖1所示。

圖1 機組自用電主接線示意圖

圖1中，QF1為400V 1號進線開關，QF2為400V 2號進線開關，QF3為400V分段開關，QF5為10kV 1號進線開關，QF6為10kV 2號進線開關，3TV為Ⅰ母母線電壓互感器（PT），4TV為Ⅱ母母線PT，1BA為1號進線電流互感器（CT），2BA為2號進線CT，1BA0和2BA0為零序保護用CT。

備自投裝置型號是WBT196D—I，裝置能自動判斷備用電源自動投入的方式，分段備用電源自動投入原理框圖如圖2所示。

圖2 分段備用電源自動投入原理框圖

當兩段400V母線正常分段運行且備自投功能正常投入時，分段備自投正常充電。如果400V Ⅰ母線進線開關QF1或者上級10kV開關QF5故障跳閘，400V Ⅰ母線失電壓同時進線無電流，分段備自投裝置動作跳開QF1，然后合上QF3，通過QF2繼續對Ⅰ母負荷供電，保證負荷正常運行。Ⅱ母失電時的動作邏輯類似。

1.2 備自投閉鎖功能

備自投裝置在正常情況下能可靠保證負荷的有效供電，同時也引入一個問題，如果400V母線或者所帶的負荷本身故障引起上級電源跳閘，此時備自投裝置如果繼續動作，則會造成備用電源繼續合于故障，對故障負荷造成二次沖擊，更嚴重的是造成備用電源跳閘導致全部負荷失電，所以對于保護動作造成開關跳閘的情況，需要將備自投裝置閉鎖，保證備自投裝置可靠不動作。

備自投裝置設置有專門的閉鎖開入回路，在開入量的配置中可設定相應的延時，作為該開入量采集時的去抖時間，裝置通過并用硬件濾波和軟件去抖保證了開關量采集的準確性。備自投閉鎖回路如圖3所示。

圖3 備自投閉鎖回路

圖3中，1ZJJ和2ZJJ分別是QF1和QF2的保護動作信號，LCU是監控系統開出的閉鎖信號，P122觸點是10kV開關QF5、QF6的保護動作信號。設計原本只考慮了400V進線開關跳閘和監控開出閉鎖功能，未考慮10kV開關跳閘閉鎖備自投動作功能。由于400V進線開關未配置接地保護功能，400V系統接地保護主要靠10kV側開關的零序保護實現，故本次加入10kV開關的跳閘閉鎖功能。

2 備自投閉鎖試驗

為了驗證備自投裝置在10kV保護裝置跳閘動作后能否可靠閉鎖，分別對QF5和QF6的保護裝置加入零序電流，模擬接地故障進行驗證。

2.1 試驗前設備狀態

試驗前兩段400V母線正常分段運行，QF1、QF2、QF5、QF6合閘，QF3分閘，400V母線電壓均為400V，備自投裝置充電正常。備自投裝置和10kV保護裝置部分定值分別見表1和表2，表1中的通信延時1即備自投閉鎖開入防抖時間。

表1 備自投裝置部分定值

表2 QF5、QF6保護裝置部分定值

2.2 試驗情況

1）手動分開QF5，備自投裝置正確動作，延時5s分開QF1，再延時5s合上QF3。

2）恢復至試驗前狀態，手動分開QF6，備自投裝置正確動作，延時5s分開QF2，再延時5s合上QF3。

以上兩步說明備自投裝置邏輯功能正常，手動分10kV開關后不閉鎖備自投裝置動作。

3）恢復至試驗前狀態，在QF5開關保護裝置零序電流回路加入故障量1A，保持時間0.75s。QF5跳閘，400V Ⅰ母失電，備自投裝置未動作，實現閉鎖功能。

4）恢復至試驗前狀態，在QF6開關保護裝置零序電流回路加入故障量1A，保持時間0.75s。QF6跳閘，400V Ⅱ母失電，備自投裝置動作，延時5s分開QF2，再延時5s合上QF3，未實現閉鎖功能。檢查確認QF6開關保護裝置相關配置和試驗回路接線正常后，恢復至試驗前狀態并重復一次試驗，仍未正確閉鎖，試驗不成功。

5）恢復至試驗前狀態，在QF6開關保護裝置處短接至備自投裝置的跳閘信號，再在QF6開關保護裝置零序電流回路加入故障量1A，保持時間0.75s。QF6跳閘，400V Ⅱ母失電，備自投裝置未動作，實現閉鎖功能。

2.3 試驗結果分析及驗證

為了便于分析試驗過程，將試驗結果進行匯總，見表3。

表3 備自投閉鎖試驗結果

從表3可以看出，QF6保護跳閘后400V備自投未正確閉鎖，主要原因是備自投裝置未收到保護跳閘的閉鎖信號，原因可能有以下幾點：

1）10kV保護裝置送備自投裝置的閉鎖觸點未動作。通過保護裝置校驗已確認該觸點能正確動作，本條原因排除。

2）10kV保護裝置的故障時間不夠，備自投裝置未收到閉鎖信號觸點就已返回。將故障時間設置為1min，仍未正確閉鎖，本條原因排除。

3）備自投裝置閉鎖開入觸點防抖動時間過長，保護裝置動作跳開QF6以后，備自投動作條件先于閉鎖條件有效，無法實現閉鎖功能。將閉鎖開入觸點防抖動時間由0.02s改為0.01s，恢復至試驗前狀態并重復一次試驗，閉鎖功能正常。

?3 備自投閉鎖功能配合分析

從以上試驗結果看，備自投動作條件與備自投閉鎖條件之間存在嚴格的時間配合關系，如果裝置收到閉鎖開入觸點的時間晚于備自投動作條件滿足的時間，則裝置無法實現可靠閉鎖，影響設備的安全運行。

從控制回路上看，10kV開關保護裝置動作后，裝置開出三對觸點，分別用于上送跳閘信號、閉鎖備自投裝置、跳10kV開關，通過試驗，這三對觸點動作時間基本相同，誤差不超過5ms。保護裝置跳閘時間測試結果見表4。

表4 保護裝置跳閘時間測試結果

保護裝置動作后，閉鎖觸點閉合送至備自投裝置，同時10kV開關跳開，這里需要考慮開關的分閘時間和備自投裝置的閉鎖開入觸點防抖時間，如果開關分閘時間較短，而閉鎖開入觸點防抖時間過長，則開關分閘后400V母線失電，備自投裝置檢測出模擬量滿足動作條件，此時閉鎖信號仍無效，備自投會正常動作，不會閉鎖。查閱10kV開關的試驗報告，QF5與QF6的分閘時間存在一定差異。斷路器分閘時間測試結果見表5。

表5 斷路器分閘時間測試結果

根據《WBT 196D—I數字備用電源自動投入裝置使用說明書》，開入量分辨率不大于2ms，模擬量運算時間不大于1ms。保護裝置動作后，10kV開關跳閘，400V系統就會瞬時失電，保護跳閘觸點動作時間加上開關分閘時間和模擬量運算時間就是備自投裝置判斷電壓、電流條件是否滿足的時間；同樣，保護跳閘閉鎖觸點動作時間加上備自投裝置開入量防抖時間和開入量辨認時間就是備自投裝置判斷閉鎖條件是否滿足的時間。

根據以上數據計算保護裝置動作后，備自投裝置采集到400V系統電壓、電流模擬量和收到保護閉鎖信號開關量的時間。備自投裝置判斷結果見表6。

表6 備自投裝置判斷結果

從表6可以看出，斷路器的分閘時間在25ms左右，考慮到保護動作觸點的時間差，若備自投裝置開入量防抖時間設置為20ms，則備自投裝置判斷備自投動作條件和閉鎖條件的時間很接近，容易出現保護裝置動作后，備自投裝置先判斷動作條件滿足的情況，從而導致閉鎖不成功。將開入量的防抖時間由20ms減少至10ms，縮短備自投裝置判斷閉鎖條件滿足的時間，就可以可靠避免這種情況發生，通過試驗也驗證了這個理論判斷。

?4 結論

本文對某電站400V系統備自投裝置的工作原理和閉鎖邏輯進行了分析，結合相關的試驗數據，判斷出備自投裝置的開入信號防抖時間對備自投閉鎖功能的正確判斷有一定影響，必須要根據10kV或400V進線開關的分閘時間來合理設定備自投裝置的開入信號防抖時間，才能保證開關故障跳閘后正確閉鎖備自投裝置，防止備用電源合于故障點造成其他不利影響。

本文編自2021年第10期《電氣技術》，論文標題為“備自投閉鎖功能完善及試驗分析”，作者為孫大根。