电源快切装置在天然气净化厂变电站的应用研究.pdf

第41卷第4期UTILITIES公用工程113电源快切装置在天然气净化厂变电站的应用研究朱涛陈俊宏开邢鹏飞朱?伟徐文强1中国石油西南油气田公司川西北气矿，四川江油2中国石油西南油气田公司，四川成都6 10 0 17摘要：天然气净化厂变电站多采用双回电源供电和单母线分段接线，运行方式多为1路电源带1台变压器运行，另1路电源带1台变压器热备用，电源切换多采用电源快切装置。2 0 2 1年12月2 0 日某天然气净化厂35kV变电站主变压器差动保护动作跳闸时，发生电源快切装置拒动事故，天然气净化厂35kV变电站停电11min，导致天然气净化厂发生非计划性停产，经济损失较大。通过研究电源快切装置动作原理，检测变电站电源快切装置接线和定值，发现电源快切装置备用电源进线电压互感器二次回路接线端子虚接，导致备用电源进线电压测量值偏低，引起电源快切装置发生误判而拒动；同时发现天然气净化厂35kV变电站进线电压互感器接线和电源快切装置功能存在缺陷，提出了电压互感器接线优化和电源快切装置功能完善的改造方案。对电源快切装置拒动事故分析和应用研究，可指导天然气净化厂35kV变电站自动装置的运维管理，提升天然气净化厂35kV变电站自动装置的动作准确性和天然气净化厂供电可靠性。关键词：单母线；分列运行；失压启动；快速切换；同期捕捉切换D0I:10.3969/j.issn.1006-5539.2023.04.017Application and analysis of power supply fast switching deviceZHU Tao,CHEN Junhong,XING Pengfei,ZHU Wei,XU Wenqiang,LI Taol1.Northwest Sichuan Gasmine of PetroChina Southwest Oil and Gasfield Company,Jiangyou,Sichuan,621700,China;2.PetroChina Southwest Oil and Gasfield Company,Chengdu,Sichuan,610017,ChinaAbstract:The substations of natural gas purification plants often utilize dual circuit power supply andsingle bus segmented wiring.The usual operation mode involves one power supply with one transformer foroperation,and the other power supply with another transformer for hot standby.The power supply switchingcommonly utilizes power supply fast switching devices.On December 20,2021,when the differentialprotection of the 35 kV main transformer in a natural gas purification plant tripped,the power supply fastswitching device failed to operate,resulting in an 1l-minute power outage in the purification plantsubstation.This led to an unplanned shutdown of the natural gas purification plant and significant economiclosses.By studying the operation principle of the power supply fast switching device,checking the wiringand setting value of the power supply fast switching device in the substation,it is found that the secondary李桃1621700;in gas purification plant substation收稿日期：2 0 2 3-0 2-15基金项目：中国石油西南油气田公司科研项目“川西北气矿新建净化厂供用电分析及优化措施研究”（2 0 2 10 30 5-15）作者简介：朱涛（197 7-）,男，四川南充人，高级工程师，学士，主要从事油气田供配电系统研究和技术管理工作。E-mail：z h u_tao 天然气与石油1142023年8 月NATURALGAS AND OILcircuit wiring terminal of the standby power supply incoming line voltage transformer of the power supplyfast switching device was loose and improperly connected.This resulted in a low measurement voltage of thestandby power supply incoming line,causing the power supply fast switching device to misjudge and fail tooperate.Additionally,the research found defects in the wiring of the incoming voltage transformer and thefunctionality of the power supply fast switching device in the substation.A transformation scheme wasproposed to optimize the wiring of the voltage transformer and improving the functionality of the powersupply fast switching device.Through the analysis and application research of power supply fast switchingdevice failure accident,this study can guide the management of operation and maintenance of substationautomation devices,improve the accuracy of the 35 kV substation automation device operation,andenhance the reliability of power supply in natural gas purification plant.Keywords:Single bus;Separate operation;Voltage loss startup;Fast switching;Synchronouscapture switching回收硫磺，液体硫磺输送到硫磺成型及装车设施成型；0前言随着国家“双碳”目标的推进，中国对天然气的需求量快速增加，开采含硫天然气是必然选择，但商用天然气对H,S、CO 2 含量有严格要求，含硫天然气需要净化处理。天然气净化厂主要进行含硫天然气净化处理，脱除原料气中H,S、有机硫等有害物质，输出洁净、优质的天然气，并利用脱除的含硫化合物生产硫磺。天然气净化厂主要工艺装置包括天然气脱硫装置、脱水装置、硫磺回收装置、尾气处理装置；配套系统包含变配电系统、锅炉供热系统、循环供水系统、空氮系统、污水处理系统、硫磺成型系统、火炬及放空系统等1-7 。某天然气净化厂主要工艺原理为原料气在天然气净化厂内经甲基二乙醇胺法脱硫、三甘醇法脱水后处理成净化天然气外输；脱硫装置酸气进人克劳斯回收装置尾气经斯科特尾气处理装置处理后达标排放。根据脱硫工艺运行需要，天然气净化厂脱硫装置的贫液循环泵掉电时间超过3s或贫液流量低于10 0 0 0 kg/h的时间超过7 s，安全仪表联锁系统将联锁天然气净化厂装置停运，含硫天然气将被紧急放空燃烧，废气排放较多，经济损失较大，且生产恢复时间较长，特殊情况还可能发生安全事故,因此天然气净化厂对供电可靠性要求较高01天然气净化厂供配电现状天然气净化厂用电负荷等级为二级负荷，配套建有35kV无人值守变电站1座；主变容量2 2 50 0 kVA，配变容量2 2 0 0 0 kVA，主接线为单母线分段接线。天然气净化厂35kV变电站主接线见图1（图中数字序号为开关编号）。35kV姚双线8-1035kV剑双线35135kVI段母线4H&H30131831213123283016HH&HHI4HHH一35235kVI段母线个302个3028H&HIHI1号主变压器中901号10kVI段母线个91191291391491591690189101HH虹4H8HHI中中1号3号I段净双线1号1号I段PT隔离柜变压器配电变电容器出线架空备站用变备用柜用柜出线图1天然气净化厂35kV变电站主接线图Fig.1 Main wiring diagram of 35 kV substation in gas purification plant2号主变压器中8-中10kVI段母线个-9109028921922923924925 926HYHHIHI工中个H&HIHHHIHI主母联柜段PT4号配电变变压器电容器出线出线架空备用柜备用柜虹H5工HI中2号段净水线净云线2号HII第41卷第4期UTILITIES|公用工程115天然气净化厂35kV变电站供电电源为2 路35kV电源切换应采用具有电压幅值、相位和频率高精度跟踪架空线路,其中主供电源为35kV剑双线，由国家电网计算功能的电源快切装置，其快速切换最长时间为0.2 s110kV某变电站直供，接线方式为放射式；备用电源为（含断路器的分合闸时间），同期捕捉切换最长时间为35kV姚双线，由国家电网35kV某变电站转供，接线方0.7s,残压切换最长时间为1.5s，电源切换时间低于天式为手拉手接线。然气净化厂机泵抗晃电闭锁时间（2 s）和脱硫装置的贫目前，天然气净化厂35kV变电站运行方式：35kV剑液循环泵掉电允许时间（3s）,因此电源切换后机泵可自双线和2 号主变压器（以下简称主变）处于运行状态,35kV行再起动，不会触发安全仪表系统联锁天然气净化厂装姚双线和1号主变处于热备状态。10 kV进线90 2 和母联柜置停运。910开关为合闸状态，10 kV进线90 1开关为分闸状态。电源快切装置工作原理主要为监测母线电压、进线天然气净化厂35kV变电站继电保护配置：主变主电压、进线电流实时数据和开关位置状态，逻辑判断主保护为差动保护和瓦斯保护，后备保护为复压过流保备电源的工作状态，当工作电源发生事故、异常或晃电护；配电变压器保护为过流I段、过流段、过流段和时，跳开工作电源进线开关，合上母联分段开关或备用瓦斯保护；电源进线配有过流段和过流段保护；电源进线开关，投入正常热备电源，实现主备电源同期10kV架空出线保护为过流I段和过流段保护。无冲击快速切换 I-13 10kV进线及分段开关配有电源快切装置。电源快切装置切换类型分为正常切换、事故切换和异常切换。正常切换为双向切换（主备互切），动作类型2变电站事故分析分为并联切换（先合后分）、串联切换（先分后合）和同时2021年12 月2 0 日0 8：2 6，气矿电力调控中心监控切换（边合边分）；事故切换、异常切换为单向切换（主跳后台事故报警，某天然气净化厂35kV变电站2 号主变备投），动作类型为串联切换（先分后合）或同时切换（边差动保护动作，30 2、90 2 开关跳闸，35kV剑双线352 开合边分）【14-17 。启动方式分为手动启动（远方/就地）、关过流段保护动作跳闸；但变电站10 kV电源快切装变位启动和失压启动等。切换方式为快速切换、同期捕置拒动，天然气净化厂35kV变电站热备电源35kV姚捉切换、残压切换和长延时切换。双线和1号主变未能自动投人，发生全站失电事故，天然电源快切装置具备断路器异常、PT断线、目标电源气净化厂因失电发生非计划性停产。异常、相角补偿、故障报警和闭锁切换等功能。装置频通过故障录波数据分析，天然气净化厂35kV变电率定值误差0.0 3Hz,相位定值误差1,电位定值误站主变电源侧首先发生A、B两相短路，间隔10 ms后故差2.5%，电流定值误差2.5%，时间定值误差1%，障进一步发展为三相接地短路，间隔6 5ms后30 2、90 2快速切换动作时间15ms,对时误差1 ms,事件顺序开关跳闸，故障成功切除。记录分辨率2 ms。根据保护动作信息和故障录波数据，初步判定事故为2 号主变发生内部短路接地故障，停电后对2 号主变进行检查，发现主变35kV侧母线槽铜排绝缘支撑横担底座上有明显的三相相间放电灼烧痕迹，进一步对变压器本体进行检查后，判断停电直接原因为35kV侧母线槽铜排绝缘支撑横担表面受潮，导致35kV侧母线槽铜排发生相间短路。3电源快切装置工作原理可靠连续供电是天然气净化厂稳定生产的基本条件，2 路电源间的快速切换是保障供电连续的重要措施。传统备自投装置主要通过检测母线残压幅值，实现母线低残压电源切换，切换时间较长，冲击电流较大，难以满足天然气净化厂溶液循环泵的工艺联锁要求。为实现电源快速无扰动切换，天然气净化厂35kV变电站主备4电源快切装置拒动分析天然气净化厂35kV变电站10 kV电源快切装置定值参数中接线方式为单母分段接线，切换方式为进线1、进线2 和母联3互投；正常切换启动方式为就地手动启动，事故切换启动方式为失压启动和变位启动，保护启动、无流启动等退出；动作类型为串联切换；切换方式为快速切换、同期捕捉切换、残压切换投入，长延时切换退出。电源快切装置切换功能见表1。电源快切装置失压启动切换的判定条件为备用电源有压、进线无流和母线失压，且充电完成，否则将闭锁切换；变位启动切换的判定条件为备用电源有压、进线无流和工作电源进线开关在分位，且充电完成，否则将闭锁切换。天然气与石油1162023年8 月NATURALGAS ANDOIL表1电源快切装置切换功能表Tab.1 Switching function of power supply fast switching device切换类型正常切换事故切换和异常切换启动方式就地手动启动失压启动、变位启动动作类型串联切换串联切换切换方式快速切换、同期捕捉切换、残压切换快速切换、同期捕捉切换、残压切换电源快切装置失压启动定值为7 5V（启动延时为0.1s）,无流定值为0.0 5A；备用电源有压定值为8 0 V,过流闭锁定值为4A（电流互感器变比2 0 0：5）；断路器合闸时间为0.0 5s。电源快切装置事故切换合闸定值见表2。分析电源快切装置切换逻辑、定值参数，初判电源快切装置未能动作的主要原因为失压或变位启动逻辑判定条件不足。调看电源快切装置的事故报文数据分析，发现电源快切装置报警1号主变出线无压，电源快切装置闭锁切换合闸出口，因此10 kV侧电源快切装置拒动，未能投入备用电源；电源快切装置在母线失压5s报切换方向1-3切换方向3-2切换方向1-2UL2 3切换方向3-1切换方向2-1UL1定值_有压定值图2 电源快切装置备用电源失压报警逻辑图Fig.2 Logic diagram of standby power loss alarm for power supply fast switching device注：图中数字和符号组合为逻辑关系符号变电站事故前运行方式为35kV剑双线+2 号主变5电源快切装置缺陷分析带10 kV侧I段和段母线运行,35kV姚双线+1号主变热备用；当2 号主变故障切除时,10 kV侧I段和段母线失压，2 号主变出线无流，90 2 开关跳闸，满足电源快切装置失压启动和变位启动逻辑判定条件。因此，电源快切装置拒动原因应为二次接线，通过检查电源快切装置二次回路，母线电压、进线电压和进线电流接线均正确，但发现9 0 1开关进线电压互感器端子排接线端子虚接，测量二次回路电压数据低于8 0 V，紧固接线端子后，测量二次回路电压数据约9 8 V，且通过手动分闸30 2 开关后，电源快切装置切换成功，未报警1#主变进线失压，故障排除。综上数据判定，本次变电站事故应为电源快切装置备用电源进线电压互感器二次回路接线端子虚接，造成进线电压测量值偏低，导致电源快切装置误判备用电源失压，闭锁电源快切装置动作，导致天然气净化厂发生非计划性停产。后备电源失压，并启动放电逻辑。电源快切装置备用电源失压报警逻辑见图2。表2 电源快切装置事故切换合闸定值表Tab.2SSetting values for emergency switching and closing ofpower supply fast switching device切换方式快速切换同期捕捉切换一残压切换25%1&1&电压百分比频率/Hz一1.510.0一1t变电站事故虽为备用电源进线电压互感器二次回路接线端子虚接引发，但在分析电源快切装置逻辑过程中，发现电源快切装置缺少进线电压互感器断线或虚接等异常电压检测功能。当进线电压互感器高压侧一次熔断器或低压侧二次熔断器熔断，且电压互感器二次回路接线端子虚接时，电压互感器不能进行电压异常报警，无人值守变电站将带病运行；同时变电站进线电压互感器采用单相接线存在缺陷，因不能采集三相电压，进线电压互感器不能提供区分进线电压互感器断线、系统单相接地、电源缺相等故障的不对称电压特征参数，变电站工作电源失电后，电源快切装置将因进线电压互感器断线发生拒动，不能投入备用电源，直接影响变电站连续运行。为解决上述问题，结合进线电压互感器断线、系统单相接地、电源缺相具有不同的不对称电压特点，拟将相位）交延时/s30一20一一0.5后备失电第41卷第4期UTILITIES公用工程117变电站10 kV侧进线电压互感器单相接线调整为三相星型接线，将原进线单相电压监测调整为相电压、线电压、不对称电压监测；同时要求电源快切装置厂家完善进线电压互感器断线异常检测功能，更换电源快切装置电压采样输人模块，将原进线单相电压采样调整为三相电压采样，电源快切装置内部软件自动完成相电压、线电压、不对称电压计算，当正序电压 0.0 4In(In为额定二次电流）或负序电压 8 V时，延时5s发出进线电压互感器断线报警，以提升无人值守变电站电压回路监视水平。35kV剑双线为国网110 kV某变电站直供架空专线，供电可靠性较高，国网调度中心批准其为天然气净化厂35kV变电站的主供电源；而天然气净化厂35kV变电站采用2 号主变单台运行，1号主变为热备用；当2号主变故障、1号主变投入时，低压侧大量电动机自起动导致母线电压偏低18-2 2 ，容易引发主变过流跳闸或机泵用接触器失压脱扣。因此，为提高变电站供电可靠性，推荐天然气净化厂35kV变电站采用35kV剑双线+1号、2 号主变同时运行；同时为避免35kV剑双线故障时天然气净化厂35kV变电站失去电源切换功能，电源快切装置应布置在35kV进线侧。6结论通过对电源快切装置工作原理、动作逻辑、动作定值和二次回路接线进行分析，发现电源快切装置拒动的直接原因是某备用电源进线电压互感器二次回路接线端子虚接,造成备用电源进线电压测量值偏低，影响了电源快切装置动作正确性；间接原因为二次回路接线检查不仔细，未及时发现接线端子虚接问题。后期应加强对施工单位和运维单位监管，重视二次回路接线质量和巡检质量，及时发现和解决问题，努力提高变电站运行可靠性。同时，事故分析过程中发现变电站进线电压互感器接线和电源快切装置逻辑功能存在缺陷，结合现场情况，提出了调整优化进线电压互感器接线和增加电源快切装置进线电压互感器断线检测报警功能的解决方案。电源快切装置作为变电站中重要的自动装置，是提高供电可靠性的有效手段,其可靠准确动作对于天然气净化厂连续稳定生产十分重要。通过分析研究天然气净化厂35kV变电站电源快切装置拒动事故，可提升变电站自动装置的运维管理水平，避免因电源快切装置电流、电压等数据采集错误而导致变电站停电事故，显著提高了变电站的供电可靠性，有助于天然气净化厂连续稳定生产。参考文献：1】罗小武.天然气净化工艺技术研究与应用J.天然气与石油,2 0 0 6,2 4(2):30-34.LUO Xiaowu.Research and application of natural gaspurification technology J.Natural Gas and Oil,2006,24(2):30-34.2刘家洪,康智,周平，等.高含硫天然气净化厂设计特点J.天然气与石油,2 0 0 6,2 4(3）：52-54.LIU Jiahong，K A NG Zh i，ZH O U Pi n g，e t a l.D e s i g ncharacteristics of high sulfur natural gas purification plantJ.Natural Gas and Oil,2006,24(3):52-54.3郭子龙，黄朝齐.大竹天然气净化厂建设优化及存在问题分析J.天然气与石油,2 0 0 9,2 7(6):33-37.GUO Zilong,HUANG Chaoqi.Construction 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