本发明涉及火力发电行业的电气工程技术领域，特别是涉及考虑电动机群惰走特性的火电厂低压电源切换方法。
背景技术：
发电机组在启动、停运和故障掉闸时厂用电系统均需进行切换，以保证厂用电系统的安全可靠。过去厂用电切换常采用厂用电与备用电源的并列切换方式或手动停电切换方式，冲击电流大，对电网的安全构成一定威胁，而且操作繁琐，不利于生产的需要。随着技术的进步，高压厂用电源切换广泛应用了快速切换装置，可以在大部分情况下实现不停电切换，保证高压电源在切换时连续可靠运行；但低压厂用电源目前均采用备自投(明备用方式)或手动切换(暗备用方式)方式，仍然存在切换速度慢，切换时停电，冲击电流大等老问题。
根据《火力发电厂厂用电设计技术规定》(dl/t5153-2014)和《大中型火力发电厂设计规范》(gb50660-2011)的要求：“当备用电源采用暗备用的方式时，备用电源应手动投入”。国内300mw及以上大型火力发电厂一般按暗备用要求设计，双套辅机分别由成对出现的两台低压变压器(如脱硫变a和脱硫变b，化水变a和化水变b等)供电，当电源侧故障或低压母线失电时采用手动方式切换。但是手动切换的规定是因为带有大量低压电动机的低压厂用母线失电后，电动机群由于惯性惰走会在母线上产生反馈电压，与备用电源电压可能存在冲突，国内没有对考虑电动机群惰走特性下大型火电厂低压电源的自动切换过程进行详细研究，只能采取保守的手动切换方式。手动切换切换时间长，自动化程度低，切换过程中低压电动机会停电，影响机组安全运行。
随着电力系统安全自动装置的高速发展，出现了自动化水平高、技术成熟的低压厂用电快切装置，在石化等其他工业领域得到了一些应用，可以有效地解决手动方式在切换时切换速度和电源同期的配合问题，实现不停电自动快速切换。
海外电力工程也有很多业主要求火电厂低压电源实现备用电源不停电快速自动切换(以下简称快切)。但在国内电力行业，受制于保守的规范要求，低压快切装置并没有在300mw及以上大型发电厂得到应用。低压快切装置能否应用在大型发电厂中？切换过程中暂态过程是什么样的？自动切换有何风险如何规避？与现有的保护系统如何配合？与双套辅机之间的dcs切换时间如何配合？会对电厂工艺系统造成何种影响？这些问题都是亟待解决的。解决这些问题，一方面为海外项目安装低压快切和实现不停电切换提供技术支持，另一方面也为低压快切在我国电力系统的应用和规程规范的升版提供理论支持。这其中的核心问题就是研究切换过程电气暂态过程分析，主要是低压电动机群惰走暂态过程。
综上所述，现有技术中对于火电厂低压电源不停电切换问题，尚缺乏有效的解决方案。
技术实现要素：
为了解决现有技术的不足，本发明提供了考虑电动机群惰走特性的火电厂低压电源切换方法，本发明的方案考虑了低压厂用电动机群惰走特性、快速切换原理、双套电源电气快速切换装置与热控dcs切换时限配合、双套电源电气切换与低电压保护跳闸时限配合、交流回路低电压穿越、继电保护的要求，为一种囊括多因素的有效设计方法，将目前大型火力发电厂常规采用的事故情况下电源手动切换方式改为自动不停电快速切换方式，满足大型火力发电厂低压厂用电持续供电的要求。
考虑电动机群惰走特性的火电厂低压电源切换方法，包括以下步骤：
步骤一：仿真低压电动机群惰走特性：仿真失电后母线电压衰减波形和切换波形，继而得到母线失电后电动机群惰走时母线上的反馈电压，以及母线残压与备用电压之间的幅值相角差；
步骤二：根据步骤一中仿真的低压电动机群惰走特性，针对每一对变压器选择不停电切换使用的切换原理对应的方法；
步骤三：根据不停电切换使用的切换原理对应的方法，针对每一对变压器使低压电源不停电切换时间和热控dcs双套辅机切换时间相配合；
步骤四：若采用同时切换原理时，针对每一对变压器确定低压电源不停电切换和低电压保护相配合，否则，dcs双辅机切换并延时后针对每一对变压器确定低压电源不停电切换和低电压保护相配合；
步骤五：若快切时间小于低电压保护时间，则针对每一对变压器确定低压电源不停电切换和低电压穿越的配合，否则，修改低电压保护时间后再针对每一对变压器确定低压电源不停电切换和低电压穿越的配合；
步骤六：针对每一对变压器调整继电保护配置方案：调整后的继电保护方案必须保证10kv电缆和变压器故障时快切装置可以启动，切换电源，同时必须在380v母线故障时闭锁快切，防止正常电源切到故障上，导致两台变压器全部停电，影响机组运行；
步骤七：根据步骤一的仿真结果，对每一对变压器重复步骤二到步骤六，确定全厂低压电源不停电快速切换方案。
进一步的，所述步骤一中具体为：确定本电厂不同低压厂用pc段上所带电动机负荷的情况，在仿真软件平台上建立低压厂用电源暂态模型，仿真每段母线突然失电后电压衰减的时域特性，得到低压电动机群惰走特性。
进一步的，所述步骤二中，针对每一对变压器选择不停电切换使用的切换方法，具体为：电动机群残压衰减慢的母线，在失电0.1秒母线残压与备用电源角度相差小于60度，可以用同时切换原理的快切装置实现不停电切换；电动机群残压衰减快的母线，在失电0.1秒母线残压与备用电源角度相差大于60度，可以用残压切换原理的快切装置实现不停电切换。
进一步的，所述步骤三中，若不停电切换能够采用同时切换原理，则热控dcs切换无需修改；若不停电切换采用残压切换原理，则热控dcs切换需加延时再判断措施，保证两种切换不冲突。
进一步的，所述步骤四中，考虑电厂不同低压pc段上电动机低电压保护要求，切换过程中根据电动机惰走曲线，判断i类和ii类电动机低压电源不停电切换时间是否小于低电压保护动作时间，小于则说明低电压保护与不停电切换互不影响，否则需调整低电压保护动作时间。
进一步的，所述步骤五中，根据交流回路保护元件特点，采用不同的低电压穿越手段，最终选择的低电压穿越手段要能够满足不停电切换的要求，保证切换完成后电动机不因短时低电压而掉电。
进一步的，所述步骤五中，当采用热继电器进行保护的回路，可采用接触器线圈直流吸合加专用低电压保护的手段，或抗晃电继电器手段；当采用马达保护器进行保护的回路，可采用马达保护器抗晃电+失电自启动+失电重启动的手段、抗晃电接触器手段或直流吸合接触器线圈手段。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的效果为用较小的投资将快速切换装置融入现有的低压保护控制系统，实现大型火电厂低压电源事故情况下不停电切换，改变了现有火电厂低压电源切换依靠手动切换带来的自动化程度低、影响机组连续运行的缺点。同时该发明将提高我国电厂设计和总承包工程在国际市场的竞争力，为我国电力企业占领国际市场提供基础性的技术支持。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明的流程图；
图2为脱硫母线失电残压与备用母线电压曲线图；
图3脱硫母线残压与备用电源电压相角差；
图4备用母线与失电残压的差拍电压；
图5交流电动机回路典型接线；
图6保护配置图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在火电厂低压电源不停电切换问题不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了考虑电动机群惰走特性的火电厂低压电源切换方法。
本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，提供了考虑电动机群惰走特性的火电厂低压电源切换方法，包括以下步骤：
步骤一：利用仿真软件仿真低压电动机群惰走特性。确定本电厂不同低压厂用pc段上所带电动机负荷的情况，在仿真软件平台上建立低压厂用电源暂态模型，仿真每段母线突然失电后电压衰减的时域特性，得到低压电动机群惰走特性。
本步骤是最重要的一步，也是基础性的一步。单个低压电动机失电后，为保持电动机内磁场能量不跃变，转子回路中会产生瞬时感生电流，抵消定子电流消失引起的磁通变化以维持磁通不突变，这一电流按转子绕组时间常数t(由电动机转子的漏感对电阻的比值决定)衰减，其产生的磁场，相对定子绕组以转子转速旋转，在定子绕组中感生出电动势，即感应电动机的失电残压。连接在同一母线上的电动机群失电后，各台电动机由于功率、转动惯量、负载特性不一样，导致电动机感应出的失压残压不一样，转动惯量大、功率大的电动机失电残压高，衰减时间长，在电动机群中扮演异步发电机的角色，将惯性转变为电磁能量。转动惯量小、功率小的电动机失电残压低，衰减时间短，在电动机群中扮演异步电动机的角色，将低压系统中的电磁能量转变为自身损耗的热量。这个能量交换过程就叫做电动机群的惰走特性。可见，电动机群惰走特性是由电动机群的特点决定的，每段低压母线由于低压负荷不同，电动机群惰走特性也不一样，电动机群的惰走特性决定了母线失电后母线残压衰减的角度幅值变化情况，而母线电压失电后的角度幅值变化情况直接决定了备用电源不停电投入的时间及方式，进而决定了电厂中现有的dcs切换、低电压保护、低电压穿越能否与备用电源不停电快速切换顺利配合。
如何得到电动机惰走特性，对于单个电动机可采用电机学公式进行推倒，但对于电动机群，如果采用电机学公式推导则需要求解大量高阶微分方程组，最好的办法还是利用国际通行的仿真软件如etap，digsilent等进行仿真，这种方法更加高效准确。仿真过程中需获取每段母线上电动机数量和容量、运行工作制、每台感应电动机转动惯量、极对数、最大转矩、堵转转矩、定子电阻、定子漏抗、转子电阻等参数信息，在仿真软件中建立模型，模拟本段母线失电得到电动机群惰走特性。步骤二到步骤五也是在步骤一仿真结果上确定的。
步骤二：针对每一对变压器选择不停电切换使用的切换原理。根据电动机群惰走特性和母线残压衰减情况，电动机群残压衰减慢的母线，在失电0.1秒母线残压与备用电源角度相差小于60度，可以用同时切换原理的快切装置实现不停电切换；电动机群残压衰减快的母线，在失电0.1秒母线残压与备用电源角度相差大于60度，可以用残压切换原理的快切装置实现不停电切换。以上两种方法都可以快速的将电源切换至备用电源，不停电或仅短时电压降后恢复供电，至于其他常用的切换方法，如捕捉同期切换和长延时切换，并不适合低压系统使用，故不再推荐使用。
步骤三：针对每一对变压器研究低压电源不停电切换和热控专业dcs双套辅机切换的配合。大型火电厂部分机械为双套配置，当发生故障时热控专业dcs会启动另一套机械，可能会与低压电源不停电切换产生冲突。要研究电厂热控专业dcs系统切换逻辑和热控专业dcs系统切换的时间与电气专业双套电源切换时间的配合。一般来说dcs根据一套辅机接触器跳闸状态来启动另一套辅机，耗时在400ms左右，以上数据会根据dcs厂家的不同而有所差异。若不停电切换能够采用同时切换原理，则热控dcs切换无需修改；若不停电切换采用残压切换原理，则热控dcs切换需加延时再判断措施，保证两种切换不冲突。
步骤四：针对每一对变压器研究低压电源不停电切换和低电压保护的配合。确定电厂不同低压pc段上电动机低电压保护要求，切换过程中根据电动机惰走曲线，研究i类和ii类电动机低压电源不停电切换时间是否小于低电压保护动作时间，小于则说明低电压保护与不停电切换互不影响，否则需与业主商议，调整低电压保护动作时间。
步骤五：针对每一对变压器研究低压电源不停电切换和低电压穿越的配合。根据交流回路保护元件特点，采用不同的低电压穿越手段，如采用热继电器进行保护的回路，可采用接触器线圈直流吸合加专用低电压保护的手段，或抗晃电继电器手段，如采用马达保护器进行保护的回路，可采用马达保护器抗晃电+失电自启动+失电重启动的手段、抗晃电接触器手段或直流吸合接触器线圈手段。最终选择的低电压穿越手段要能够满足不停电切换的要求，保证切换完成后电动机不因短时低电压而掉电。
步骤六：针对每一对变压器调整继电保护配置方案。调整后的继电保护方案必须保证10kv电缆和变压器故障时快切装置可以启动，切换电源，同时必须在380v母线故障时闭锁快切，防止正常电源切到故障上，导致两台变压器全部停电，影响机组运行。为此，变压器10kv侧综保f01内差动保护87、电流速断保护50、过流保护51和变压器温度保护49来启动快切，过负荷保护26不启动快切，如保护出口不能分开也可启动快切后靠380v进线保护进行闭锁。变压器380v进线侧加装电流速断保护50和380v瞬时接地故障保护50n来闭锁快切。变压器380v进线侧加装接地故障保护51n来作为配电系统其余部分的后备接地保护，不闭锁快切也不启动快切。母联限时速断保护和10kv综保内的限时速断保护必须有时限配合，母联限时速断比10kv综保内的限时速断多一个时限。以上配置方式简单可靠，比传统方式更改小，容易实现。
步骤七：根据步骤一的仿真结果，对每一对变压器重复步骤二到步骤六，确定全厂低压电源不停电快速切换方案。根据以上六个步骤总结出适合该电厂的低压厂用系统不停电切换和持续供电方法，应用在工程设计中。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例与对比例详细说明本申请的技术方案。
以某大型火力发电厂低压厂用电源不停电切换供电系统设计为例,详解本技术方法:
电厂基础资料:电厂容量2*1000mw，厂用低压系统为暗备用，即供电变压器为两台互为备用的变压器，两台变压器低压pc母线上设有母联断路器。成对出现的变压器有锅炉变ab、汽机变ab、脱硫变ab、水务中心变ab、公用变ab、脱硝变ab、等离子变ab等。
dcs具有双套辅机自动切换逻辑，判断根据为接触器辅助节点返回，耗时在400ms左右；i类电动机低电压保护动作时间9s，ii类电动机低电压保护动作时间0.5秒；采用马达保护器作为回路保护手段。
低压厂用电源不停电切换方案确定方法:
步骤一:选择etap12.5版本仿真软件软件，根据该电厂负荷情况，仿真母线失电后电动机群惰走时母线上的反馈电压，以及母线电压与备用电压之间的幅值相角差，分析投入备用电源存在的风险。在发电厂中，工作电源断开后，因有大量感应电动机群接在母线上，原来积存在电动机绕组和电枢中的能量不可能立即消失，因此母线上的电压及其频率不会随时间变化而迅速衰减。对于低压电动机群来说，电动机里由于磁场能量、机械惯量都很小，所以电压下降很快，一般经过数百毫秒(甚至更短)就能降至25％额定值以下。以脱硫pc为例，经过etap软件仿真，1s时刻断电后电压衰减情况如图2-4所示，残压与备用母线部分数据如表1所示：
表1
由以上数据和图表可以看出，脱硫母线在1s失电后，在3.2s电压基本降为零，且在1.1s时刻，脱硫母线残压与备用母线的电压相角差为50°，小于60°，且在固有合闸时间内，残压母线的频差小于1hz，此时残压为71.5％额定电压，基本满足快速切换的基本条件，但当1.376s残压与备用母线的相角差第一次过零点左右时，此时差拍电压大约为50.8％额定电压，差拍电压较小，但是残压幅值已经降到48.2％的额定电压，此时电压幅值比较小，在实际中，应该考虑电动机的低压保护和断路器的脱扣电压，实际工程中，可能实现同期捕捉切换之前，部分感应电动机会被迫切除。在1.501s时，残压幅值下降到40％额定电压以下，即可以实现残压切换。
该电厂主要母线段电压衰减情况如下表2：
表2各母线上母线电压衰减情况表
步骤二：根据以上结果，脱硫变ab、水务中心变ab由于电动机容量大，采用同时切换原理，为保险起见增加残压切换作为同时切换不成功的备用；其他变压器所带电动机容量小，使用残压切换。
步骤三：向本电厂dcs厂家索取dcs热工切换时间，根据步骤一仿真结果对每一对变压器失电后电压衰减时间进行分析，如果达到不停电切换条件的时间长，与dcs热工切换时间有冲突，则需要采取措施。仍以脱硫变ab为例，失电后0.1s具备第一次快切条件，残压71.5％，接触器不跳开，dcs双套切换不启动，可不考虑dcs切换与电源切换之间的配合。对于脱硝变，电动机容量小，失电后电动机群反馈电压衰减快，低电压穿越措施允许接触器短时断开，热控dcs切换逻辑会启动，同时dcs受母管压力低信号作用也可能启动备用泵，但备用泵与工作泵同时启动风险危害较小，且可以通过运行人员手动停泵来解决，也可要求dcs厂家在dcs双套辅机切换逻辑中加延时再判断予以解决。
步骤四：低电压保护要求电源断电时间不得大于0.5秒，若大于0.5秒则ii类负荷和iii类负荷必须断电。根据步骤一仿真结果对每一对变压器失电后电压衰减到低电压保护动作电压的时间和快切动作波形进行分析，如果大于低电压保护动作时间则需要采取措施。该大型火力发电厂中绝大部分电动机都是i类负荷或ii类负荷。根据步骤一的仿真结果，电动机容量大的脱硫变ab、公用变ab、汽机变ab、水务中心变ab可以在0.2秒内实现快速切换，其余变压器低压pc电压衰减快，可以在0.4秒内实现残压切换，均可以在低电压动作时间0.5秒前完成切换，低电压保护不会动作，不用采取措施即可保证厂用电系统连续供电和电动机的持续运行。
步骤五：低电压穿越是指电厂在外部原因导致的厂用电电压突然降低情况下，厂内电动机回路要有保持接触器不断开的措施，待电压恢复后能够迅速自启动恢复工作状态，避免机组停机。普通电动机回路的低电压穿越方法有很多种，抗晃电接触器具有延时释放的功能，具有两个线圈，内部的储能线圈可以保证在电压暂时降低的情况下接触器不分闸；接触器直流吸合方案在西门子设计的机组中经常见到，优点是直流电源不受交流切换影响，缺点是加装单独低电压保护装置和电缆费用较大；采用马达保护器抗晃电+失电自启动+失电重启动的手段只需要采用有以上功能的马达保护器即可，外部设备无需增加，优点是造价低，缺点是保持接触器的能力不如上述两种方法，可能存在短时断开的情况。该大型火力发电厂采用马达保护器实现回路的保护功能。经过研究和与业主的商议，决定采用马达保护器抗晃电+失电自启动+失电重启动的手段，经分析该手段可以保证低电压穿越设计和电源不停电切换功能互不影响，且造价低，设备简单。回路典型接线如图5所示。
步骤六：调整传统继电保护配置方案，满足不停电切换装置的配合要求。以脱硫变ab为例，传统手动切换方案下380v进线侧保护f03不装设，f03中的相间速断保护50不装设，瞬时接地故障保护50n和接地过流保护51n装设在10kv侧综保f01中。为了满足不停电电源切换装置的要求，根据前述原则，10kv综保f01中的所有保护动作启动快切，380v侧综保相间速断保护50和瞬时接地故障保护50n闭锁快切，接地过流保护51n不闭锁也不启动快切。常规保护配置做这些更改后才能与快切装置实现良好的配合。保护配置如图6所示。
步骤七：根据步骤一的仿真结果，对每一对变压器重复步骤二到步骤六，确定全厂低压电源不停电快速切换方案。在变压器低压侧pc上加装低压快速切换装置，脱硫变ab、水务中心变ab采用同时切换原理+残压切换原理，其余变压器低压段采用残压切换原理。该电厂电气专业双套电源切换与热控专业双套辅机dcs切换、低电压保护不存在矛盾，低电压穿越保持接触器措施采用马达保护器抗晃电+失电自启动+失电重启动手段，调整继电保护配置。以此研究结果为基础编制该厂厂用电不停电切换设计原则，保证电厂低压厂用电源实现不停电切换。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。