【摘 要】為了滿足工業(yè)企業(yè)的連續(xù)供電需求，備用電源自投裝備的應(yīng)用越來越廣泛。本文結(jié)合傳統(tǒng)備用電源應(yīng)用狀況，對(duì)備用電源快速切換裝置在電廠的應(yīng)用進(jìn)行分析與闡述。

【關(guān)鍵詞】備用電源； 快速切換； 電廠； 應(yīng)用

1 應(yīng)用背景

傳統(tǒng)的備自投裝置立足于三個(gè)啟動(dòng)條件:1、工作回路無電流( 工作電源已斷開) ; 2、負(fù)荷母線無電壓( 負(fù)荷母線電壓低于限制值或?yàn)榱? ; 3、備用回路有電壓( 備用電源電壓正常) 。第1、2兩個(gè)啟動(dòng)條件決定了負(fù)荷母線的失壓時(shí)間相對(duì)較長， 母線上的電動(dòng)機(jī)已經(jīng)停轉(zhuǎn)或剩余轉(zhuǎn)速已經(jīng)很低。這對(duì)于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)要求不高的工藝設(shè)備是允許的， 特別是輔以電動(dòng)機(jī)的成組自啟動(dòng)， 傳統(tǒng)備自投裝置能夠縮短供電的恢復(fù)時(shí)間， 且能提高供電系統(tǒng)的自動(dòng)化水平。但對(duì)于在電廠那些連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)要求高的工藝設(shè)備，例如潤滑油泵、頂軸油泵、密封油泵，中斷供電可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的嚴(yán)重?fù)p壞甚至?xí)赡馨l(fā)生爆炸，傳統(tǒng)備自投顯然不能適應(yīng)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步， 快速斷路器( 分、合閘時(shí)間小于100ms) 已廣泛使用， 監(jiān)視電源初相角的手段也日臻完善， 奠定了備用電源快速切換的物質(zhì)基礎(chǔ)。國內(nèi)外生產(chǎn)廠家紛紛推出自己的產(chǎn)品， 眾多的用戶也越來越有興趣使用這種裝置。

2 電源切換方式

一般電廠廠用電系統(tǒng)設(shè)有工作電源及備用電源，正常運(yùn)行時(shí)由工作電源供電，停機(jī)及事故時(shí)由備用電源供電。由正常工作電源到備用電源的切換，需要裝設(shè)電源切換裝置，由于快切裝置在啟動(dòng)方式及切換時(shí)間上具備明顯的優(yōu)勢(shì)，使得廠用電快切裝置在供配電系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。典型的發(fā)電廠用電系統(tǒng)簡圖如圖1所示。10 kV廠用電源從發(fā)電機(jī)出口引出，正常運(yùn)行時(shí)機(jī)組由廠用電供電，機(jī)組在起動(dòng)時(shí)由起動(dòng)電源供電，起動(dòng)結(jié)束后切換到廠用電源，停機(jī)時(shí)由廠用電切換到備用電源。另外，當(dāng)機(jī)組或廠用工作電源發(fā)生故障時(shí)，為了保證廠用電不中斷及機(jī)組安全有序地停機(jī)，不擴(kuò)大事故，必須盡快把廠用電電源從工作電源切換到備用電源。

圖1 典型廠用電系統(tǒng)簡圖

系統(tǒng)的初始工作狀態(tài)為單回路電源供電， 兩分段母線并聯(lián)運(yùn)行(CB1、CB2 為閉合狀態(tài)， CB3為分閘狀態(tài)) 。當(dāng)高壓廠用變( 以后稱工作電源) 因故失電， 或斷路器CB1誤跳閘， 工作段母線和備用段母線失去電源， 負(fù)荷母線上的電動(dòng)機(jī)群由于機(jī)械慣性的作用， 轉(zhuǎn)速由額定值逐步下降， 轉(zhuǎn)子電流磁場在定子繞組中反向感應(yīng)電勢(shì)， 形成反饋電壓， 此電壓稱為母線殘壓Ud。隨著時(shí)間的推移， 母線殘壓的幅值和相位隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化。在此變化期間， 如果斷路器CB3快速合閘， 高壓啟備變(以后稱備用電源) 向母線供電，備用電源電壓Us2與母線殘壓Ud相量疊加， 兩者的相量差為△U， 以失電前的工作電源電壓Us1為參考相量( 相角為0)。為了便于分析， 先假設(shè)工作電源電壓(Us1) 與備用電源電壓(Us2) 同相位， 并將負(fù)荷母線上的電動(dòng)機(jī)群等效為單臺(tái)電動(dòng)機(jī)， 同時(shí)忽略電動(dòng)機(jī)的繞組電阻和勵(lì)磁阻抗等， 以等值電勢(shì)Ud和等值電抗Xm代表電動(dòng)機(jī)， 以等值電勢(shì)Us和等值電抗Xs代表電源。

3 電路分析

等值電路可作為備用電源系統(tǒng)與負(fù)荷母線上電動(dòng)機(jī)群的暫態(tài)分析模型

QF0 合閘后， 電動(dòng)機(jī)繞組上承受的電壓為:

Um =X m/(X s + Xm)*( Us - Ud) =Xm/(X s + X m)*△U，令:Xm/(X s + X m)=K，則Um = K *△U

等值電路：

為電動(dòng)機(jī)的安全起見， 電動(dòng)機(jī)繞組上承受的電壓應(yīng)小于電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的允許電壓， 其值為電機(jī)額定電壓( UDe ) 的1.1 倍。即:K*△U < 1.1UDe，即△U/ UDe< 1.1/K(電機(jī)正常工作時(shí)UDe=Us)，假設(shè)X s / X m = 1/ 2， 則K = 0. 67， 此時(shí)電壓差幅值占電源電壓幅值的比值△u%< 1. 64。

電壓向量關(guān)系的極坐標(biāo)圖：

以A 點(diǎn)為圓心， 以1. 64 為半徑繪出弧線A'- A''， 弧線A'- A '右側(cè)的區(qū)域?yàn)閭溆秒娫丛试S投入的安全

區(qū)域， 左側(cè)為不安全區(qū)域。理論上， K 值在0~ 1 之間變化， K值越大， 弧線越向右移， 安全區(qū)域越小。從圖2 看出， 負(fù)荷母線失壓后， 殘壓母線由A 點(diǎn)向B 點(diǎn)方向移動(dòng)， 如能在A- B 弧段內(nèi)投入備用電源， 則既能保證電動(dòng)機(jī)不會(huì)出現(xiàn)過電壓， 又不使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降太多， 在此區(qū)域內(nèi)的電源切換， 就是所謂的快速切換。

4 快切存在不確定因素

4.1 快速切換的成功率存在不確定性。在前面的原理分析過程中， 使用過兩個(gè)假設(shè)條件， 一是備用電源電壓與工作電源電壓同相位， 二是電源等值電抗X s 與電動(dòng)機(jī)等值電抗X m 之比為安全區(qū)域。但實(shí)際工程中這兩個(gè)條件都不一定成立。對(duì)于前者來說， 為了確保兩路電源不會(huì)同時(shí)消失， 一般要求工作電源和備用電源是相互獨(dú)立的， 既然它們相互獨(dú)立，就很難保證它們同相位， 如果備用電源電壓相量與工作電源電壓相量存在一個(gè)超前的初始的相位角則快速切換的安全性就會(huì)減小。對(duì)于后者來說， Xm值是隨著負(fù)荷母線上運(yùn)行電動(dòng)機(jī)的數(shù)量增減而變化， 也即K值在0~ 1 的范圍內(nèi)變化， 快速切換的安全區(qū)域也隨之變化。除此之外， 電動(dòng)機(jī)負(fù)載性質(zhì)不同， 其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也不同， 母線上的殘壓的衰減規(guī)律也相應(yīng)變化， 即極坐標(biāo)中殘壓螺旋線也不是一成不變的。上述三者的不確定， 導(dǎo)致了快速切換的成功率存在著不確定性， 而這不管是基于捕捉同期點(diǎn)準(zhǔn)則還是捕捉電動(dòng)機(jī)耐受電壓點(diǎn)準(zhǔn)則， 都有這樣的問題存在。

4.2 快速切換時(shí)備用電源的穩(wěn)定與安全存在不確定性。此問題包含兩個(gè)方面， 一方面是備用電源側(cè)變壓器富余容量是否足夠， 如果變壓器容量不夠大， 一旦備用電源投入成功， 負(fù)荷母線與備用母線上的負(fù)荷之和超出變壓器的負(fù)荷能力， 則會(huì)影響備用變壓器的正常工作。另一方面， 備用電源投入時(shí)， 負(fù)荷母線上的電動(dòng)機(jī)群同時(shí)再加速， 再加速?zèng)_擊電流對(duì)備用電源的保護(hù)電器會(huì)產(chǎn)生較大的影響。如果繼電保護(hù)整定值沒有考慮躲過這一沖擊電流， 則可能導(dǎo)致保護(hù)動(dòng)作， 備用電源跳閘， 反而擴(kuò)大了停電范圍。

4.3 快速切換時(shí)電動(dòng)機(jī)的安全存在不確定性。盡管快速切換的重要判據(jù)之一是捕捉電動(dòng)機(jī)耐受電壓點(diǎn)準(zhǔn)則， 但在負(fù)荷母線上電動(dòng)機(jī)數(shù)量較多的場所， 各類電動(dòng)機(jī)的參數(shù)和驅(qū)動(dòng)機(jī)械的慣量特性存在著差異， 因而合成母線殘壓特性曲線與分類的電動(dòng)機(jī)的殘壓特性曲線差異較大， 按母線殘壓曲線為基準(zhǔn)確定的快切投入點(diǎn)， 并不能確保每類電動(dòng)機(jī)都是安全的， 仍然存在某臺(tái)或某幾臺(tái)電動(dòng)機(jī)因過壓而損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

4.4 快速切換時(shí)兩回電源間是否出現(xiàn)環(huán)流存在不確定性。為了能在極窄的安全區(qū)域內(nèi)完成切換， 快切裝置一般采用同時(shí)切換( 另兩種切換方式為相繼切換- 串聯(lián)切換和搭接切換- 并聯(lián)切換) ， 所謂同時(shí)切換， 就是切換命令同時(shí)發(fā)給負(fù)荷母線進(jìn)線斷路器( QF1 ) 和接入備用電源的母聯(lián)斷路器( QF0 ) ， 正常情況下， 斷路器的分閘快于斷路器的合閘， 即QF1 先分閘， QF0 后合閘， 不會(huì)有兩回電源并聯(lián)并出現(xiàn)環(huán)流的情況， 但斷路器分、合閘時(shí)間差距不大， 如真空斷路器分合閘時(shí)間差只有10~ 30 ms。在工程實(shí)際中考慮到斷路器分、合閘機(jī)構(gòu)機(jī)械特性的分散性，

同時(shí)， 斷路器多次分、合動(dòng)作機(jī)械變形等因素的影響， 并不能保證同時(shí)接到命令的兩個(gè)斷路器一定是先分后合， 特別是當(dāng)進(jìn)線斷路器萬一出現(xiàn)分閘拒動(dòng)， 則兩路電源有可能并聯(lián)， 并出現(xiàn)環(huán)流。環(huán)流的大小取決于兩個(gè)電源的相量差和環(huán)路內(nèi)的阻抗， 如果環(huán)流過大， 會(huì)使備用電源的過流保護(hù)動(dòng)作， 同樣會(huì)擴(kuò)大停電范圍， 嚴(yán)重時(shí)環(huán)流甚至可能會(huì)超出斷路器的速斷容量而損壞斷路器。

由上可見，廠用電切換方式根據(jù)不同類型的電廠以及高壓廠用電一次接線方式的不同，對(duì)廠用電自動(dòng)切換的要求也不同，如何以最合適的方式進(jìn)行廠用電切換，值得進(jìn)一步深入探討。

參考文獻(xiàn)：

[1]梅興虎.備用電源切換機(jī)理及相關(guān)問題的研究[D].東南大學(xué)：電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化，2009

[2]艾德勝.以電流為判據(jù)的廠用電源快切原理及實(shí)現(xiàn)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2006（6）

[3]沈永紅.發(fā)電廠廠用電快速切換技術(shù)研究[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)：下，2011（11）