付英杰，梁志珊

（1.大慶石化公司，黑龍江 大慶 163714；2.中國石油大學 自動化系，北京 102249）

0 引 言

供電的連續(xù)可靠是各種用電設備安全運行的基本條件［1］。因此，對供電可靠性要求較高的場合多配有兩路供電電源［2］，兩路電源間的成功切換是連續(xù)不間斷供電的關鍵。國內(nèi)石化工業(yè)供電系統(tǒng)的接線方式一般為分段結構。為了保證電源的可靠性，2段母線都有獨立電源供電并裝有備用電源自動投入裝置（BZT）［3］。因為常用的BZT切換裝置的延時性，且沒有檢測電源相位回路，這種切換的成功率低、沖擊電流大，造成6kV廠用電電源中斷的事故頻頻發(fā)生。由于每次晃電、停電事故，每次事故都造成了石油石化企業(yè)嚴重的損失。因此，研究電動機容量大的雙電源切換問題對石油石化供配電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行有重要意義。

對于具有電機負載的備用電源快速切換，如果切換時機掌握不當［3］，很有可能造成保護動作，同時由于電動機成組自起動電流很大，母線電壓將可能難以恢復，從而導致再起動困難，因此，石油石化系統(tǒng)變電所必須使用快速切換裝置保證可靠供電?？焖偾袚Q裝置參數(shù)整定是非常重要的，而整定的參數(shù)可靠性無法得到驗證，主要是由于在實際系統(tǒng)上做驗證成本太高，而實際運行電力系統(tǒng)由于化工過程工藝要求又不允許經(jīng)常做這樣的試驗。因此，利用電力系統(tǒng)計算軟件，對實際系統(tǒng)發(fā)生的事故進行仿真分析，根據(jù)母線殘壓的變化，分析研究事故過程中快速切換裝置的判據(jù)和機電保護動作，再與實際電力系統(tǒng)變電所事故現(xiàn)場錄波數(shù)據(jù)對比，得出給定系統(tǒng)快速切換裝置的仿真分析結論。為實際電力系統(tǒng)快速切換裝置的參數(shù)整定和運行提供可靠的理論依據(jù)。論文通過對變電所兩次事故的仿真分析，給出事故過程中快速切換裝置判據(jù)分析結論。

1 雙電源切換理論

1.1 快速切換過程中電動機殘壓分析

圖1為某變電所具有雙電源快速切換裝置的電力系統(tǒng)［4］，進線1和進線2為雙電源，母線1帶4臺等效電機，等效負載為M1，母線2帶5臺電機，等效負載為M2，CB11和CB12為進線1斷路器，CB21和CB22為進線2斷路器，CB11和CB12具有光纖差動保護，CB21和CB22具有光纖差動保護，CB33為母聯(lián)斷路器，快速切換裝置被連接在雙電源系統(tǒng)中。當系統(tǒng)正常運行時，進線1和進線2工作，母聯(lián)開關斷開。當進線1側(cè)發(fā)生故障或失壓，進線1斷路器分閘，母聯(lián)開關合閘，實現(xiàn)母線1負荷的不間斷供電。同理，當進線2側(cè)發(fā)生故障或失壓時，進線2斷路器分閘，母聯(lián)開關合閘，實現(xiàn)母線2負荷的不間斷供電。

當母線失電時，由于電動機仍與母線側(cè)相連，在母線失電后，由于電動機間電感能量的轉(zhuǎn)移，其機端電壓仍然存在，被稱為殘壓。殘壓的衰減程度與母線的負載特性有關。由于殘余電壓的存在，如果進線開關斷開后，母聯(lián)很快合閘，很可能會出現(xiàn)很大合閘沖擊電流。沖擊電流的大小與合閘瞬間電壓大小和相位決定。過大的沖擊電流會給電機或電源造成故障或合閘失敗。因此，必須對殘壓進行分析研究［5-6］。

圖1 具有雙電源快速切換裝置的電力系統(tǒng)

電動機切換電路的等值回路如圖2所示，由圖2可以看出，電源電壓和電動機殘壓二者之間的夾角θ不同，對應不同的ΔU值，如θ＝180°，ΔU最大，如果此時合上電源，對電動機的沖擊最嚴重。

各變量的物理意義如下：Us—電源電壓；UD—母線上的電動機的殘壓；Xs—電源等值電抗；Xm—母線上電動機組和低壓負載的等值電抗；△U—電源電壓和殘壓之間的差拍電壓。

根據(jù)母線上成組電動機的殘壓特性和電動機耐受電流的能力，在極坐標上可繪出殘壓曲線，如圖3。電動機切換到電源時，電動機上的電壓Um為：令Um等于電動機起動時的允許電壓，即為1.1倍電動機額定電壓UDe，令如K＝0.67，計算得ΔU（%）＝1.64。圖3中，以A為圓心，以1.64為半徑繪出圖A′—A〞，其右側(cè)為備用電源合閘的安全區(qū)域。在殘壓曲線的AB段實現(xiàn)的電源切換稱為“快速切換”，即在圖中B點（0.3s）以前進行切換，對電機是安全的。延時到C點后實現(xiàn)的切換稱為“慢速切換”，即在圖3中C點（約0.47s）以后進行切換，對電機是安全的。等殘壓衰減到20%～40%時實現(xiàn)的切換，即通常稱之為“殘余電壓的切換”。延時切換和低電壓檢定切換統(tǒng)稱為“慢速切換”。

式（5）中的K值，與機組負荷有關，負荷輕時運行電機數(shù)量少，運行電動機數(shù)量減少后，Xm增加，K值也增加，ΔU則減少，在圖3中小的ΔU（%）畫出的圓弧就向A′—A〞曲線右側(cè)移動，如圖中的B′—B〞曲線。

1.2 切換判據(jù)

由以上分析可知，為減小沖擊，備用電源電壓Us與母線殘壓UD夾角較小時，實現(xiàn)切換是一比較好的切換；同樣當母線殘壓UD旋轉(zhuǎn)一周后與備用電源電壓Us第1次同相時實現(xiàn)切換也是比較好的切換，但時間較長；另外也可以在母線殘壓衰減到系統(tǒng)允許的范圍后或母線殘壓完全消失后進行切換。上述的4種切換對應4種切換方式：快速切換、首次同相切換、殘壓切換和長延時切換。

（1）快速切換判據(jù) 動作判據(jù)包括以下幾個條件：① 相角差指故障母線電壓和備用母線電壓之間的相角差，構成同步判據(jù)的角差界值可根據(jù)超前或滯后母線電壓分別進行調(diào)整，典型的值是±20°。② 母線電壓和備用電源電壓的頻率差，就切換過程而言，頻率差反映了用電設備及其動態(tài)負荷斷電后的運行特性并指示是否允許進行切換，通常的界值是1Hz。③ 當備用電源電壓存在時裝置方可執(zhí)行切換，通常被整定為正常電壓的80%；④母線電壓低于設定電壓值（U通常設定為正常電壓的70%），則不允許進行切換。

（2）首次同期切換判據(jù) 動作判據(jù)包括以下幾個條件：①備用電源電壓和母線殘壓的相位差要第一次同相。② 母線殘壓頻率的變化率要低于15Hz整定值。③ 備用電源電壓要存在，一般是正常電壓的80%。

（3）殘壓切換判據(jù) 動作判據(jù)包括以下幾個條件：①當母線殘壓衰減到低于設定值時合上備用電源，一般設定值為40%的額定電壓。② 備用電源電壓要大于設定值，設定值為正常電壓的80%。

（4）長延時切換判據(jù) 動作判據(jù)包括以下幾個條件：① 切換等待的時間要達到設定的時間。② 備用電源電壓要存在，一般設定為大于額定電壓80%。

2 故障仿真分析

2.1 進線電纜三相短路現(xiàn)場錄波數(shù)據(jù)

進線電纜三相短路故障錄波圖如圖4所示，橫軸：時間／毫秒；縱軸：開關狀態(tài)量，Cb1CmdOp--斷路器1合閘命令、Cb1CmdCl--斷路器1分閘命令、Cb1DefOp--斷路器1合閘位置、Cb1DefCl--斷路器1分閘位置、CbbCmdOp--母聯(lián)斷路器分閘命令、CbbCmdCl--母聯(lián)斷路器合閘命令、CbbDefOp--母聯(lián)斷路器分閘位置、CbbDefCl--母聯(lián)斷路器合閘位置、StartXfer--快切啟動信號、Protection1--進線一段保護起動。（1）在t＝0ms時刻，進線1發(fā)生三相短路故障，光纖縱差保護裝置檢測到短路故障。（2）經(jīng)過20ms反應時間，在t＝20ms時，光纖縱差保護裝置向進線1斷路器CB1發(fā)出跳閘命令，同時向快速切換裝置發(fā)出光差啟動信號?？焖偾袚Q裝置啟動。（3）經(jīng)過10ms反應時間，在t＝30ms時快速切換裝置向CB1發(fā)出跳閘命令（但此次命令失效，因光纖縱差保護裝置已發(fā)過此命令），同時向母聯(lián)斷路器CBB發(fā)出合閘命令。CB1跳閘時間30 ms，CBB合閘時間40ms。（4）在t＝50ms時，CB1跳閘成功。（5）在t＝70ms時，CBB合閘成功。

圖4 “進線電纜短路”故障錄波

2.2 事故仿真分析

（1）進線1段母線殘壓曲線

極坐標圖5顯示了饋線電源故障后母線殘壓的幅值、相角等信息，說明在母線失壓后，由于負荷大多是感應電機，母線電壓不會立刻為零，而需要一個較長時間的衰減過程。

（2）進線1段電纜三相短路母線殘壓

按照進線電纜三相短路故障錄波圖4的時序進行仿真。當故障發(fā)生后，觀察故障段母線動態(tài)數(shù)據(jù)，其電壓幅值、頻率和角度是不斷變化的，極坐標圖6為母線一段三相短路故障后殘壓特性圖，圖中分別顯示了幾個數(shù)據(jù)點，這些數(shù)據(jù)點對應關鍵角度和關鍵時間，為快速切換裝置成功切換提供依據(jù)。在系統(tǒng)仿真過程中，仍考慮電網(wǎng)初始相角的基準值，電網(wǎng)的初始角度為0度，故障段母線正常運行初始相角-1.12度；0.500s時，一段母線電源三相短路故障，電壓幅值瞬間低于正常電壓幅值的5%，相角瞬間-46.41度；0.521s時，快速切換裝置接收到故障信號并啟動，同時變電所微機保護裝置發(fā)出故障段電源斷路器斷開指令，此時母線電壓幅值百分數(shù)為2.95%，相角-55.04度；0.551s時，故障段斷路器保護斷開，故障段電源切除后，由于母線上電機負荷的殘壓效應，電壓繼續(xù)衰減。

（3）切換過程母線殘壓變化曲線

切換過程母線殘壓變化曲線如極坐標圖7所示，根據(jù)快速切換判據(jù)分析可知，三相短路故障發(fā)生時，不滿足快速切換判據(jù)，系統(tǒng)無法實現(xiàn)快速切換。

根據(jù)快速切換裝置工作原理，若快速切換條件不滿足，快速切換裝置立刻對首次同期切換判據(jù)和殘壓切換判據(jù)進行并列判斷。當故障發(fā)生20ms（0.521s）后，快速切換裝置開始檢測切換判據(jù)，30ms（0.551s）后故障段電源斷路器斷開。由圖6中數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)不滿足首次同期切換的相位差第一次同相的判據(jù)條件，不執(zhí)行首次同期切換。

而根據(jù)殘壓切換判據(jù)：① 母線殘壓衰減到低于設定值時合上備用電源，一般設定范圍為20%～55%的額定電壓，即Ubusbur≤（20%～55%）；② 備用電源電壓Ustand-by大于設定值，設定值為正常電壓的80%，即Ustand-by≥80%UNormal。

綜上所述，仿真研究表明，進線電纜發(fā)生三相短路故障啟動快速切換的原因是快速而不是“慢速”殘壓切換判據(jù)。與系統(tǒng)實際發(fā)生的過程相一致。

（4）電動機電流曲線

選擇一段母線的兩臺電動機電流曲線如圖8所示，故障切換過程中，故障母線上電機負荷的電流兩次發(fā)生變化。故障后，電機電流迅速發(fā)生變化，當母聯(lián)斷路器閉合后，電機所在母線電壓迅速恢復（如極坐標圖7所示），電流瞬間上升，超過兩倍的額定電流值。但未達到保護整定值，因而電機保護未動作。在雙電源快速切換過程中，故障段電機負荷保證了不間斷供電運行，達到了快速切換裝置的應用目的。

圖8 切換過程中電機電流

（5）快速切換時保護動作分析

母聯(lián)開關和電動機保護的電流保護整定值及其母聯(lián)開關合閘時的沖擊電流見表1。由表1數(shù)據(jù)可以看出，當發(fā)生進線電纜三相短路故障時，母聯(lián)開關合閘時的母聯(lián)開關和電動機保護的沖擊電流不大于電流保護整定值。因此，母聯(lián)開關合閘成功。說明ETAP軟件仿真與實際系統(tǒng)發(fā)生過程相一致。

表1 母聯(lián)開關和電動機保護動作分析

3 結束語

雙電源切換的快速性和可靠性對于現(xiàn)代化大型企業(yè)供電系統(tǒng)的運行，尤其是事故工況下的快速切換，是極其重要的。雙電源切換成功可以縮短事故范圍，減少負荷損失，消除企業(yè)不安全隱患。論文通過對某變電所實際系統(tǒng)發(fā)生的進線電纜三相短路故障的ETAP軟件雙電源快速切換仿真分析表明，在發(fā)生進線電纜三相短路故障快速切換過程中，母聯(lián)開關合閘時母聯(lián)開關保護和電動機保護的沖擊電流不大于電流保護整定值，但快速切換裝置的切換成功并不滿足快速切換的四個條件判據(jù)，母聯(lián)開關合閘成功的原因是滿足因三相短路故障母線電壓迅速降低，即殘壓衰減快，而不是傳統(tǒng)認為的“慢速”殘壓切換條件判據(jù)。同時表明，ETAP軟件能為快速切換裝置的參數(shù)整定提供可靠的理論依據(jù)。

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