陶國(guó)彬，薄大宇

（東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，黑龍江大慶163318）

三電源供電系統(tǒng)快速切換方案與仿真分析研究

陶國(guó)彬，薄大宇

（東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，黑龍江大慶163318）

摘要：快速切換裝置是保證連續(xù)生產(chǎn)企業(yè)供電系統(tǒng)供電連續(xù)可靠性的重要措施。提出了三電源供電系統(tǒng)帶有保安電源的特殊性和重要性，分析了該三電源系統(tǒng)的備自投切換方式，并提出快速切換方案。介紹了快切裝置的基本原理與判據(jù)，并對(duì)三電源供電系統(tǒng)切換過(guò)程進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果驗(yàn)證了快速切換裝置對(duì)三電源系統(tǒng)連續(xù)供電的可行性。

關(guān)鍵詞：三電源供電系統(tǒng)；快速切換方案；仿真分析

1　引言

供電系統(tǒng)不間斷供電對(duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域有著極其重要的意義，尤其對(duì)于發(fā)電、礦山、煉鋼、石油化工等連續(xù)生產(chǎn)的企業(yè)，連續(xù)供電就顯得更加重要。供電系統(tǒng)中備用電源自動(dòng)投入裝置的應(yīng)用就是為了解決供電連續(xù)性問(wèn)題，要求主備電源之間的切換必須安全可靠。傳統(tǒng)的備用電源自動(dòng)投入裝置由于沒(méi)有同期捕捉功能，如果是無(wú)殘壓切換時(shí)間就較長(zhǎng)，有殘壓切換容易造成備用電源與失電母線殘壓反向切換產(chǎn)生過(guò)壓沖擊，較長(zhǎng)的切換時(shí)間電動(dòng)機(jī)停機(jī)連續(xù)生產(chǎn)被破壞，甚至出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)群?jiǎn)⒋箅娏鞯碗妷合到y(tǒng)崩潰。近些年，國(guó)內(nèi)外研制開(kāi)發(fā)出的備用電源快速切換裝置技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量具有較高的科技水平，并且在發(fā)電廠廠用電工作電源與備用電源切換中得到廣泛的應(yīng)用，而且在石油化工、礦山等連續(xù)生產(chǎn)的雙電源供電系統(tǒng)中也得到越來(lái)越多的應(yīng)用?？焖偾袚Q裝置的優(yōu)點(diǎn)是可避免備用電源電壓與失電母線殘壓在相角、頻率相差過(guò)大時(shí)合閘而對(duì)電機(jī)造成沖擊，工作電源被切除時(shí)能及時(shí)投入另一電源，更重要的是立足于用戶(hù)的生產(chǎn)流程不被破壞。隨著真空及SF6快速開(kāi)關(guān)的廣泛使用，快速切換裝置在廠用電源、雙電源的切換中得到廣泛應(yīng)用。對(duì)于具有大容量保安負(fù)荷的三電源6（10）kV系統(tǒng)，目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有開(kāi)發(fā)出新型快速切換裝置，本文基于雙電源快速切換裝置，對(duì)具有保安電源的三段母線系統(tǒng)快速切換建模并進(jìn)行仿真分析研究，提出了三電源6（10）kV供電系統(tǒng)的快速切換可行性方案。

2　快切基本原理及應(yīng)用

2．1快切基本原理

對(duì)于發(fā)電廠用電負(fù)荷及石油化工生產(chǎn)用電負(fù)荷主要是高低壓異步電動(dòng)機(jī)組成。有電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷母線電壓衰減速度與電動(dòng)機(jī)數(shù)量、容量及其拖動(dòng)的機(jī)械特性有關(guān)，且失電后的電動(dòng)機(jī)通過(guò)其剩余的動(dòng)能及轉(zhuǎn)子剩磁轉(zhuǎn)入異步發(fā)電狀態(tài)，使負(fù)荷母線上呈現(xiàn)出一個(gè)電壓幅值和頻率逐漸衰減的殘壓。如圖1所示為母線切換時(shí)電動(dòng)機(jī)的等值電路圖和向量圖。

圖1　電動(dòng)機(jī)重新接通電源時(shí)的等值電路圖和相量圖

圖1中Us為電源電壓；Ud為母線上電動(dòng)機(jī)的殘壓；Xs為電源等值電抗；Xm為母線上電動(dòng)機(jī)組和低壓負(fù)載的等值電抗（折算到高壓廠用電壓）；△U為電源電壓與殘壓之間的差拍電壓。由圖1可以看出，對(duì)應(yīng)不同的△U值，當(dāng)θ＝180°時(shí)，△U值最大，如果此時(shí)重新合上電源，對(duì)電動(dòng)機(jī)的沖擊最嚴(yán)重。根據(jù)母線上成組電動(dòng)機(jī)的殘壓特性和電動(dòng)機(jī)耐受電壓的能力，在極坐標(biāo)上可繪出其殘壓曲線。如圖2所示為電動(dòng)機(jī)的殘壓特性曲線和電動(dòng)機(jī)耐受的沖擊電壓確定的允許極限。電動(dòng)機(jī)重新合上電源時(shí)，電動(dòng)機(jī)上的電壓為：

式中：Xm為母線上電動(dòng)機(jī)組和低壓負(fù)荷折算到高壓廠用電壓后的等值電抗；Xs為電源的等值電抗；△U為電源電壓和殘壓之間的差拍電壓。

令Um等于電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的允許電壓，即為1．1倍電動(dòng)機(jī)的額定電壓UDe：

則：

令：

則：

假設(shè)K＝0．67，計(jì)算得到△U（%）＝1．64。在圖2中，以點(diǎn)為圓心，以1．64為半徑繪出A′－A″圓弧，其右側(cè)為電廠備用電源合閘的安全區(qū)域。在殘壓特性曲線的AB段，實(shí)現(xiàn)的電源切換稱(chēng)為“快速切換”即在圖2中B點(diǎn)（0．3 s）以前進(jìn)行的切換，對(duì)電機(jī)是安全的。延時(shí)至點(diǎn)（s）以后進(jìn)行同期判別實(shí)現(xiàn)的切換稱(chēng)為“同期判別切換”，此時(shí)對(duì)電機(jī)也是安全的。等殘壓衰減到20%－40%時(shí)實(shí)現(xiàn)的切換，即為“殘壓切換”。為確保切換成功，當(dāng)事故切換開(kāi)始時(shí)，裝置自動(dòng)起動(dòng)“長(zhǎng)延時(shí)切換”作為事故切換的總后備。

圖2　電動(dòng)機(jī)的殘壓特性曲線和電動(dòng)機(jī)耐受的沖擊電壓確定的允許極限

2．2快切目前的應(yīng)用領(lǐng)域

2．2．1發(fā)電廠廠用電快速切換應(yīng)用

如圖3所示為發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)，正常運(yùn)行時(shí)廠用母線電源由發(fā)電機(jī)端經(jīng)廠高變T2提供，備用電源由啟備用變T3提供，斷路器1DL合閘帶母線負(fù)荷運(yùn)行，2DL分閘處于熱備用狀態(tài)，KQ是快速切換裝置。當(dāng)發(fā)變組保護(hù)動(dòng)作或工作電源側(cè)故障時(shí)，并且KQ檢測(cè)非廠用母線或者饋出分支短路故障，在跳開(kāi)斷路器1DL的同時(shí)，接著發(fā)出斷路器2DL合閘信號(hào)，備用電源投入工作實(shí)現(xiàn)快速切換或者耐受電壓、第一次同期捕捉切換等。此種為常見(jiàn)廠用電快切應(yīng)用，因?yàn)榭烨醒b置切換的特點(diǎn)保證發(fā)電廠用電電動(dòng)機(jī)組殘壓不會(huì)下降太多導(dǎo)致機(jī)組停轉(zhuǎn)、停產(chǎn)。

圖3　發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)接線圖

2．2．2工廠雙電源分段快速切換應(yīng)用

如圖4所示為常用的雙電源單母線分段供電系統(tǒng)接線圖。正常工況下斷路器1DL、2DL合閘，分別帶Ⅰ、Ⅱ段母線負(fù)荷運(yùn)行，母聯(lián)斷路器3DL分閘熱備用，KQ是快速切換裝置。假設(shè)1號(hào)進(jìn)線故障時(shí)，繼電保護(hù)發(fā)出跳閘信號(hào)的同時(shí)給快切裝置KQ信號(hào)，或者KQ檢測(cè)進(jìn)線失電，KQ裝置發(fā)出1DL跳閘信號(hào)的同時(shí)，向3DL發(fā)出合閘信號(hào)，實(shí)現(xiàn)快速切換或者耐受電壓、第一次同期捕捉切換等。同樣，當(dāng)2＃電源發(fā)生故障時(shí)，也可以實(shí)現(xiàn)2DL與3DL的同時(shí)切換。這里需要強(qiáng)調(diào)，當(dāng)母線或者饋出分支短路故障時(shí)，閉鎖快速切換裝置不動(dòng)作。

圖4　常用的雙電源單母線分段供電系統(tǒng)接線圖

3　三電源母線供電系統(tǒng)及切換

3．1三段母線帶有后備保安電源系統(tǒng)及運(yùn)行方式

如圖5所示為雙電源帶有保安電源的三段母線6（10）kV供電系統(tǒng)接線圖。系統(tǒng)正常運(yùn)行方式：1＃電源受電斷路器1DL合閘帶Ⅰ段母線，2＃電源受電2DL斷路器合閘帶Ⅱ段母線，保安電源受電3DL分閘處于備自投熱備，Ⅰ－Ⅱ段母聯(lián)4DL分閘備自投熱備，Ⅱ－Ⅲ段母聯(lián)5DL合閘，即2＃電源帶Ⅱ、Ⅲ段母線運(yùn)行。傳統(tǒng)的備自投（BZT）切換采用微機(jī)保護(hù)長(zhǎng)延時(shí)切換，切換時(shí)間一般設(shè)置1s－3s范圍內(nèi)。

圖5　雙電源帶有保安電源的三段母線6（10）kV供電系統(tǒng)接線圖

3．2三段母線系統(tǒng)BZT切換方式

（1）1＃電源失電運(yùn)行方式

1DL跳閘，無(wú)過(guò)流閉鎖時(shí)Ⅰ－Ⅱ段母聯(lián)4DL備自投合閘，2＃電源帶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段母線運(yùn)行，3DL分閘處于備自投熱備狀態(tài)。當(dāng)2＃電源也失電，2DL、4DL、5DL跳閘，3DL備自投合閘，保安電源只帶Ⅲ段母線保安負(fù)荷。2＃電源失電運(yùn)行方式同理。

（2）1＃、2＃電源同時(shí)失電運(yùn)行方式

1DL、2DL、4DL、5DL跳閘，3DL備自投合閘，保安電源只帶Ⅲ段母線保安負(fù)荷。

3．3快速切換裝置的配置方案及切換方式

3．3．1快切裝置的配置方案

在1＃電源與2＃電源之間配置快切裝置KQ1，配置原則相當(dāng)于上述的雙電源單母線分段快切方案，KQ1監(jiān)測(cè)Ⅰ段母線和Ⅱ段母線電壓、相角、頻率。1＃、2＃電源與保安電源之間配置快切裝置KQ2，配置原則相當(dāng)于上述的廠用電工作電源與備用電源快切方案，KQ2監(jiān)測(cè)Ⅲ段母線和保安電源側(cè)電壓、相角、頻率，同時(shí)檢測(cè)Ⅰ段母線電壓作為KQ2裝置閉鎖與開(kāi)放邏輯條件。

3．3．2快切控制母線切換方式

（1）當(dāng)1＃電源或者2＃電源其中一路電源失電，KQ1裝置發(fā)指令給1DL或者2DL跳閘，KQ1裝置按照邏輯關(guān)系控制閉合4DL實(shí)現(xiàn)切換。KQ1監(jiān)測(cè)工作電源失電，備用電源電壓不能低于額定電壓的80%，否則閉鎖切換。2＃電源失電情況下，此時(shí)如Ⅰ段母線電源電壓在80%以上，閉鎖KQ2裝置不動(dòng)作。

（2）4DL閉合后，如2＃電源或者1＃電源又失電，KQ1裝置發(fā)指令給2DL或者1DL，裝置按照邏輯控制跳開(kāi)4DL、5DL，Ⅲ段母線失電。此時(shí)Ⅰ段母線電源電壓在80%以下，開(kāi)放KQ2裝置。KQ2裝置監(jiān)測(cè)保安電源電壓在80%以上，跳5DL同時(shí)合3DL斷路器，Ⅲ段母線由保安電源供電，其它兩段母線停電。

（3）當(dāng)1＃電源和2＃電源同時(shí)失電，KQ1裝置發(fā)指令給1DL和2DL跳閘，同時(shí)也將跳閘指令送給KQ2裝置，KQ1裝置監(jiān)測(cè)Ⅰ段母線和Ⅱ段母線電源電壓都同時(shí)低于70%以下，KQ1控制4DL、5DL跳閘。KQ2裝置監(jiān)測(cè)保安電源電壓在80%以上，跳5DL同時(shí)合3DL，Ⅲ段母線由保安電源供電，其它兩段母線停電。

3．3．3快切控制母線切換時(shí)序

假設(shè)斷路器1DL偷跳，接著斷路器2DL差動(dòng)保護(hù)跳閘，分析快速切換的時(shí)序關(guān)系。這里以ABB VD4斷路器為例，VD4出廠固有合閘時(shí)間范圍50－70ms，固有分閘時(shí)間范圍33－45ms。如圖6所示為以固有分、合閘最長(zhǎng)時(shí)間為基準(zhǔn)分析的時(shí)序關(guān)系。

（1）第一階段在10ms時(shí)發(fā)出1DL偷跳TT信號(hào)，1DL延遲45ms分閘，此時(shí)6B1電壓開(kāi)始下降，殘壓衰減。KQ1接收偷跳信號(hào)后，檢測(cè)6B2母線有電，同時(shí)切換延遲20ms之后發(fā)出4DL合閘信號(hào)，延遲70ms后4DL合閘，此時(shí)6B1切換到6B2母線電壓恢復(fù)。

（2）第二階段2DL上側(cè)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作分閘2DL的同時(shí)，向KQ1與KQ2同時(shí)發(fā)送信號(hào)，KQ1接受信號(hào)后也向2DL、4DL發(fā)送分閘信號(hào)，延遲45ms斷開(kāi)2DL與4DL，此時(shí)6B1、6B2與6B3電壓開(kāi)始下降。KQ2接收到差動(dòng)保護(hù)信號(hào)也延遲45ms斷開(kāi)5DL，KQ2監(jiān)測(cè)保安電源進(jìn)線是否有電，同時(shí)切換延遲30ms發(fā)出3DL合閘信號(hào)，延遲70ms后3DL合閘，此時(shí)切換到保安電源帶6B3段母線電壓恢復(fù)，6B1、6B2失電電壓下降至零。

4　三段母線快速切換仿真分析

圖6　快切控制切換時(shí)序圖

4．1系統(tǒng)建模

本文供電系統(tǒng)建模暫態(tài)分析是應(yīng)用美國(guó)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真分析軟件（Paladin DesignBase Programs）5．0版本，如圖7所示為三電源供電網(wǎng)絡(luò)建立構(gòu)架、錄入?yún)?shù)建模后的系統(tǒng)圖。三段6B1、6B2、6B3母線分別掛載3．35MW三組異步電動(dòng)機(jī)負(fù)載。電動(dòng)機(jī)組的數(shù)據(jù)皆為主要影響快速切換的現(xiàn)場(chǎng)參考值。

4．2快速切換裝置判據(jù)

（1）快速切換判據(jù)：①相角差指故障母線電壓和備用母線電壓之間的相角差，典型的值是±20°。②母線電壓和備用電源電壓的頻率差，通常的界值是1Hz。③備用電源電壓通常被整定為正常電壓的80%。④母線電壓低于設(shè)定電壓值（U通常設(shè)定為正常電壓的70%），則不允許進(jìn)行切換。⑤同時(shí)切換延時(shí)范圍20－40ms。

（2）耐受電壓切換：①耐受電壓準(zhǔn)則判據(jù)中的允許頻率差整定值2Hz。②母線低電壓閉鎖切換電壓值是正常電壓的70%。③電機(jī)的耐受電壓定值1．1U。

（3）首次同期切換判據(jù)：①備用電源電壓和母線殘壓的相位差要第一次同相。②母線與目標(biāo)電源頻率差整定值5－6Hz。③備用電源電壓一般是正常電壓的80%。

4．3按上述第一階段時(shí)序仿真分析

（1）軟件設(shè)定在55ms時(shí)刻斷路器1DL偷跳（TT）斷開(kāi)，如圖8所示為6B1母線殘壓下降圖，1DL斷開(kāi)前6B1母線電壓6290V、相角－30°、頻率50Hz。大約2s殘壓降為零。

圖7　三段母線建模后系統(tǒng)圖

圖8　 6B1母線殘壓下降圖

（2）由于斷路器分合閘固有時(shí)間的限制，KQ1發(fā)信號(hào)跳1DL，同時(shí)切換延時(shí)20ms發(fā)信號(hào)合4DL，6B1最短失壓失電時(shí)間是45ms，加上軟件的設(shè)定時(shí)間55ms，則為100ms以上的殘壓下降特性。如圖9所示為在110ms合上4DL前6B1母線電壓暫態(tài)圖。此時(shí)，6B1母線電壓5788V、相角－40．8°、頻率49．59Hz，滿(mǎn)足快速切換判據(jù)。

圖9　合上4DL前6B1母線電壓暫態(tài)圖

圖10　第二階段開(kāi)始系統(tǒng)狀態(tài)圖

4．4按上述第二階段時(shí)序仿真分析

（1）第二階段仿真系統(tǒng)以第一階段末尾仿真系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)為起始狀態(tài)，此時(shí)1DL斷開(kāi)，4DL母聯(lián)閉合，時(shí)間從0ms開(kāi)始仿真測(cè)試，如圖10所示。0s時(shí)刻差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作跳2DL，2DL、4DL、5DL同時(shí)接收到分閘信號(hào)，斷路器固有分閘時(shí)間45ms后2DL、4DL、5DL分閘，6B1、6B2、6B3母線殘壓開(kāi)始下降。如圖11所示為0．045s時(shí)刻2DL、4DL、5DL斷開(kāi)后三段母線暫態(tài)電壓衰減曲線。

圖11　三段母線暫態(tài)電壓衰減曲線

（2）差動(dòng)保護(hù)跳2DL、5DL時(shí)，同時(shí)切換延時(shí)30ms 后KQ2發(fā)信號(hào)3DL合閘，由于斷路器固有分合閘時(shí)間的限制，5DL分閘到3DL合閘，6B3母線殘壓衰減時(shí)間最短是55ms，因此是在100ms時(shí)合上3DL，如圖12所示為在合上3DL時(shí)刻前6B3母線殘壓特性曲線，6B3母線電壓5545V、相角－46．6°、頻率49．40Hz，滿(mǎn)足快速切換判據(jù)。合3DL之后6B1、6B2電壓繼續(xù)衰減至零。

圖12　合上3DL時(shí)刻前6B3母線暫態(tài)電壓衰減曲線

5　結(jié)束語(yǔ)

本文首先介紹了快速切換的基本原理，以及目前快速切換裝置的應(yīng)用領(lǐng)域，接著對(duì)三電源供電系統(tǒng)傳統(tǒng)備自投（BZT）切換進(jìn)行了簡(jiǎn)單描述。就目前

國(guó)內(nèi)外還未開(kāi)發(fā)出三電源快速切換裝置的實(shí)際，基于發(fā)電廠廠用電主、備電源及常用的雙電源分段快速切換裝置，對(duì)三電源母線供電系統(tǒng)快速切換進(jìn)行組合配置設(shè)計(jì)，通過(guò)快切時(shí)序分析、建模仿真暫態(tài)分析研究，驗(yàn)證了三電源母線供電系統(tǒng)快速切換的可行性。本文重在引導(dǎo)讀者了解三電源供電系統(tǒng)帶有保安電源的特殊性和重要性，以及對(duì)三電源供電系統(tǒng)快速切換分析研究的認(rèn)識(shí)，起到拋磚引玉的作用。

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中圖分類(lèi)號(hào)：TM621．3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005—7277（2015）03—0001—06

作者簡(jiǎn)介：

薄大宇，工程碩士，就讀于東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)與自動(dòng)化。

收稿日期：2015－01－05

Research on fast switching scheme and simulation analysis of three power supply system

TAO Guo－bin，BO Da－yu

（College of Electrical and Information Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing 163318，China）

Abstract：The fast switching device is an important measurement to ensure continuous reliability of the production enterprise power supply system．The importance and particularity of three power supply system with emergency power supply are put forward，and the BZT switching mode of three power supply system is analyzed．The fast switching scheme is also proposed．The basic principles and criteria of fast switching device are introduced，and the simulation analysis of switching process is carried out．The simulation results verify the feasibility of fast switching device for three uninterruptible power system．

Key words：three power supply system；fast switching scheme；simulation and analysis