摘 要：論述了母線殘壓變化過程，并對(duì)母線殘壓和備用電源間的向量關(guān)系進(jìn)行了分析。介紹了快速切換裝置的切換原理、切換方式及各切換方式的安全切換區(qū)間。結(jié)合具體的切換實(shí)例和數(shù)據(jù)，對(duì)切換過程進(jìn)行了分析和計(jì)算。

關(guān)鍵詞：母線殘壓；備用電源；切換原理；快速切換

0 引言

在很多大型工業(yè)企業(yè)，如石化、鋼鐵等企業(yè)，供電的可靠性、連續(xù)性對(duì)企業(yè)具有非常重要的意義。這些企業(yè)的用電設(shè)備一般以電動(dòng)機(jī)為主，供電系統(tǒng)一般都有兩個(gè)獨(dú)立的供電電源，兩路電源間可互為備用，也可一路工作、一路備用，當(dāng)一路電源故障時(shí)，需要將負(fù)荷安全、快速地切換到另一路電源供電，以保證生產(chǎn)的連續(xù)性。如何快速安全的在兩路電源間切換，就顯得尤為重要，快速切換裝置正是為滿足這一特殊要求而設(shè)計(jì)生產(chǎn)的。

1 切換原理分析

要想實(shí)現(xiàn)安全、快速切換，必須分析切換中的物理量變化過程和實(shí)現(xiàn)原理。兩路電源間切換時(shí)，切換時(shí)間不能太長(zhǎng)，不能長(zhǎng)時(shí)間中斷供電，否則即使切到備用電源供電，由于中斷供電時(shí)間較長(zhǎng)，設(shè)備已停止運(yùn)轉(zhuǎn)，生產(chǎn)將不能連續(xù)。這對(duì)連續(xù)性要求很高的生產(chǎn)裝置來說，沒有多少實(shí)際意義。而且，切換時(shí)必須考慮母線殘壓和備用電源間的相位、頻差等關(guān)系。若切換時(shí)殘壓和備用電源間的相位差較大，合閘時(shí)兩者間的相角差剛好為180?，則合閘瞬間產(chǎn)生的合成電壓很大，從而在電動(dòng)機(jī)上產(chǎn)生非常大的轉(zhuǎn)矩，可能造成電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、機(jī)械負(fù)載等設(shè)備損壞，這是我們不愿發(fā)生的。

當(dāng)外部電源因故中斷后，假設(shè)母線上僅有一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，外部輸入這臺(tái)電動(dòng)機(jī)定子的電流將為零，轉(zhuǎn)子電流將逐漸衰減，由于轉(zhuǎn)子和負(fù)載的慣性以及電機(jī)磁場(chǎng)中儲(chǔ)存的能量，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速將從斷電前的運(yùn)行速度逐漸減小，轉(zhuǎn)子電流在定子繞組中反方向感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，形成反饋電壓。當(dāng)定子繞組和母線相連時(shí)，反饋電壓就會(huì)反饋到母線上。當(dāng)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)形成電動(dòng)機(jī)群連接在同一段母線上時(shí)，由于各臺(tái)電機(jī)容量、慣性、負(fù)載等情況不一樣，在“惰行”運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，一部分電機(jī)將表現(xiàn)出發(fā)電機(jī)特性，而另一部分電機(jī)表現(xiàn)出電動(dòng)機(jī)特性，整個(gè)電動(dòng)機(jī)群將在母線上形成合成電壓，這就是我們常說的母線殘壓。它具有動(dòng)態(tài)的頻率、幅值、相位，其特性與電機(jī)類型、負(fù)載特性、負(fù)載慣性等很多因素有關(guān)。具體而言，母線上電動(dòng)機(jī)負(fù)載的慣性越大，斷電后母線頻率衰減越慢，這對(duì)殘壓相位變化程度有直接影響。負(fù)載慣性越小，母線頻率衰減越快，引起相位變化越快，母線殘壓和正常電源的頻差增加越迅速。對(duì)全是異步電動(dòng)機(jī)負(fù)載的母線而言，電動(dòng)機(jī)容量越大，殘壓頻率和幅值衰減速度越慢，衰減過程持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)。若母線上同時(shí)運(yùn)行有異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)，切換期間同步電動(dòng)機(jī)將試圖維持母線上的電壓。轉(zhuǎn)換期間，若電動(dòng)機(jī)負(fù)載越重，母線頻率衰減越快。

為了說明母線殘壓和備用電源間的關(guān)系，引入壓頻比這一概念。壓頻比既電壓和頻率的比值，一般以電動(dòng)機(jī)或系統(tǒng)的額定電壓與額定頻率之比作為標(biāo)幺值的基準(zhǔn)值。例如，對(duì)10KV系統(tǒng)，假設(shè)二次側(cè)線電壓為100V，可取基準(zhǔn)值為57.7V/50Hz = 1PU （標(biāo)幺值）。母線殘壓和備用電源電壓的向量關(guān)系如圖一所示，根據(jù)向量合成原理有

式中，ES是備用電源系統(tǒng)額定壓頻比，標(biāo)幺值，

EM是母線殘壓的壓頻比，標(biāo)幺值，

ER是備用電源電壓和母線殘壓的合成向量，標(biāo)幺值，

θ是備有電源電壓向量和母線殘壓向量的夾角，

根據(jù)ANSI/IEEE C50.41-2000規(guī)定，安全切換的一個(gè)重要條件是切換合閘的瞬間ER ≤ 1.33 PU。

2 切換方式分析

快速切換裝置一般配備以下幾種切換方式：快速切換、首次同期捕捉切換、殘壓切換、延時(shí)切換、并聯(lián)熱切。并聯(lián)熱切屬于閉環(huán)轉(zhuǎn)換模式，采用“先合后分”原理，切換過程中會(huì)將兩路電源并列，負(fù)載不會(huì)瞬時(shí)斷電，一般是有計(jì)劃的人為正常切換；快速切換、首次同期捕捉切換、殘壓切換、延時(shí)切換則屬于開環(huán)轉(zhuǎn)換模式，采用“先分后和”原理，切換時(shí)不會(huì)并列兩路電源，但負(fù)載有一個(gè)短時(shí)中斷供電的過程。快速切換和首次同期捕捉切換速度很快，過程較短；而殘壓切換和延時(shí)切換的過程則相對(duì)較長(zhǎng)，一般會(huì)造成負(fù)載停止運(yùn)行，不能保證工藝生產(chǎn)連續(xù)。

快速切換、首次同期捕捉切換、殘壓切換、延時(shí)切換四種切換方式在切換過程中的時(shí)區(qū)如圖二所示。發(fā)生切換時(shí)，在10個(gè)波形周期內(nèi)是快速切換的安全區(qū)，這也符合ANSI/ IEEE C50.41-2000對(duì)快速轉(zhuǎn)換的要求。隨著時(shí)間推移，母線殘壓與備用電源的相位差逐漸增大，退出快速切換的安全區(qū)域，當(dāng)相位差第一次接近360?時(shí)，進(jìn)入首次同期捕捉安全區(qū)域，并在母線殘壓與備用電源電壓向量第一次重合時(shí)合閘，合閘命令是在跟蹤殘壓變化的基礎(chǔ)上結(jié)合斷路器固有合閘時(shí)間提前發(fā)出的。當(dāng)母線殘壓降低到額定的20%～40%以下后，進(jìn)入殘壓切換和延時(shí)切換區(qū)域。在這兩種方式下，斷電時(shí)間比較長(zhǎng)，母線殘壓衰減比較多，根據(jù)向量合成原理，若備用電源ES = 1PU，則只要EM < 0.33PU，無(wú)論兩者相角差θ為多少，肯定滿足ER ≤ 1.33 PU。

3 切換時(shí)序分析

除了有不同切換方式外，快速自切裝置一般還有兩種切換類型可選擇：串聯(lián)順序切換和 同時(shí)切換。這兩種類型下，快速切換、首次同期捕捉切換、殘壓切換等幾種切換方式的啟動(dòng)時(shí)間和發(fā)出分合閘命令的時(shí)序等是不一樣的。對(duì)美國(guó)BECKWITH公司生產(chǎn)的快速切換裝置M4272而言，在串聯(lián)順序切換中，轉(zhuǎn)換觸發(fā)后延時(shí)10ms，裝置發(fā)出跳閘命令，等待斷路器跳閘、狀態(tài)反饋回裝置，裝置延時(shí)4ms確認(rèn)斷路器已跳閘，然后同時(shí)啟動(dòng)快速切換、首次同期捕捉切換、殘壓切換三種方式，再經(jīng)過30個(gè)周波的延時(shí)，啟動(dòng)延時(shí)切換方式。若相位、頻差不滿足快速切換的設(shè)定范圍，快速切換不成功，將自動(dòng)進(jìn)入首次同期捕捉切換，若也不成功，將自動(dòng)進(jìn)入殘壓切換，再不成功，則進(jìn)入延時(shí)切換。在同時(shí)切換中，轉(zhuǎn)換觸發(fā)后延時(shí)10ms，裝置發(fā)出跳閘命令，同一時(shí)刻快速切換、首次同期捕捉切換、殘壓切換三種方式同時(shí)啟動(dòng)，不待斷路器跳閘，也不待斷路器狀態(tài)反饋。但是，斷路器狀態(tài)反饋回裝置后，裝置延時(shí)30ms才啟動(dòng)延時(shí)切換方式。這個(gè)過程中，若母線殘壓和備用電源的相位滿足快速切換的參數(shù)設(shè)定，裝置發(fā)出跳閘命令的同時(shí)發(fā)出合閘命令。

4 切換實(shí)例及結(jié)論

在某次電源故障引起的自動(dòng)切換中，M4272快速切換方式觸發(fā)并切換成功。切換過程中裝置自動(dòng)錄波并采集了數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)定，裝置在75%低電壓并延時(shí)40ms后啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)相角差約為-7?，頻差約為-0.02Hz。從裝置啟動(dòng)到出口命令繼電器動(dòng)作（同時(shí)切換類型，同時(shí)發(fā)分合閘命令）用時(shí)約T1=5ms，從裝置啟動(dòng)到工作電源斷路器分閘，用時(shí)約T2=55ms，從裝置啟動(dòng)到備用電源斷路器合閘，整個(gè)切換過程用時(shí)約T3=67.4ms。合閘瞬間，母線殘壓降至71.2%（41.1V），相角差為 -12.7?，頻差為 -0.78Hz。因?yàn)樵撃妇€上存在大容量同步電動(dòng)機(jī)，所以電壓、頻率等參量波動(dòng)都比較小，在切換過程中，裝置自動(dòng)減載功能根據(jù)設(shè)定自動(dòng)切除了部分負(fù)荷。從中也可計(jì)算，該型斷路器分閘時(shí)間約T4=55-5=50ms，合閘時(shí)間約T5=67.4-5=62.4ms，既斷路器的固有分閘時(shí)間比固有合閘時(shí)間短。合閘瞬間的電壓向量

由此可見，快速切換裝置不僅能實(shí)現(xiàn)快速切換、滿足連續(xù)性生產(chǎn)的需要，而且還能保證切換過程中不對(duì)設(shè)備造成損壞，滿足了實(shí)際生產(chǎn)的需要，提高了企業(yè)供電的可靠性，能為企業(yè)帶來合理的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1]傅知蘭. 電力系統(tǒng)電氣設(shè)備選擇與實(shí)用計(jì)算[M]. 北京，中國(guó)電力出版社，2004（1版）.

[2]張永強(qiáng). 快切裝置在電廠的應(yīng)用探討[J]. 石油化工應(yīng)用，2009，28（7）：94-97.

[3]張寶華，周金程，周雪松，等. 快速切換裝置在大型企業(yè)多電源供電系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 天津理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，29（1）：25-28.

[4]鄭曲直，程穎. 備用電源自投裝置設(shè)計(jì)、應(yīng)用的若干問題[J]. 繼電器，2003，31（8）：18-21.

作者簡(jiǎn)介

喻勇斌（1977-），男，漢，湖北省京山縣人，本科，高級(jí)工程師，電氣主管，主要從事高、低壓電氣設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)、瘠薄啊試驗(yàn)等方面的管理工作。