張衍奎，孟若蘭，朱建華，陳浩

(1.寧夏凱晨電氣集團有限公司，寧夏 銀川 750299；2.寧夏匯才工程服務有限公司，寧夏 銀川 750001；3.國網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學研究院，寧夏 銀川 750011)

1 技術現(xiàn)狀

供電系統(tǒng)中的備用電源自動投入設備主要是為了解決供電連續(xù)性問題和保證主備電源之間必須安全可靠的切換而設計的。傳統(tǒng)的備用電源自動投入裝置由于沒有同期捕捉功能，一般沒有殘壓切換功能，主要判據(jù)為無壓、無流，這樣切換的時間較長。有一些備用電源自動投入裝置帶有殘壓切換功能，如果兩路進線存在相位差時，容易造成備用電源與失電母線殘壓反向切換產(chǎn)生過壓、大電流沖擊，從而造成電動機停機、連續(xù)生產(chǎn)被破壞，甚至出現(xiàn)電動機群啟大電流低電壓系統(tǒng)崩潰[1]。

快速切換裝置的優(yōu)點是可避免備用電源電壓與失電母線殘壓在相位角、頻率相差過大時合閘而對電機造成沖擊，工作電源被切除時能及時投入另一電源，更重要的是使用戶的生產(chǎn)流程不被破壞[2]，但是目前國內(nèi)外廠家的產(chǎn)品都是基于真空斷路器或SF6斷路器，由于傳統(tǒng)斷路器的分閘時間為25～50 ms；合閘時間為35～100 ms[3]，針對一些對電能連續(xù)性要求非常高的負荷，目前市場中的雙電源快切裝置無法做到100 ms以內(nèi)，或更短的切換時間。為了解決以上難題，寧夏凱晨電氣集團有限公司聯(lián)合俄羅斯國家動力研究所開發(fā)出基于大功率固態(tài)開關的雙電源快速切換裝置，切換時間為20～40 ms，順利通過國家科技部的研發(fā)項目驗收，并取得了國家發(fā)明專利。

2 快切原理

電動機定子斷電后，轉子電流為了維持回路磁鏈守恒發(fā)生突變，成為衰減的直流分量，隨著時間推移定子中感應出電動勢的幅值也在不斷衰減；同時由于感應電壓的初始頻率為轉子的旋轉角頻率，故隨著轉子速度不斷降低，感應電壓的頻率也在不斷減小，這種感應電動勢被稱之為殘壓。感應電壓的維持時間與轉子電流成正比，如果轉子電流在較長的時間內(nèi)不能衰減，那么殘壓也將維持較大數(shù)值與較長的時間[4]。

對于高壓大容量異步電動機來說，電動機里面的磁場能量、轉動慣量都非常大，又由于繞組的電阻比漏抗小很多，因此當母線斷電后電機的殘壓和電流衰減得較慢。為了方便分析，以極坐標形式繪出某300 MW機組6 kV母線殘壓相量變化軌跡(殘壓衰減較慢的情況)，如圖1所示[5]。

圖1 母線殘壓特性

從理論上來說，快速切換裝置首先要考慮的是用電系統(tǒng)所能承受的沖擊大小。沖擊大小又和快速切換裝置動作時的母線電壓(殘壓)與備用電源之間的壓差ΔU有關。由于隨著時間變化殘壓的頻率隨之變化，從而導致母線殘壓與備用電源電壓之間存在相位差，當相位差為180°時壓差最大[6]。如果此時合閘備用電源，將對母線負荷產(chǎn)生嚴重的沖擊。

合閘后電動機所承受的電壓設為Ud，則有：

(1)

式中：ΔU—母線殘壓與備用電源電壓之間的電壓差；

Xd—母線所有負荷折算到母線電壓后的等值電抗;

Xs—電源的等值電抗。

(2)

Ud=K×ΔU

(3)

為保證電動機安全自啟動，Ud應小于電動機的允許起動電壓，設為1.1Ue(Ue電動機額定電壓)，則有：

K×ΔU<1.1Ue

(4)

(5)

設K=0.67，則ΔU(%)<1.64。

圖1中，以A點為圓心，以1.64為半徑，畫出A’-A”，則A’-A”右側為允許備用電源合閘的安全區(qū)間，左側為不安全區(qū)域[7]。

2.1 快速切換模式原理

假設無故障運行時主工作電源與備用電源相位相同、頻率相同，其電壓向量端點為A。則失電后母線殘壓向量端點將沿曲線由A向B的方向移動，如果能在A-B段內(nèi)合上備用電源，即為快速切換階段，此時既能保證電動機的安全又能保證電動機的轉速不下降太多。

快速切換有2個重要參數(shù)為頻差和相位差。在快切裝置發(fā)出合閘命令時將實測值與整定值進行比較，并判斷是否滿足合閘條件。由于快速切換模式是在起動后非常短的時間內(nèi)進行切換，因此頻差和相位差設定較小值。

2.2 同期捕捉切換模式原理

圖1中，當曲線過B點后BC段為不安全區(qū)域，不允許切換，在C點后至CD段中，當母線殘壓相位與備用電源電壓相位第1次相位重合時合閘為同期捕捉切換。以圖1為例，同期捕捉切換時間約為0.6 s，但對于殘壓衰減較快的情況該時間要短得多。若能實現(xiàn)同期捕捉切換，特別是同相點合閘，將對電動機的自起動也很有利。要想做到同相位點合閘，不但需要對相位差進行精確的跟蹤，還需要提高合閘的速度[8]。要實現(xiàn)同相位點合閘，還存在以下難點：

①要準確地找出頻差、相角差變化的規(guī)律并給出相應的數(shù)學模型，不能簡單地利用線性模型；

②殘壓頻率變化的不完全連續(xù)性，有跳變；

③頻率測量的間斷性，頻率10 ms半周波測量1次，造成頻差及相差測量的間斷和偏差；

④由于斷路器合閘回路的時間也有一定的離散性(斷路器廠家給出的合閘時間只是1個范圍，比如35～100 ms)，幾乎不可能根據(jù)合閘時間預判合閘相位差；

⑤由于在同期捕捉階段相位差的變化速度可達1°/ms～2°/ms，因此任何一方面產(chǎn)生的誤差都將大大降低合閘的準確性[9]。

目前市面上的產(chǎn)品快速切換裝置都是采用斷路器作為主控開關，但斷路器有自身的合閘時間(35～100 ms)，因此很難做到同相點合閘，所謂的“同期捕捉切換”只是在相位差比較大的范圍內(nèi)合閘，然而，研發(fā)的基于大功率固態(tài)開關的雙電源快速切換裝置，采用可控硅作為主控開關，可控硅的觸發(fā)導通時間幾乎可以忽略不計，因此才能做到正真的“同期捕捉切換”，即在同相點附近合閘(典型相位差22°)，從而最大程度地減少了合閘對電動機以及其它負荷的沖擊，做到真正的“安全切換”。

2.3 殘壓切換模式原理

當母線殘壓衰減到額定電壓的30%(典型值)時，由于電壓衰減的非常大，相位差對合閘沖擊的影響基本可以忽略不計，此時執(zhí)行的切換通常稱為殘壓切換[11]。殘壓切換模式下雖能滿足電動機安全電壓的要求，但由于斷電時間過長電動機自起動是否成功、自起動時間等都將受到非常大的限制。

3 軟硬件簡介

3.1 裝置硬件設計

本文中的基于大功率固態(tài)開關的雙電源快速切換裝置采用2個32位ARM處理器，2個MCU的主頻都在480 MHz以上，運算速度快、性能穩(wěn)定可靠。采用高性能16位A/D轉換器，精度高，轉換速度快。開入開出電路都采用光耦隔離技術，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與抗干擾能力。本裝置采用7寸液晶屏顯示，中文操作界面的系統(tǒng)十分友好?？傮w設計如圖2所示。

圖2 基于大功率固態(tài)開關的雙電源快速切換裝置總體設計

3.2 固態(tài)開關驅動電路設計

本固態(tài)切換開關見圖3，采用大功率可控硅并聯(lián)設計、采用并聯(lián)可控硅同步驅動技術，保證并聯(lián)的每個可控硅可以同時驅動。固態(tài)開關具體設計參數(shù)為額定電壓12 kV，電壓波動范圍-20%～10%，工作頻率為50±1.25 Hz，額定電流可根據(jù)客戶具體要求設計為630 A或1 250 A，切換時間為0.02 s～0.04 s，額定短時耐受電流為0.1 s 8 kA，額定峰值耐受電流為0.01 s 20 kA，設備1 min工頻相間對地額定絕緣為42/42 kV，固態(tài)開關1 min工頻受電閥段對地/閥段間額定絕緣為42/18 kV。

圖3 固態(tài)切換開關

4 應用案例

某企業(yè)為大型石油管道運輸企業(yè)，由于輸油管線長，需要在石油管線中配備多個大型泵站，為保證石油的正常輸送，配備雙電源切換裝置提供不間斷供電就顯得尤為重要，而傳統(tǒng)的備自投裝置切換速度慢，造成泵站設備短時運行中斷，從而影響整個輸油管線石油的輸送。

針對該石油管道輸送存在的實際問題，凱晨電氣提出了固態(tài)快速切換裝置的解決方案，如圖4所示，使用快速、安全的固態(tài)雙電源切換系統(tǒng)，從而保障大型石油管道輸送系統(tǒng)的正常工作。

圖4 石油管道供電系統(tǒng)結構及切換過程

5 結 論

通過現(xiàn)場安裝測試，基于大功率固態(tài)開關的雙電源快速切換裝置性能遠優(yōu)與同類產(chǎn)品，其優(yōu)點主要表現(xiàn)在以下方面：

①在保證切換安全的情況下切換時間更短，為20～40 ms,同類型產(chǎn)品大于100 ms。

②多參數(shù)的冗余故障判斷，更安全可靠。

③殘壓衰減相對較快的情況下，相比于其它廠家優(yōu)勢非常突出。