錢 清, 王鵬程, 周國華, 張 斌, 童林杰

(1.杭州電力設(shè)備制造有限公司 蕭山欣美成套電氣制造分公司, 浙江 杭州 311217;2.國網(wǎng)浙江杭州市蕭山區(qū)供電有限公司, 浙江 杭州 311200)

0 引 言

隨著我國城市現(xiàn)代化的發(fā)展,電力作為驅(qū)動城市日常運轉(zhuǎn)的主要動力源,其中有消防控制系統(tǒng)、電梯、大型商場(大型人員聚散)的照明等用電設(shè)備,屬“一類(重要)用電負(fù)荷”,按供配電設(shè)計規(guī)范,要求配備3個電源,以保障其供電可靠性、連續(xù)性,采用多個電源的冗余供電系統(tǒng),是一項主要的技術(shù)措施。

GB 50052—2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)用電設(shè)備對社會政治生活、經(jīng)濟活動影響嚴(yán)重性,將用電負(fù)荷劃分為一級、二級、三級。一級為重要負(fù)荷,應(yīng)由二個電源供電,當(dāng)一個電源故障時,由另一個電源保障其供電[1]。雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)(ATSE)因運而生,替代配電室值班人員,監(jiān)視二個電源狀況,當(dāng)一個電源故障時,將重要負(fù)荷自動轉(zhuǎn)換至另一個電源供電,保障其連續(xù)可靠運行[2]。

一級重要用電負(fù)荷中,影響生命健康用電負(fù)荷,以及特別重要場所的用電負(fù)荷,視為特別重要負(fù)荷,設(shè)計規(guī)范要求采用三個相對獨立的電源系統(tǒng)冗余供電。工程中一般采用2個公共電網(wǎng)電源、1個發(fā)電機(和/或UPS)電源,如文獻[3]介紹了醫(yī)院發(fā)熱門診擴建工程電氣設(shè)計方案,采用了3個電源的低壓配電系統(tǒng)。

另外,某些場所2個公共電網(wǎng)電源不足以滿足一級重要用電負(fù)荷的供電連續(xù)性等原因,也會配備發(fā)電機作應(yīng)急電源,如展覽館、劇場的低壓配電系統(tǒng)。

1 目前三電源的自動轉(zhuǎn)換方式

1.1 母聯(lián)開關(guān)+ATSE

由于3個交流電源的初相角偏差、頻率偏差、電壓偏差等因素的影響,不能并列供電,同一時刻只能由其中的某一個電源,對特別重要用電負(fù)荷供電。通常由電網(wǎng)電源(UⅠ)供電;當(dāng)UⅠ異常時,切換至另一電網(wǎng)電源(UⅡ)供電;如果發(fā)生地震、強雷暴、強風(fēng)暴等緊急事態(tài),UⅡ、UⅠ2個公共電網(wǎng)停電時,起動發(fā)電機(UF)供電。上述過程中,電網(wǎng)電源(UⅠ)與電網(wǎng)電源(UⅠ)之間由值班人員操作母聯(lián)開關(guān)轉(zhuǎn)換;電網(wǎng)電源與發(fā)電機之間的轉(zhuǎn)換由ATSE完成。

1.2 2臺ATSE

采用2臺ATSE實現(xiàn)三個電源之間自動轉(zhuǎn)換的方案,其中1臺“電網(wǎng)Ⅰ-電網(wǎng)Ⅱ型ATSE”和1臺“電網(wǎng)-發(fā)電機型ATSE”。采用2臺雙電源轉(zhuǎn)換開關(guān)的電路如圖1所示。

圖1 采用2臺雙電源轉(zhuǎn)換開關(guān)的電路

簡略工作原理(邏輯關(guān)系)如下:

(1)1號ATSE檢測到:電網(wǎng)Ⅰ正常、電網(wǎng)Ⅱ正常,優(yōu)選S1“合閘”;S2“分閘”鎖定。2號ATSE檢測到:電網(wǎng)側(cè)正?！x擇S3“合閘”;發(fā)電機側(cè)S2“分閘”鎖定。電網(wǎng)Ⅰ→S1→S3→負(fù)載。

(2)1號ATSE檢測到:電網(wǎng)Ⅰ異常、電網(wǎng)Ⅱ正常,選擇S2“合閘”;S1“分閘”鎖定。2號ATSE檢測到:電網(wǎng)側(cè)正常,選擇S3“合閘”;發(fā)電機側(cè)S2“分閘”鎖定。電網(wǎng)Ⅱ→S2→S3→負(fù)載。

(3)1號ATSE檢測到:電網(wǎng)Ⅰ、電網(wǎng)Ⅱ都異?！鷥?yōu)選S2、S1“分閘”。2號ATSE檢測到:電網(wǎng)側(cè)異常,S3“分閘”鎖定,起動發(fā)電機S4“合閘”。(發(fā)電機→S4→負(fù)載)。1號ATSE檢測到:電網(wǎng)Ⅰ(和/或)電網(wǎng)Ⅱ恢復(fù)正常;回到a或b狀態(tài),并使發(fā)電機停止。

1.3 目前三電源轉(zhuǎn)換方式存在的問題

母聯(lián)開關(guān)+ATSE的問題,母聯(lián)開關(guān)的轉(zhuǎn)換,需值班人員觀察2路電網(wǎng)電壓的狀態(tài),分析是否有過/欠壓、缺相等故障,判斷是電壓波動,還是持續(xù)故障之后再手動操作母聯(lián)開關(guān),完成電源轉(zhuǎn)換。整個過程時間較長,且受值班人員的工作經(jīng)驗等因數(shù)的影響。

2臺ATSE存在的問題:體積大,占用配電柜的空間多;性價比低,需2臺雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)投資,且安裝、接線繁瑣;轉(zhuǎn)換過程較長,且是串聯(lián)使用,故障概率增加1倍,可靠性較差。

2 三電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)

三電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)的功能與雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)相似,需分別檢測三路電源的電壓偏差(或頻率偏差),自動轉(zhuǎn)換至狀態(tài)正常的電源對特別重要用電負(fù)荷。如優(yōu)先選擇狀態(tài)正常的公共電網(wǎng)電源,對特別重要負(fù)荷供電,其中2個公共電網(wǎng)電源設(shè)置一常用一備用時,優(yōu)先選擇常用電源,備用電源次之;設(shè)置互為備用時,任選其一。當(dāng)2個公共電網(wǎng)電源異常時,起動發(fā)電機至電壓正常時,自動轉(zhuǎn)換至特別重要用電負(fù)荷供電。

三電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)用途,是替代上述2個雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān),實現(xiàn)3個電源間的自動轉(zhuǎn)換,主要結(jié)構(gòu)是由3個開關(guān)設(shè)備作主回路(其中包括三個檢測電路),分別與電源連接;一個控制器接收檢測電路的信息,判別電源狀態(tài)(正常/異常),按預(yù)定程序控制開關(guān)設(shè)備切換電源。另外,3個開關(guān)設(shè)備之間還有一套機械互鎖機構(gòu)和一套電氣互鎖電路,防止電源并列運行,滿足文獻[2]、文獻[3]規(guī)定的電氣安全要求。

三電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)的類型為派生型CB級自動轉(zhuǎn)換開關(guān),適用的電源類型為電網(wǎng)-電網(wǎng)-發(fā)電機。

3 三電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)設(shè)計方案

3.1 選用塑殼斷路器作主回路開關(guān)

本設(shè)計方案采用GF系列數(shù)智斷路器,具有DC 12 V的輔助電源輸出端口[4]。因此,省略了采用其他開關(guān)電器時,在其外部配備的電壓取樣電路,使三電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)的結(jié)構(gòu)整潔緊湊,電路簡潔可靠。

3.2 控制器設(shè)計方案

控制器的工作電源由3臺數(shù)智斷路器的DC 12 V輔助電源輸出端口并聯(lián)供電,省略控制器的電源模塊部分的電路,減少發(fā)熱;不需要引入380 V電源,提高MEC性能,安全可靠。

控制器的4個開關(guān)量輸出端口,分別與3臺數(shù)智斷路器的開關(guān)量遠(yuǎn)控端口、發(fā)電機遠(yuǎn)控端口連接。

控制器采用RS-485串口通信,與3臺數(shù)智斷路器雙向通信,接收斷路器檢測的電壓、過電壓、缺相等電源故障信息,根據(jù)3個電源的(故障/正常)狀況,按預(yù)定的優(yōu)先順序,命令3臺數(shù)智斷路器“分閘”、“合閘”。

默認(rèn)優(yōu)先順序如下:

(1)電網(wǎng)Ⅰ正常,電網(wǎng)Ⅱ正常,發(fā)電機停止。命令S2、S3“分閘”鎖定;S1“合閘”。電網(wǎng)Ⅰ,經(jīng)S1至負(fù)載。

(2)電網(wǎng)Ⅰ異常、電網(wǎng)Ⅱ正常、發(fā)電機停止。命令S1、S3“分閘”鎖定;S2“合閘”。電網(wǎng)Ⅱ經(jīng)S2至負(fù)載。

(3)電網(wǎng)Ⅰ異常,電網(wǎng)Ⅱ異常,發(fā)電機停止?？刂破魇щ?其內(nèi)部的繼電器失壓動作,常開觸頭經(jīng)開關(guān)量端口,起動發(fā)電機至電壓正常;S3的DC 12 V使控制器恢復(fù)正常。命令S1、S2“分閘”鎖定;S3“合閘”(發(fā)電機,S3至負(fù)載)。

(4)電網(wǎng)Ⅰ(和/或)電網(wǎng)Ⅱ恢復(fù)正常;回到(1)或(2)狀態(tài),并使發(fā)電機停止。

3.3 數(shù)智斷路器之間的電氣聯(lián)鎖、機械聯(lián)鎖

控制器和數(shù)智斷路器的開關(guān)量控制端口中的“分閘”命令包含“鎖定”,是具有抗干擾能力的電氣聯(lián)鎖。電氣聯(lián)鎖還包括,當(dāng)產(chǎn)生錯誤的控制命令,使其他兩路的斷路器也實行合閘操作時,由于機械聯(lián)鎖的作用無法實現(xiàn)合閘,控制器可檢測到電機過載或者合閘時間超過規(guī)定值,發(fā)指令終止斷路器的合閘操作。

三電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)采用滑塊式機械機構(gòu),作3臺數(shù)智斷路器互鎖之用,整套機構(gòu)安裝在其正下方,3個六角軸分別插入數(shù)智斷路器操作件的六角孔,實現(xiàn)聯(lián)動。三電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)的總體布置如圖2所示。

圖2 三電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)的總體布置

滑塊式機械互鎖機構(gòu)原理圖如圖3所示。

圖2、圖3中,基體長度L=斷路器安裝后的總寬+支架;有效滑道長度L1=L2+3L3,其中L2為縱滑塊寬度,L3為大滑塊長度,等于兩斷路器(安裝后)手柄中心線之間的寬度;小滑塊長度L4=L3/3;空程長度L5=L2/2。

圖3 滑塊式機械互鎖機構(gòu)原理圖

由圖2可見,3臺數(shù)智斷路器都處于“分閘”狀態(tài)時,與主觸頭關(guān)聯(lián)傳動的操作件及凸輪處于下始點?；瑝K機構(gòu)的大滑塊(橫向)、小滑塊(橫向)受彈簧推力,對稱分布于滑道中央。

其中任一數(shù)智斷路器(經(jīng)操作件轉(zhuǎn)動180°)處于“合閘”時,凸輪也轉(zhuǎn)動至上終點,推動縱滑塊插入滑道。大滑塊(橫向)、小滑塊(橫向)分別向左、右移動至滑道頂端,即長度方向被填滿;其余2臺數(shù)智斷路器受其凸輪及縱滑塊的約束,被鎖定在“分閘”位置,達到“三選一”機械聯(lián)鎖的目的。

當(dāng)切換電源時,根據(jù)控制器命令,處于“合閘”的數(shù)智斷路器先行退出至“分閘”,滑塊機構(gòu)恢復(fù)初始狀態(tài);之后另一臺數(shù)智斷路器“合閘”,完成電源切換過程。

4 結(jié) 語

本設(shè)計方案充分利用數(shù)智斷路器的性能,如電壓檢測、網(wǎng)絡(luò)通信、遠(yuǎn)程控制、輔助電源等,極大簡化了電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)的二次電路;控制器沒有引入電網(wǎng)電壓,減小了電磁干擾,安全可靠;采用的機械聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)簡單;該產(chǎn)品開發(fā)初期投資少,既可替代2臺雙電源轉(zhuǎn)換開關(guān),又可節(jié)約配電柜占用空間。

在配有網(wǎng)絡(luò)通信的智能電網(wǎng)中,可以用上位機軟件中增加加本操作程序,取消本專用控制器,也可以達到三電源轉(zhuǎn)換功能。所以,三電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)裝置具有較高的性價比。