楊志紅 王開鴻 孫宏 周川 孫猛 張云鵬 張恩壽 楊津聽 廖瑞祥

摘 要：對大型糖廠的用電負荷進行分類，分析研究供電方式基礎數據的計算原則、用電負荷的計算方法；依據感應電動機的運行狀態(tài)對其自啟動方式進行分類，對允許感應電動機自啟動的最低母線電壓進行分析，并研究不同感應電動機組在自啟動時最低母線電壓的允許范圍；分析研究快速投切的工作原理。對比研究目前常用的快速切換方式；對糖廠配電網絡工作母線失電后的母線殘壓變化過程進行研究，列出快速切換可能遇到的問題；為確保大型糖廠的用電安全，給出了適用于糖廠快速切換的控制方案，以確保大型糖廠用電的連續(xù)性和可靠性。

關鍵詞：糖廠；用電負荷分類；自啟動；快速切換；母線殘壓；備用電源

中圖分類號：TM32 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A 文章編號：2095-820X（2023）02-0032-06

0 引言

隨著現代制糖工業(yè)技術的迅速發(fā)展，糖廠配電網絡中的重要負荷越來越多［1，2］，特別是大型糖廠對供電的連續(xù)性和可靠性提出了更高要求。如自備電廠鍋爐的鼓引風機、給水間的給水泵、壓榨車間的切絲機、壓榨機組、蒸發(fā)煮煉工段的真空泵均要求連續(xù)可靠地工作。一旦發(fā)生停電事故將中斷或長時間中斷工藝流程，產生廢品，威脅生產設備安全，產生經濟損失，甚至發(fā)生火災、爆炸等事故，危及人身安全。糖廠用電負荷90%以上是10 kV或380 V的感應電動機［3］。其負荷特點是當工作母線的電源停止供電后，由于電動機及其拖動負載轉動慣量的存在，電動機轉子不會立即停止，同時在定子側繞組中產生感應電動勢，若此時電動機定子還連接在母線上，則此感應電動勢形成母線上的殘余電壓（稱為母線殘壓）［4］。母線殘壓在電源斷電后有一個由機械慣量和電氣慣量共同引起的過渡過程，電動機容量越大、拖動負載慣量越大、母線殘壓衰減過渡過程時間越長。在母線失電時，如果不能在恰當的時刻投入備用電源，由于母線殘壓的存在或全壓低速起動，會引起過大的電壓、電流以及力矩沖擊，過大的沖擊可能會引起保護動作甚至造成電源切換失敗，造成設備損壞。綜上，針對電動機負荷進行電源切換策略的研究，設計快速平穩(wěn)的切換策略，對糖廠降低故障停機時間，減少停機損失，提高供電的連續(xù)性和可靠性具有重要的理論與實踐意義。

1 大型糖廠的供配電系統(tǒng)

1.1 大型糖廠用電負荷分類與供電方式

在糖廠建設之前，常根據用電負荷性質對其進行分類，根據用電負荷類別設計不同的供電方式，依據重要性原則，糖廠的用電負荷可分為以下6類［5］。

I類負荷：這類負荷會導致重大設備損壞、重大產品報廢、用重要原料生產的產品大量報廢，重點企業(yè)的連續(xù)生產過程停止后需要長時間才能恢復，所以不能突然停電或瞬時斷電而手復供電等。如自備電廠鍋爐的鼓引風機、給水間的給水泵等重型核心負荷。用電安全的規(guī)范和標準要求I類負荷要采用連續(xù)的、可靠穩(wěn)定的母線保障供電，要用備用電源自動投入裝置協同工作或采用配備自動切換裝置的雙電源供電。II類負荷：這類負荷的重要性稍弱，允許短時停電，如壓榨車間的滲透水泵、混合汁泵等。II類負荷采用與I類負荷近似的供電方式，設計規(guī)程要求備用電源采用手動投入即可，無需自動投入。III類負荷：這類負荷的重要性較弱，不在生產工藝的主流程上，長時間停電損失也不大，如機械修理所需負荷、照明負荷、員工取暖負荷等。采用單電源供電。

OI類負荷（即不停電負荷）：要求采用不間斷電源（UPS）或逆變機組供電。OII類負荷：直流保安負荷。OIII類負荷：交流保安負荷。這3類負荷的供電單獨設計。

1.2 大型糖廠供配電網絡的典型結線

大型糖廠典型的主接線圖如圖1所示。糖廠配置了10 kV的發(fā)電機組12MW 1臺、7MW 1臺，供電網路配置10 kV系統(tǒng)，一次回路使用10 kV單母線系統(tǒng)，母聯分段運行，配1臺10 kV母線聯絡柜和1臺隔離柜，壓榨車間的切絲機、壓榨機，鍋爐車間的鼓引風機，給水間水泵等糖廠內部的重要負荷分布在I和II段母線上，并均勻了照明行車等一般負荷，糖廠的電壓等級有10和0.4 kV 2個等級，總負荷約為16000 kW［6］。

給水間供電方式如圖2所示。圖中給水間1回、給水間2回的電源由圖1中的10 kV II段引入，給水間1回是工作電源，給水間2回是備用電源，給水間內各水泵電機均為I類負荷，按設計規(guī)程的要求采用供電可靠性較高的母線給I類負荷供電，同時配備了備用電源自動投入裝置協同工作。給水間除水泵外，還有行車、行車照明、電焊機電源等III類負荷，因不影響快切技術相關問題的研究，圖中并未繪出。糖廠正常生產時，斷路器1處于合閘位置，斷路器2處于分閘位置，由給水間1引來的工作電源通過變壓器1向電動機母線供電。如果系統(tǒng)故障導致工作電源失電，則備用電源自動投入裝置快速發(fā)出指令，工作電源變壓器向電機母線系統(tǒng)供電。如果母線系統(tǒng)故障導致工作電源變壓器失電，則備用電源自動投入裝置發(fā)出指令使斷路器2快速動作，將電動機母線切換到給水間2回路，由備用電源變壓器供電。

1.3 配電網快切原理

為實現連續(xù)可靠地供電，當故障發(fā)生導致工作電源失電時，要求將母線快速切換到備用電源上，由備用電源實現接續(xù)供電。常用的快切方法有快速切換、同期捕捉切換、殘壓切換、長延時切換等［7］。快速切換是指在切換啟動條件滿足時，常用電源電壓與備用電源電壓的相位差、頻率差均在設定定值允許范圍內，母線系統(tǒng)的電壓大于低電壓設定的閉鎖定值，瞬間啟動切換。同期捕捉切換是指母線失電后，捕捉母線殘壓與備用電源的同期點，在同期點時啟動切換，因為選擇首次同期點進行切換時，母線電壓相位差為零，電壓幅值差較小。殘壓切換是指母線三相線電壓在衰減至額定電壓值的20%～40%時，持續(xù)殘壓導致的低電壓保護經過定值延時后實現的動作切除。在3種切換方式未成功切換時，將執(zhí)行長延時切換。長延時切換是一種備用切換方式，延時定值一般為9 s，

2 大型糖廠I類負荷供電母線失電后電動機的性態(tài)分析

為實現將母線快速切換到備用電源上，由備用電源實現連續(xù)供電，從研究大型糖廠I類負荷供電母線殘壓衰減特性出發(fā)，研究快速切換過程中的差拍電壓，結合供電規(guī)程，提出一種實時快速切換的方法，避免傳統(tǒng)切換系統(tǒng)定值難以確定及整定的問題［7］。以圖2所示給水間供電方式圖進行分析，當電動機母線的工作電源斷電后，掛接在母線上的三相感應電動機由于慣性的原因不會立即停止，而將電動機軸上的機械能轉化為電能，倒送到母線，使母線上感生出電壓，稱作殘壓（Residual voltage），也叫母線殘壓。隨時間的推移，母線殘壓的頻率和幅值不斷衰減，由母線系統(tǒng)上電動機組的容量及慣量決定衰減的速度及軌跡。由大容量、大慣性負載的電動機（電動機組）作為發(fā)電機向小容量電動機供電。因此電動機組的殘壓衰減曲線介于單一大容量電動機和單一小容量電動機的殘壓衰減曲線之間［8，9］。

2.1 失電后異步感應電動機的轉子電流

假定t=t0時給異步感應電動機送電投入運行，經過一段時間的起動過程，進入穩(wěn)定運行狀態(tài)，t=t1時，給異步感應電動機供電的工作母線三相電源同時失電，使異步感應電動機定子三相電源也同時失電；失電后定子電流降低到0，為保持主磁路磁通不突變，異步感應電動機轉子電流沒有零序分量，依據電機學理論，可得失電后異步感應電動機的轉子電流方程如式（1）［10-12］。

[ia=Rei+i0=irt1e?t?t1Trcosλib=Rea2i+i0=irt1e?t?t1Trcos （λ+120°）ic=Reai+i0=irt1e?t?t1Trcos （λ+240°）]

…式（1）

式中，Tr=Lr/Rr，是轉子電路的時間常數；[irt1]是t=t1+時刻三相異步感應電動機與電源完全斷開時所形成的轉子電流空間向量的初始值，其模值為[irt1]，相角為[λ]，零序電流為0。

2.2 感應電動機恒轉矩負載下的失電殘壓解析式

對恒轉矩負載時，設負載轉矩為TL，忽略旋轉阻力系數，感應電動機失電殘壓可以表示為式（2）。

[UA=Mmirt1et?t1Trω2r+1T2rcos （ωrt+θ0+φ+λ）UB=Mmirt1et?t1Trω2r+1T2rcos （ωrt+θ0+φ+λ+120°）UC=Mmirt1et?t1Trω2r+1T2rcosωrt+θ0+φ+λ+240°]

…式（2）

式中，[φ=arctan （?Trωr）]，

[ωr=ωr0?p0TLJt=πnr0p030?p0TLJt]。

2.3 感應電動機恒轉矩負載下的失電殘壓衰減圖

依據式（2），在Matlab中用m語言編程實現恒轉矩負載下感應電動機的失電殘壓計算，計算結果如圖3所示。圖3-A是失電殘壓衰減幅值時間圖，橫坐標是時間，縱坐標是失電殘壓的幅值；圖3-B是失電殘壓衰減極坐標圖，1周是360°電角度。感應電動機斷電后，失電殘壓的幅值和頻率等空間向量在不斷衰減時，電源電壓和失電殘壓空間矢量的相位差和矢量差的幅值也在不斷變化。

3 基于差拍電壓的快切技術在大型糖廠的應用

目前使用的快速切換技術對判定失電的響應時間較短，主要用于電源的重合閘或分段母線電源的自動切換，使用中存在一定的局限性；同期捕捉切換是2個幅值基本相等的電壓源進行切換，因為失電殘壓的幅值不斷衰減，備用電源電壓與失電殘壓空間向量差的幅值峰出現在二者相位完全相反或相同之前，致使同期捕捉切換誤差過大。殘壓切換至穩(wěn)態(tài)所需時間較長，長延時切換至穩(wěn)態(tài)所需時間最長。

備用電源電壓與電機失電殘壓之矢量差稱作差拍電壓。本研究采用基于差拍電壓幅值大小判定電源切換時刻的控制方法。在電源切換過程中，真正傷害電動機以及配電線路的因素是過大的沖擊電流，過大的沖擊電流由過大的差拍電壓形成，而差拍電壓是母線殘壓的函數，差拍電壓的特性依賴于母線殘壓的衰減特性。

基于差拍電壓幅值大小判定電源切換時刻控制方法的原理如圖4所示。圖4中，曲線4-1是差拍電壓幅值，曲線4-2是差拍電壓相位，曲線4-3是判定適合切換時刻的差拍電壓幅值的整定值，通常這個整定值設1.1～1.2倍的額定電壓［12］，為使切換過程盡量平穩(wěn)，可設定為額定電壓。圖中同時給出負向電壓的控制線曲線4-4，在曲線4-3與曲線4-4之間的區(qū)域進行切換，差拍電壓幅值較小，引起的瞬態(tài)定子電流向量幅值的峰值也較小，瞬態(tài)電磁轉矩也將先出現正峰值，并且正峰值大于負峰值，是合適的切換區(qū)域。從理論上來看，0.05 s內可實現5擊切換，曲線1、曲線3和曲線4所圍成的區(qū)域為理想切換區(qū)域。

4 結語

基于差拍電壓幅值大小判定電源切換時刻的控制方法通過實時計算母線殘壓的衰減特性，具體使用時一線工人不必全面了解殘壓衰減特性，只要設定備用電源切換時斷路器差拍電壓幅值定值即可，實現快速切換極其方便，不會因壓榨車間的切絲機、壓榨機，鍋爐車間的鼓引風機，給水間水泵等重要負荷所處母線的不同，電機容量與臺數不同導致殘壓特性的不同而改變定值，操作方便，提高了供電的連續(xù)性和可靠性。

致謝：本文的構思和寫作得益于常年在糖廠服務過程中積累的一點經驗和方法，以及糖業(yè)界前輩中國輕工業(yè)聯合會輕紡工程領域專家和中國電機工程學會電氣工程領域專家周崇興教授的指導，在此特表謝意！

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