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【摘 要】为了满足工业企业的连续供电需求，备用电源自投装备的应用越来越广泛。本文结合传统备用电源应用状况，对备用电源快速切换装置在电厂的应用进行分析与阐述。
【关键词】备用电源； 快速切换； 电厂； 应用
1 应用背景
传统的备自投装置立足于三个启动条件:1、工作回路无电流( 工作电源已断开) ; 2、负荷母线无电压( 负荷母线电压低于限制值或为零) ; 3、备用回路有电压( 备用电源电压正常) 。第1、2两个启动条件决定了负荷母线的失压时间相对较长, 母线上的电动机已经停转或剩余转速已经很低。这对于连续运转要求不高的工艺设备是允许的, 特别是辅以电动机的成组自启动, 传统备自投装置能够缩短供电的恢复时间, 且能提高供电系统的自动化水平。但对于在电厂那些连续运转要求高的工艺设备,例如润滑油泵、顶轴油泵、密封油泵，中断供电可能导致发电机的严重损坏甚至会可能发生爆炸,传统备自投显然不能适应。随着科学技术的进步, 快速断路器( 分、合闸时间小于100ms) 已广泛使用, 监视电源初相角的手段也日臻完善, 奠定了备用电源快速切换的物质基础。国内外生产厂家纷纷推出自己的产品, 众多的用户也越来越有兴趣使用这种装置。
2 电源切换方式
一般电厂厂用电系统设有工作电源及备用电源，正常运行时由工作电源供电，停机及事故时由备用电源供电。由正常工作电源到备用电源的切换，需要装设电源切换装置，由于快切装置在启动方式及切换时间上具备明显的优势，使得厂用电快切装置在供配电系统中得到广泛应用。典型的发电厂用电系统简图如图1所示。10 kV厂用电源从发电机出口引出，正常运行时机组由厂用电供电，机组在起动时由起动电源供电，起动结束后切换到厂用电源，停机时由厂用电切换到备用电源。另外，当机组或厂用工作电源发生故障时，为了保证厂用电不中断及机组安全有序地停机，不扩大事故，必须尽快把厂用电电源从工作电源切换到备用电源。
图1 典型厂用电系统简图
系统的初始工作状态为单回路电源供电, 两分段母线并联运行(CB1、CB2 为闭合状态, CB3为分闸状态) 。当高压厂用变( 以后称工作电源) 因故失电, 或断路器CB1误跳闸, 工作段母线和备用段母线失去电源, 负荷母线上的电动机群由于机械惯性的作用, 轉速由额定值逐步下降, 转子电流磁场在定子绕组中反向感应电势, 形成反馈电压, 此电压称为母线残压Ud。随着时间的推移, 母线残压的幅值和相位随着电机转速的变化而变化。在此变化期间, 如果断路器CB3快速合闸, 高压启备变(以后称备用电源) 向母线供电,备用电源电压Us2与母线残压Ud相量叠加, 两者的相量差为△U, 以失电前的工作电源电压Us1为参考相量( 相角为0)。为了便于分析, 先假设工作电源电压(Us1) 与备用电源电压(Us2) 同相位, 并将负荷母线上的电动机群等效为单台电动机, 同时忽略电动机的绕组电阻和励磁阻抗等, 以等值电势Ud和等值电抗Xm代表电动机, 以等值电势Us和等值电抗Xs代表电源。
3 电路分析
等值电路可作为备用电源系统与负荷母线上电动机群的暂态分析模型
QF0 合闸后, 电动机绕组上承受的电压为:
Um =X m/(X s + Xm)*( Us - Ud) =Xm/(X s + X m)*△U,令:Xm/(X s + X m)=K,则Um = K *△U
等值电路：
为电动机的安全起见, 电动机绕组上承受的电压应小于电动机起动时的允许电压, 其值为电机额定电压( UDe ) 的1.1 倍。即:K*△U < 1.1UDe，即△U/ UDe< 1.1/K(电机正常工作时UDe=Us)，假设X s / X m = 1/ 2, 则K = 0. 67, 此时电压差幅值占电源电压幅值的比值△u%< 1. 64。
电压向量关系的极坐标图：
以A 点为圆心, 以1. 64 为半径绘出弧线A'- A'', 弧线A'- A '右侧的区域为备用电源允许投入的安全
区域, 左侧为不安全区域。理论上, K 值在0~ 1 之间变化, K值越大, 弧线越向右移, 安全区域越小。从图2 看出, 负荷母线失压后, 残压母线由A 点向B 点方向移动, 如能在A- B 弧段内投入备用电源, 则既能保证电动机不会出现过电压, 又不使电动机转速下降太多, 在此区域内的电源切换, 就是所谓的快速切换。
4 快切存在不确定因素
4.1 快速切换的成功率存在不确定性。在前面的原理分析过程中, 使用过两个假设条件, 一是备用电源电压与工作电源电压同相位, 二是电源等值电抗X s 与电动机等值电抗X m 之比为安全区域。但实际工程中这两个条件都不一定成立。对于前者来说, 为了确保两路电源不会同时消失, 一般要求工作电源和备用电源是相互独立的, 既然它们相互独立,就很难保证它们同相位, 如果备用电源电压相量与工作电源电压相量存在一个超前的初始的相位角则快速切换的安全性就会减小。对于后者来说, Xm值是随着负荷母线上运行电动机的数量增减而变化, 也即K值在0~ 1 的范围内变化, 快速切换的安全区域也随之变化。除此之外, 电动机负载性质不同, 其转动惯量也不同, 母线上的残压的衰减规律也相应变化, 即极坐标中残压螺旋线也不是一成不变的。上述三者的不确定, 导致了快速切换的成功率存在着不确定性, 而这不管是基于捕捉同期点准则还是捕捉电动机耐受电压点准则, 都有这样的问题存在。
4.2 快速切换时备用电源的稳定与安全存在不确定性。此问题包含两个方面, 一方面是备用电源侧变压器富余容量是否足够, 如果变压器容量不够大, 一旦备用电源投入成功, 负荷母线与备用母线上的负荷之和超出变压器的负荷能力, 则会影响备用变压器的正常工作。另一方面, 备用电源投入时, 负荷母线上的电动机群同时再加速, 再加速冲击电流对备用电源的保护电器会产生较大的影响。如果继电保护整定值没有考虑躲过这一冲击电流, 则可能导致保护动作, 备用电源跳闸, 反而扩大了停电范围。
4.3 快速切换时电动机的安全存在不确定性。尽管快速切换的重要判据之一是捕捉电动机耐受电压点准则, 但在负荷母线上电动机数量较多的场所, 各类电动机的参数和驱动机械的惯量特性存在着差异, 因而合成母线残压特性曲线与分类的电动机的残压特性曲线差异较大, 按母线残压曲线为基准确定的快切投入点, 并不能确保每类电动机都是安全的, 仍然存在某台或某几台电动机因过压而损坏的风险。
4.4 快速切换时两回电源间是否出现环流存在不确定性。为了能在极窄的安全区域内完成切换, 快切装置一般采用同时切换( 另两种切换方式为相继切换- 串联切换和搭接切换- 并联切换) , 所谓同时切换, 就是切换命令同时发给负荷母线进线断路器( QF1 ) 和接入备用电源的母联断路器( QF0 ) , 正常情况下, 断路器的分闸快于断路器的合闸, 即QF1 先分闸, QF0 后合闸, 不会有两回电源并联并出现环流的情况, 但断路器分、合闸时间差距不大, 如真空断路器分合闸时间差只有10~ 30 ms。在工程实际中考虑到断路器分、合闸机构机械特性的分散性,
同时, 断路器多次分、合动作机械变形等因素的影响, 并不能保证同时接到命令的两个断路器一定是先分后合, 特别是当进线断路器万一出现分闸拒动, 则两路电源有可能并联, 并出现环流。环流的大小取决于两个电源的相量差和环路内的阻抗, 如果环流过大, 会使备用电源的过流保护动作, 同样会扩大停电范围, 严重时环流甚至可能会超出断路器的速断容量而损坏断路器。
由上可见，厂用电切换方式根据不同类型的电厂以及高压厂用电一次接线方式的不同，对厂用电自动切换的要求也不同，如何以最合适的方式进行厂用电切换，值得进一步深入探讨。
参考文献：
[1]梅兴虎.备用电源切换机理及相关问题的研究[D].东南大学：电力系统及其自动化，2009
[2]艾德胜.以电流为判据的厂用电源快切原理及实现[J].电力自动化设备，2006（6）
[3]沈永红.发电厂厂用电快速切换技术研究[J].企业技术开发：下，2011（11）
【关键词】备用电源； 快速切换； 电厂； 应用
1 应用背景
传统的备自投装置立足于三个启动条件:1、工作回路无电流( 工作电源已断开) ; 2、负荷母线无电压( 负荷母线电压低于限制值或为零) ; 3、备用回路有电压( 备用电源电压正常) 。第1、2两个启动条件决定了负荷母线的失压时间相对较长, 母线上的电动机已经停转或剩余转速已经很低。这对于连续运转要求不高的工艺设备是允许的, 特别是辅以电动机的成组自启动, 传统备自投装置能够缩短供电的恢复时间, 且能提高供电系统的自动化水平。但对于在电厂那些连续运转要求高的工艺设备,例如润滑油泵、顶轴油泵、密封油泵，中断供电可能导致发电机的严重损坏甚至会可能发生爆炸,传统备自投显然不能适应。随着科学技术的进步, 快速断路器( 分、合闸时间小于100ms) 已广泛使用, 监视电源初相角的手段也日臻完善, 奠定了备用电源快速切换的物质基础。国内外生产厂家纷纷推出自己的产品, 众多的用户也越来越有兴趣使用这种装置。
2 电源切换方式
一般电厂厂用电系统设有工作电源及备用电源，正常运行时由工作电源供电，停机及事故时由备用电源供电。由正常工作电源到备用电源的切换，需要装设电源切换装置，由于快切装置在启动方式及切换时间上具备明显的优势，使得厂用电快切装置在供配电系统中得到广泛应用。典型的发电厂用电系统简图如图1所示。10 kV厂用电源从发电机出口引出，正常运行时机组由厂用电供电，机组在起动时由起动电源供电，起动结束后切换到厂用电源，停机时由厂用电切换到备用电源。另外，当机组或厂用工作电源发生故障时，为了保证厂用电不中断及机组安全有序地停机，不扩大事故，必须尽快把厂用电电源从工作电源切换到备用电源。
图1 典型厂用电系统简图
系统的初始工作状态为单回路电源供电, 两分段母线并联运行(CB1、CB2 为闭合状态, CB3为分闸状态) 。当高压厂用变( 以后称工作电源) 因故失电, 或断路器CB1误跳闸, 工作段母线和备用段母线失去电源, 负荷母线上的电动机群由于机械惯性的作用, 轉速由额定值逐步下降, 转子电流磁场在定子绕组中反向感应电势, 形成反馈电压, 此电压称为母线残压Ud。随着时间的推移, 母线残压的幅值和相位随着电机转速的变化而变化。在此变化期间, 如果断路器CB3快速合闸, 高压启备变(以后称备用电源) 向母线供电,备用电源电压Us2与母线残压Ud相量叠加, 两者的相量差为△U, 以失电前的工作电源电压Us1为参考相量( 相角为0)。为了便于分析, 先假设工作电源电压(Us1) 与备用电源电压(Us2) 同相位, 并将负荷母线上的电动机群等效为单台电动机, 同时忽略电动机的绕组电阻和励磁阻抗等, 以等值电势Ud和等值电抗Xm代表电动机, 以等值电势Us和等值电抗Xs代表电源。
3 电路分析
等值电路可作为备用电源系统与负荷母线上电动机群的暂态分析模型
QF0 合闸后, 电动机绕组上承受的电压为:
Um =X m/(X s + Xm)*( Us - Ud) =Xm/(X s + X m)*△U,令:Xm/(X s + X m)=K,则Um = K *△U
等值电路：
为电动机的安全起见, 电动机绕组上承受的电压应小于电动机起动时的允许电压, 其值为电机额定电压( UDe ) 的1.1 倍。即:K*△U < 1.1UDe，即△U/ UDe< 1.1/K(电机正常工作时UDe=Us)，假设X s / X m = 1/ 2, 则K = 0. 67, 此时电压差幅值占电源电压幅值的比值△u%< 1. 64。
电压向量关系的极坐标图：
以A 点为圆心, 以1. 64 为半径绘出弧线A'- A'', 弧线A'- A '右侧的区域为备用电源允许投入的安全
区域, 左侧为不安全区域。理论上, K 值在0~ 1 之间变化, K值越大, 弧线越向右移, 安全区域越小。从图2 看出, 负荷母线失压后, 残压母线由A 点向B 点方向移动, 如能在A- B 弧段内投入备用电源, 则既能保证电动机不会出现过电压, 又不使电动机转速下降太多, 在此区域内的电源切换, 就是所谓的快速切换。
4 快切存在不确定因素
4.1 快速切换的成功率存在不确定性。在前面的原理分析过程中, 使用过两个假设条件, 一是备用电源电压与工作电源电压同相位, 二是电源等值电抗X s 与电动机等值电抗X m 之比为安全区域。但实际工程中这两个条件都不一定成立。对于前者来说, 为了确保两路电源不会同时消失, 一般要求工作电源和备用电源是相互独立的, 既然它们相互独立,就很难保证它们同相位, 如果备用电源电压相量与工作电源电压相量存在一个超前的初始的相位角则快速切换的安全性就会减小。对于后者来说, Xm值是随着负荷母线上运行电动机的数量增减而变化, 也即K值在0~ 1 的范围内变化, 快速切换的安全区域也随之变化。除此之外, 电动机负载性质不同, 其转动惯量也不同, 母线上的残压的衰减规律也相应变化, 即极坐标中残压螺旋线也不是一成不变的。上述三者的不确定, 导致了快速切换的成功率存在着不确定性, 而这不管是基于捕捉同期点准则还是捕捉电动机耐受电压点准则, 都有这样的问题存在。
4.2 快速切换时备用电源的稳定与安全存在不确定性。此问题包含两个方面, 一方面是备用电源侧变压器富余容量是否足够, 如果变压器容量不够大, 一旦备用电源投入成功, 负荷母线与备用母线上的负荷之和超出变压器的负荷能力, 则会影响备用变压器的正常工作。另一方面, 备用电源投入时, 负荷母线上的电动机群同时再加速, 再加速冲击电流对备用电源的保护电器会产生较大的影响。如果继电保护整定值没有考虑躲过这一冲击电流, 则可能导致保护动作, 备用电源跳闸, 反而扩大了停电范围。
4.3 快速切换时电动机的安全存在不确定性。尽管快速切换的重要判据之一是捕捉电动机耐受电压点准则, 但在负荷母线上电动机数量较多的场所, 各类电动机的参数和驱动机械的惯量特性存在着差异, 因而合成母线残压特性曲线与分类的电动机的残压特性曲线差异较大, 按母线残压曲线为基准确定的快切投入点, 并不能确保每类电动机都是安全的, 仍然存在某台或某几台电动机因过压而损坏的风险。
4.4 快速切换时两回电源间是否出现环流存在不确定性。为了能在极窄的安全区域内完成切换, 快切装置一般采用同时切换( 另两种切换方式为相继切换- 串联切换和搭接切换- 并联切换) , 所谓同时切换, 就是切换命令同时发给负荷母线进线断路器( QF1 ) 和接入备用电源的母联断路器( QF0 ) , 正常情况下, 断路器的分闸快于断路器的合闸, 即QF1 先分闸, QF0 后合闸, 不会有两回电源并联并出现环流的情况, 但断路器分、合闸时间差距不大, 如真空断路器分合闸时间差只有10~ 30 ms。在工程实际中考虑到断路器分、合闸机构机械特性的分散性,
同时, 断路器多次分、合动作机械变形等因素的影响, 并不能保证同时接到命令的两个断路器一定是先分后合, 特别是当进线断路器万一出现分闸拒动, 则两路电源有可能并联, 并出现环流。环流的大小取决于两个电源的相量差和环路内的阻抗, 如果环流过大, 会使备用电源的过流保护动作, 同样会扩大停电范围, 严重时环流甚至可能会超出断路器的速断容量而损坏断路器。
由上可见，厂用电切换方式根据不同类型的电厂以及高压厂用电一次接线方式的不同，对厂用电自动切换的要求也不同，如何以最合适的方式进行厂用电切换，值得进一步深入探讨。
参考文献：
[1]梅兴虎.备用电源切换机理及相关问题的研究[D].东南大学：电力系统及其自动化，2009
[2]艾德胜.以电流为判据的厂用电源快切原理及实现[J].电力自动化设备，2006（6）
[3]沈永红.发电厂厂用电快速切换技术研究[J].企业技术开发：下，2011（11）