工廠供配電系統中固體靜態切換開關應用

沈 康

（上海中航光電子有限公司，上海 201108）

工廠供配電系統中固體靜態切換開關應用

沈 康

（上海中航光電子有限公司，上海 201108）

介紹了固體靜態切換開關（SSTS）的工作原理和控制策略。SSTS具有提升切換速度、延長開關使用壽命等特性，通過在工廠供配電系統中的分析表明，對于電壓瞬降問題，SSTS能夠通過快速切換對敏感設備起到保護作用。

供配電系統；電能質量；電壓暫降；固體靜態切換開關；晶閘管

隨著電力電子技術的應用和發展，工廠供配電系統在運營過程中經常面臨這樣的情況：一方面影響電能質量的因素在不斷增多，另一方面對電能質量敏感的用電設備也在不斷增加［1-2］。為此，如何設計一套具備快速切換功能的供配電系統以保證持續、可靠供電已成為業內人士考慮的重點。目前，供配電系統中普遍采用的切換開關切換周期大多在數秒或數十秒之間，即使采用真空開關或油開關切換，最快也需要0.1～0.2s［3］，此間的電壓驟降必會引起敏感設備不必要的停機，并造成嚴重的后果［4］。因此，各類能夠提高供電連續性和可靠性的快速切換裝置應運而生，固體靜態切換開關（Solid Static Transfer Switch，SSTS）由于具有高速切換、結構緊湊等特點，更是得到廣泛的應用［5］。本文闡述了SSTS的工作原理和控制策略，以液晶面板廠供配電系統為例分析了SSTS的應用。SSTS能快速提升切換速度，對敏感設備起到保護作用。

1 SSTS裝置工作原理

SSTS是混合的開關裝置，由3組雙向晶閘管（SU1，SU2，SU3）和高速機械開關（PS1，PS2，PS3）組成，其中每組雙向晶閘管與機械開關并聯接入所屬系統。SSTS系統在不同電源系統切換時，可以通過兩者之間動作的時序控制實現系統切換的無縫銜接，滿足負載持續供電的要求。從結構上看，一套SSTS系統主要有5面機柜組合構成，為了便于進出線走向及系統聯絡連接，由左至右依次排列為Source－1進線柜、Load－1出線柜、聯絡柜、Load－2出線柜、Source－2進線柜；在每面柜體上可通過觸摸屏和指示燈實時顯示線路運行狀態，便于運行監控。當兩路電源供電正常時，各自通過機械開關PS1和PS2分別向Load－1和Load－2供電，如圖1所示。

圖1 正常時SSTS供電方式Fig.1 Powder supply mode of SSTS under normal conditions

當Source－1出現故障時，PS1斷開而TS1同步閉合。此時，作為中間裝置的TS3閉合，TS1再斷開，導致Load－1負荷通過Source－2供電，隨后機械開關PS3閉合，TS3斷開，旁路PS3持續為Load－1供電，如圖2所示。

由于SSTS運用并聯高速機械開關和晶閘管固態電源切換開關的設計方案，正常情況下線路電流僅經過機械開關，只有在切換期間晶閘管才投入運行，這樣可以減少晶閘管的工作時間，解決了常規固態開關運行時的損耗問題，從而有效克服了其他切換開關存在的使用壽命短、故障率高等技術軟肋。

圖2 Source－1異常時SSTS供電方式Fig.2 Source－1SSTS power supply mode under abnormal conditions

2 SSTS裝置控制策略

根據運營經驗，敏感設備受電壓暫降的影響取決于供電系統電壓暫降特性和設備電壓耐受能力，因此，即使配置有電源切換裝置，若供電線路切換電源的方式不當，同樣會引起供電故障和電力運行事故［6－7］。

2.1 SSTS的切換條件

由SSTS的電壓測知單元VS1和VS2不斷檢測Source－1、Source－2的電壓U1和 U2，電壓相位角檢測單元（Voltage Phase－Angle Detect，VPD）檢測2個電源之間的相位角，隨時將數據傳送至SSTS的管理控制線路（Supervisory Control Circuit，SCC）。當U1超出設定的上限UH或下限UL，而U2在設定的有效區間內時，SCC將指令信號送到SU1，SU2和SU3，執行從Source－1到Source－2的切換動作。

當出現以下情況時，系統將禁止切換動作操作：①負荷側發生短路或者超載；②VPD檢測到Source－1和Source－2相位角差值大于30°；③V2超過上限或低于下限。

2.2 SSTS切換時序

當Source－1被檢測出電壓異常后，Load－1由Source－2供電的切換時序過程如圖3所示。當檢測到Source－1的電壓瞬降，控制器SCC對開關PS1發出第一次的指令，同時對晶閘管TS1發出一個門信號。TS1導通，電流經PS1流至TS1。在TS1的門信號被斷開前，TS3反向晶閘管產生門信號；TS3導通后，Source－2通過TS3開始對負荷Load－1供電，此時Source－2已同時為Load－1和Load－2供電。隨后開關PS3閉合接替TS3，TS3斷開，切換工作完成。整個切換工作的周期為T1＋T2＋T3，其中，T1為探測周期，T2為切換周期，T3為動作周期。T1和T2最為薄弱，期間大幅值的電壓瞬降難以保護敏感設備不受影響。但是，總體而言，有效的SSTS切換控制策略的確克服了傳統控制策略的弊端，大大縮短了切換裝置的切換時間［8］，保障了敏感、關鍵設備的持續用電。感性負荷所屬變壓器歸類為快速切換組。

圖3 SSTS切換時序圖Fig.3 SSTS switch waveform diagram

工廠供配電系統設計構架如下：4路35kV供電線路，每路35／6kV分別供2段母線，在6kV的8段母線之間安裝了4套SSTS（見圖4）。每套裝置分別由2段母線電源引入，敏感性負荷（允許電壓跌幅＜10%UN，，持續時間＜100ms，其中UN為額定值）所屬變壓器（變壓比6kV／200V，容量1 600kVA，組別Y／△－11等相同）分別接入SSTS系統，由此做到期間小于20ms的快速切換，提高了系統供電的穩定性。同時，對于允許出現短暫電壓波動的應急電源系統選用雙電源自動轉換開關，實現主電源與柴油發電機組供電線路小于500ms的快速切換，以保證應急電源供電。其余一般性負荷所屬變壓器及高壓設備接入各母線供電，利用鄰近母線備自投裝置實現小于1s的快速切換保護，從而構成了具備3個層次的快速切換模式供配電系統。實踐證明，該供配電系統投入運營后，雖然受內外界因素影響出現了多次電壓瞬降現象，但是依靠供配電系統完善的快速切換裝置構架，94%的電壓瞬降得以平穩渡過。

3 SSTS在工廠供配電系統中的應用

圖4 供配電系統構架圖Fig.4 Diagram of power supply and distribution system

3.1 供配系統架構

對于供配電系統的可靠性和連續性，對于不同的用電負荷，其要求是不同的［9］。以液晶面板廠為例，為了能夠設計出切實有效的供配電系統構架，減少電壓瞬降對于工廠用電負荷的影響，縮小事故范圍［10］，在供配電系統前期設計階段作了大量工作：① 明確工廠設備用電要求（如電壓、頻率、功率等參數）；② 根據設備用電需求，選擇各變壓器型號，尤其是變壓器電壓比不可超過5%、連接組別必須相同、容量比不可超過3∶1［11］；③ 針對不同類型負荷進行分類分組，尤其是將敏

3.2 SSTS應用分析

國際電氣與電子工程師協會將電壓瞬降定義為供電電壓有效值快速下降到額定值（UN）的90%～10% ，然后回升至正常值附近的過程；而國際電工委員會則將其定義為下降到額定值的90%～1%，持續時間為10ms～1min的周期［12］。與長時間供電中斷事故相比，電壓瞬降有發生頻率高、事故原因不易察覺、處理起來比較困難的特點，因此在供電部門運營過程中關于電能質量問題的投訴中，90%以上是由電壓瞬降引起的［13-14］。以液晶面板廠近期一起電壓瞬降事故為例，Source－1發生了電壓瞬降，電壓跌幅達80%，持續時間200ms以上。如此大幅度、長時間的電壓瞬降必會導致敏感設備停機，然而由于SSTS系統在1／4周期內完成了切換動作，對敏感設備起到了有效的保護作用。

為了進一步說明SSTS的運營價值，現以SEMI F47生產設備電壓暫降免疫標準作為基準，對液晶面板廠2010年電壓瞬降次數數據進行了測算評估。該廠2010年1～12月間共發生了54次，其中電壓跌幅大于40%、持續時間大于50ms的共28次。以圖6中標識點A為例，當時外線電網電壓瞬降達額定值的50%，持續400ms以上，SSTS在50ms內完成了切換動作，電壓跌幅控制在60%，避免了一次嚴重的電壓瞬降事故。從圖6可以看出，SSTS的快速切換致使94%的電壓瞬降都得到了治理，使之控制在基準線以上符合半導體設備可耐受的水平之上，而基準線以下的3次是由于出現2路同時供電異常，SSTS系統閉鎖導致切換失效引起。

圖6 SSTS電壓瞬降治理成果圖Fig.6 Results achieved with the implementation of SSTS voltage sag mitigation techniques

4 結 語

隨著各種敏感電力電子設備在工業中的廣泛應用，用戶對供配電系統的電能質量提出了越來越高的要求。SSTS快速切換裝置可以為敏感，關鍵的設備提供有效的供電保障，對于提高工廠供配電系統供電的連續性和可靠性是較為理想方式之一，因此，其在供配電系統中的應用有重要的意義。

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Application of Solid Static Transfer Switch in Power Supply and Distribution System

SHEN Kang
（Shanghai Avic Optoelectronics Co.，Ltd.，Shanghai 201108，China）

The principle and control strategy of solid static transfer switch（SSTS）are introduced in this paper.SSTS can increase switching speed and prolong service life of switches.In applications of factory power supply and distribution，SSTS can protect sensitive equipments in voltage sags by fast switching.

power supply and distribution system；power quality；voltage sag；solid static transfer switch；thyristor

TM 564.3

A

2095－0020（2011）03－0207－04

2011－10－22

沈 康（1975－），男，碩士生，工程師，技師，專業方向為電氣控制，E－mail：lkangfu＠yahoo.com.cn