帶發電機母線的工業企業電源切換過程研究

張 翔 ，衛志農 ，李 杰 ，林 霞 ，苗世華 ，宗洪良

(1.河海大學能源與電氣學院，江蘇南京210098；2.江蘇金智科技股份有限公司，江蘇南京211100)

因故障或誤操作導致進線斷路器跳閘時，廠用電工作母線失電將對整個工廠設備的安全可靠運行產生重大影響[1]。而備用電源切換裝置是保證廠用電安全可靠運行的重要設備。當工作母線失去電源時需要通過備用電源切換裝置投入備用電源,以保證向廠用負荷正常供電。而此時失電母線的殘壓和頻率會不斷衰減[2]，其與備用電源電壓的相角、幅值產生差值，隨著殘壓的快速變化，失電母線與備用電源電壓的相角差逐漸拉開，這就要求必須在快速變化中找出恰當的時刻進行合閘，以滿足合閘瞬間電動機的沖擊電流最小，減小對電動機的損害。常用切換裝置需滿足一定的相角差、頻率差以及殘壓等判別條件才能成功切換。許多石油、化工等廠礦企業在廠用母線側加裝了同步發電機，不僅提高了供電可靠性，加強了對本地重要設備的持續供電，而且提高了工廠備用電源切換的成功率。文中對帶發電機母線的工業企業電源切換過程進行了研究。

圖2殘壓等效電路與相量

1切換原理簡述

工業企業常見的接線如圖1所示。正常運行時，兩段母線分列運行。當進線1或進線2發生故障時，線路保護動作,母線失電。此時快切裝置應跳開進線開關，合上分段開關，由對側進線帶兩段母線運行。

系統的等值電路和相量[3]如圖2所示。

圖中Ud為母線殘壓；Us為備用電源電壓；ΔU為正常電源與失電母線間的電壓差，通常通過沖擊電流表現出來；Xm為失壓母線上電動機組的等值電抗；Xs為備用電源的等值電抗。從圖中可以看出電壓差ΔU與θ角（Us和Ud二者間的夾角）和殘壓Ud相關。定義Um為電動機繞組承受的電壓，則有：

令

則

Um=KΔU （3）

為保證切換安全， 定義合閘時電動機所能承受的電壓不大于1.1 倍的額定電壓UN[4]。因此有：

從而

用極坐標表示的殘壓相量變化軌跡如圖3所示，即以A為圓心，以為半徑作圓，～右側為備用電源允許切換的安全區域，左側則為不安全區域。

圖3殘壓特性相量

可見，Xm越大，即電動機容量較小時，K值越大，殘壓相量圖中的安全區域圓面積越小，安全穩定裕度越小,即圖3中的A'～A"向右移至B'～B"，相應安全區域圓半徑也由AO減小為AO'，因此需更加重視電動機容量較小時的安全切換問題。

2常用合閘方式

2.1快速合閘方式

快速合閘是指當母線電源中斷時，若此時系統滿足切換條件，立刻發出斷路器的合閘指令。此時母線電壓的幅值和頻率下降不多，相角差不大，產生的沖擊電流非常小，切換成功率高，安全性好，對電動機啟動最為有利，因此快速合閘方式也是最被推崇的一種切換方式，對應圖3中的A～B段。

為保證一定的裕度，一般將快速合閘下備用電源電壓與母線殘壓間相角差限制在30°以內，頻差限制在1.5 Hz內，整個動作時間窗限制在100～150 ms范圍。

2.2捕同期合閘方式

捕同期合閘方式[5]又稱為同捕合閘方式。當由于一些客觀原因，例如備用電源電壓和母線電壓本身就存在一個較大的初相角或者開關設備自身條件所限等，快速合閘方式失效時，同捕合閘方式可以作為快速合閘的后備切換，這時裝置自動轉入同期判別，使得廠用電源切換能夠安全進行。同期捕捉切換以相位差為ε（一般為一接近0°的數值）時作為合閘目標，同捕區域位于圖3中的線段AO與殘壓相量運動軌跡的交點C附近。在快速切換方式失效時，如果能實現同捕切換對電動機自啟動也是比較有利的。

2.3殘壓合閘方式

當電壓衰減到（25%～40%）UN后，不考慮是否滿足同期條件，只要殘壓低于殘壓定值，就發出備用電源合閘信號而實現電源切換稱為殘壓切換，這種切換方式下產生的沖擊電流對電動機影響較大。

3 廠用母線加裝同步發電機對電源切換的影響

3.1減小了切換瞬間電動機的沖擊電流

如圖1所示，當工作線路發生故障，保護動作跳開斷路器，將故障隔離，若失壓母線側存在同步發電機，由于該同步發電機為電動機提供了有功補償，且認為該同步發電機的頻率調整特性為：

其中，K為單位調節系數，負荷側加裝同步機后，功率因數一定時，同步發電機容量越大，對電動機提供的有功補償越多，母線失電后有功缺額ΔP越小，K為常數，頻率差Δf也越小，該時間段內平均頻率差也相對減小，而母線失電后相角差為：

即相同時差拉開的速度。若假設原先母線失電時間為Δt時，運行點在圖3中的B點，加裝同步機后，由于相角差Δφ減小，此時運行點在D點，更靠近快切安全區域的中心，且電壓差ΔU'＜ΔU，從而減小了切換時電動機的沖擊電流。

3.2提高了失電后的母線殘壓

快切裝置能夠成功切換對母線殘壓是有要求的，無論是采用快速切換還是同捕切換方式都不能使母線殘壓過低。當低于25%～40%的額定電壓時，以上2種切換方式就會失效。尤其當母線上電動機負荷容量較小時，失電后其維持電壓的能力較弱，殘壓水平較低，快切裝置的快速和同捕切換方式就很有可能失效。母線失電后，如裝設同步發電機，功率因數一定時，容量越大，為母線提供的無功補償越多，即母線殘壓衰減速度減慢甚至不減；而且一般同步發電機容量越大，勵磁系統調節能力越強，維持殘壓的能力也越強。但要注意，母線殘壓水平如果低于發電機低電壓保護定值時，發電機保護會動作，將同步發電機切除。

4算例仿真及結果分析

利用電力系統分析綜合程序包（PSASP）仿真，來驗證廠用同步發電機與電動機負荷容量比不同時相關參數的差異，以此驗證同步發電機對電源切換的影響。某廠接線如圖4所示。

外電網及平衡節點電源可近似認為是無窮大電源，模型參數如下。

圖4 PSASP中廠用母線帶發電機仿真模型

系統：SB=100 MVA，f=50 Hz，高壓母線電壓基值VBh=110 kV，低壓母線電壓基值VBl=6 kV；

110 kV 線路：R1=0.032 p.u.，X1=0.161 p.u.， B1/2=0.153 p.u.，L=1 km；

6 kV 線路：R1=0.008 5 p.u.，X1=0.072 p.u.，B1/2=0.074 5 p.u.，L=1 km；

變壓器數據：歸算至高壓側后R1=0.005 p.u.，X1=0.062 5 p.u.，YnD 連接；

廠用電動機：功率因數為0.9，電動機負荷容量為5 MVA，定子電抗X1=0.295 p.u.，轉子電阻R2=0.018p.u.，轉子電抗 X2=0.18p.u.，慣性時間常數 Tj=2s；

廠用同步發電機：暫態電抗Xd'=0.119 8 p.u.，次暫態電抗Xd"=0.039 8 p.u.，慣性時間常數Tj=6.8 s，功率因數為0.9。

如圖4所示，1s時刻線路110 kV 2段～6 kV 2段發生三相短路故障，故障持續100 ms后保護裝置將線路切除。進行快速切換仿真時，母線失電100 ms后（即1.2 s時刻）快切裝置發合閘命令，母聯開關動作；進行同捕切換仿真時，第一個同捕點到來時刻快切裝置發合閘命令。令正常運行時母線電壓為1 p.u.，仿真結果如表1所示。

從表1仿真結果來看，隨著同步機與電動機容量比的增大，可以得出以下幾個結論：

（1）快速合閘安全動作時間域變長。對比表1中第3列和第4列數據，失電母線相角差為30°及母線頻率差為1.5 Hz的時刻逐漸后移。隨著同步機與電動機容量比增大，快速合閘安全動作時間域將進一步增大，增大趨勢如圖5所示。

（2）由表1中第5列數據可得第一個同捕點到來時刻也逐步后移。采取同捕切換方式進行切換時，第一個同捕點對應的相角差為360°，即第一個同捕點時刻為：

表1同步機與電動機容量比不同時的仿真數據

圖5快切安全動作時間域隨同步機與電動機容量比變化曲線

上式各量定義與4.1一致。同步機容量越大，有功補償越多，平均頻率差越小，同捕時刻越往后移，如圖6所示。

圖6第一個同捕點時刻隨同步機與電動機容量比變化曲線

（3）由表1中第2列數據可得快速切換時母線殘壓逐漸提高，且基本都在0.85以上。從殘壓角度來看，保證了備用電源快速切換的成功率。觀察第6列數據可得同捕時刻殘壓值先增大，后減小。這主要是由于母線殘壓值主要由2個因素決定。一是母線失電后的無功補償程度及勵磁調節能力，功率因數一定時，主要體現在同步發電機的容量上，容量越大，無功補償程度及勵磁調節能力越好，殘壓水平越高；二是母線失電的時間對于同捕方式而言，隨著同步發電機與電動機容量比增大，同捕點時刻后移，即母線失電時間變長，殘壓水平降低。

由表1可以看出，快速合閘方式下殘壓值均能很好地滿足切換要求的殘壓條件，而同捕方式下，不裝設同步發電機時，殘壓值僅為0.32 p.u.，低于0.4 p.u.，即不滿足安全切換的殘壓條件，而導致切換失敗。而裝設了同步機后，由于同步機的無功補償及勵磁作用,使得母線殘壓水平都能維持在0.4 p.u.以上，滿足了同捕切換時的殘壓條件。但相關文獻[6，7]中提到，發電機低電壓保護定值一般設為0.8 p.u.，低頻保護定值一般為48 Hz，由表1數據來看，同步機與電動機容量比不同時，各同捕時刻總是比母線頻率差為1.5 Hz的時刻小，說明同捕切換時頻率不會低于48.5 Hz，但同步機與電動機容量比較小，采用同捕切換時，母線殘壓水平不夠高，會導致發電機低電壓保護動作，將發電機切除。

5結束語

目前許多工業企業在廠用母線側加裝了同步發電機，不僅提高了供電可靠性，加強了對本地重要設備的持續供電，同時對提高廠用電源切換的成功率也有較大幫助。綜上所述，同步發電機在電源切換中有如下作用：（1）同步機的有功補償作用減慢了失電母線相角差拉開的速度。相同時間間隔內，間接地減小了二者的電壓差，即減小了切換瞬間電動機的沖擊電流，從沖擊電流的角度提高了電源切換的成功率。（2）同步機的無功補償及勵磁作用提高了失電母線的殘壓值，從殘壓角度提高了電源切換的成功率。（3）隨著同步機與電動機容量比增大，快速合閘方式下電源切換的成功率增大。而當同步機與電動機容量比較小，且采用同捕方式進行電源切換時，失電母線殘壓值可能會低于發電機保護定值，導致發電機被切除。此時若因為快速合閘方式失效而不得不采取同捕方式進行切換時，可以適當切除一些負荷等級較低的負荷，來維持切換所需的殘壓條件。

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