備用電源快速切換裝置電廠應用的探討

【摘 要】為了滿足工業企業的連續供電需求，備用電源自投裝備的應用越來越廣泛。本文結合傳統備用電源應用狀況，對備用電源快速切換裝置在電廠的應用進行分析與闡述。

【關鍵詞】備用電源； 快速切換； 電廠； 應用

1 應用背景

傳統的備自投裝置立足于三個啟動條件:1、工作回路無電流( 工作電源已斷開) ; 2、負荷母線無電壓( 負荷母線電壓低于限制值或為零) ; 3、備用回路有電壓( 備用電源電壓正常) 。第1、2兩個啟動條件決定了負荷母線的失壓時間相對較長， 母線上的電動機已經停轉或剩余轉速已經很低。這對于連續運轉要求不高的工藝設備是允許的， 特別是輔以電動機的成組自啟動， 傳統備自投裝置能夠縮短供電的恢復時間， 且能提高供電系統的自動化水平。但對于在電廠那些連續運轉要求高的工藝設備，例如潤滑油泵、頂軸油泵、密封油泵，中斷供電可能導致發電機的嚴重損壞甚至會可能發生爆炸，傳統備自投顯然不能適應。隨著科學技術的進步， 快速斷路器( 分、合閘時間小于100ms) 已廣泛使用， 監視電源初相角的手段也日臻完善， 奠定了備用電源快速切換的物質基礎。國內外生產廠家紛紛推出自己的產品， 眾多的用戶也越來越有興趣使用這種裝置。

2 電源切換方式

一般電廠廠用電系統設有工作電源及備用電源，正常運行時由工作電源供電，停機及事故時由備用電源供電。由正常工作電源到備用電源的切換，需要裝設電源切換裝置，由于快切裝置在啟動方式及切換時間上具備明顯的優勢，使得廠用電快切裝置在供配電系統中得到廣泛應用。典型的發電廠用電系統簡圖如圖1所示。10 kV廠用電源從發電機出口引出，正常運行時機組由廠用電供電，機組在起動時由起動電源供電，起動結束后切換到廠用電源，停機時由廠用電切換到備用電源。另外，當機組或廠用工作電源發生故障時，為了保證廠用電不中斷及機組安全有序地停機，不擴大事故，必須盡快把廠用電電源從工作電源切換到備用電源。

圖1 典型廠用電系統簡圖

系統的初始工作狀態為單回路電源供電， 兩分段母線并聯運行(CB1、CB2 為閉合狀態， CB3為分閘狀態) 。當高壓廠用變( 以后稱工作電源) 因故失電， 或斷路器CB1誤跳閘， 工作段母線和備用段母線失去電源， 負荷母線上的電動機群由于機械慣性的作用， 轉速由額定值逐步下降， 轉子電流磁場在定子繞組中反向感應電勢， 形成反饋電壓， 此電壓稱為母線殘壓Ud。隨著時間的推移， 母線殘壓的幅值和相位隨著電機轉速的變化而變化。在此變化期間， 如果斷路器CB3快速合閘， 高壓啟備變(以后稱備用電源) 向母線供電，備用電源電壓Us2與母線殘壓Ud相量疊加， 兩者的相量差為△U， 以失電前的工作電源電壓Us1為參考相量( 相角為0)。為了便于分析， 先假設工作電源電壓(Us1) 與備用電源電壓(Us2) 同相位， 并將負荷母線上的電動機群等效為單臺電動機， 同時忽略電動機的繞組電阻和勵磁阻抗等， 以等值電勢Ud和等值電抗Xm代表電動機， 以等值電勢Us和等值電抗Xs代表電源。

3 電路分析

等值電路可作為備用電源系統與負荷母線上電動機群的暫態分析模型

QF0 合閘后， 電動機繞組上承受的電壓為:

Um =X m/(X s + Xm)*( Us - Ud) =Xm/(X s + X m)*△U，令:Xm/(X s + X m)=K，則Um = K *△U

等值電路：

為電動機的安全起見， 電動機繞組上承受的電壓應小于電動機起動時的允許電壓， 其值為電機額定電壓( UDe ) 的1.1 倍。即:K*△U < 1.1UDe，即△U/ UDe< 1.1/K(電機正常工作時UDe=Us)，假設X s / X m = 1/ 2， 則K = 0. 67， 此時電壓差幅值占電源電壓幅值的比值△u%< 1. 64。

電壓向量關系的極坐標圖：

以A 點為圓心， 以1. 64 為半徑繪出弧線A'- A''， 弧線A'- A '右側的區域為備用電源允許投入的安全

區域， 左側為不安全區域。理論上， K 值在0~ 1 之間變化， K值越大， 弧線越向右移， 安全區域越小。從圖2 看出， 負荷母線失壓后， 殘壓母線由A 點向B 點方向移動， 如能在A- B 弧段內投入備用電源， 則既能保證電動機不會出現過電壓， 又不使電動機轉速下降太多， 在此區域內的電源切換， 就是所謂的快速切換。

4 快切存在不確定因素

4.1 快速切換的成功率存在不確定性。在前面的原理分析過程中， 使用過兩個假設條件， 一是備用電源電壓與工作電源電壓同相位， 二是電源等值電抗X s 與電動機等值電抗X m 之比為安全區域。但實際工程中這兩個條件都不一定成立。對于前者來說， 為了確保兩路電源不會同時消失， 一般要求工作電源和備用電源是相互獨立的， 既然它們相互獨立，就很難保證它們同相位， 如果備用電源電壓相量與工作電源電壓相量存在一個超前的初始的相位角則快速切換的安全性就會減小。對于后者來說， Xm值是隨著負荷母線上運行電動機的數量增減而變化， 也即K值在0~ 1 的范圍內變化， 快速切換的安全區域也隨之變化。除此之外， 電動機負載性質不同， 其轉動慣量也不同， 母線上的殘壓的衰減規律也相應變化， 即極坐標中殘壓螺旋線也不是一成不變的。上述三者的不確定， 導致了快速切換的成功率存在著不確定性， 而這不管是基于捕捉同期點準則還是捕捉電動機耐受電壓點準則， 都有這樣的問題存在。

4.2 快速切換時備用電源的穩定與安全存在不確定性。此問題包含兩個方面， 一方面是備用電源側變壓器富余容量是否足夠， 如果變壓器容量不夠大， 一旦備用電源投入成功， 負荷母線與備用母線上的負荷之和超出變壓器的負荷能力， 則會影響備用變壓器的正常工作。另一方面， 備用電源投入時， 負荷母線上的電動機群同時再加速， 再加速沖擊電流對備用電源的保護電器會產生較大的影響。如果繼電保護整定值沒有考慮躲過這一沖擊電流， 則可能導致保護動作， 備用電源跳閘， 反而擴大了停電范圍。

4.3 快速切換時電動機的安全存在不確定性。盡管快速切換的重要判據之一是捕捉電動機耐受電壓點準則， 但在負荷母線上電動機數量較多的場所， 各類電動機的參數和驅動機械的慣量特性存在著差異， 因而合成母線殘壓特性曲線與分類的電動機的殘壓特性曲線差異較大， 按母線殘壓曲線為基準確定的快切投入點， 并不能確保每類電動機都是安全的， 仍然存在某臺或某幾臺電動機因過壓而損壞的風險。

4.4 快速切換時兩回電源間是否出現環流存在不確定性。為了能在極窄的安全區域內完成切換， 快切裝置一般采用同時切換( 另兩種切換方式為相繼切換- 串聯切換和搭接切換- 并聯切換) ， 所謂同時切換， 就是切換命令同時發給負荷母線進線斷路器( QF1 ) 和接入備用電源的母聯斷路器( QF0 ) ， 正常情況下， 斷路器的分閘快于斷路器的合閘， 即QF1 先分閘， QF0 后合閘， 不會有兩回電源并聯并出現環流的情況， 但斷路器分、合閘時間差距不大， 如真空斷路器分合閘時間差只有10~ 30 ms。在工程實際中考慮到斷路器分、合閘機構機械特性的分散性，

同時， 斷路器多次分、合動作機械變形等因素的影響， 并不能保證同時接到命令的兩個斷路器一定是先分后合， 特別是當進線斷路器萬一出現分閘拒動， 則兩路電源有可能并聯， 并出現環流。環流的大小取決于兩個電源的相量差和環路內的阻抗， 如果環流過大， 會使備用電源的過流保護動作， 同樣會擴大停電范圍， 嚴重時環流甚至可能會超出斷路器的速斷容量而損壞斷路器。

由上可見，廠用電切換方式根據不同類型的電廠以及高壓廠用電一次接線方式的不同，對廠用電自動切換的要求也不同，如何以最合適的方式進行廠用電切換，值得進一步深入探討。

參考文獻：

[1]梅興虎.備用電源切換機理及相關問題的研究[D].東南大學：電力系統及其自動化，2009

[2]艾德勝.以電流為判據的廠用電源快切原理及實現[J].電力自動化設備，2006（6）

[3]沈永紅.發電廠廠用電快速切換技術研究[J].企業技術開發：下，2011（11）