ATS的選擇及其在輸氣站場低壓系統(tǒng)的應(yīng)用

陳 聰 李樹山 曲 鵬 張 雷

(1.中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000；2.新疆油田公司工程技術(shù)研究院，新疆 克拉瑪依 834000；3.天津修船技術(shù)研究所，天津 308456)

根據(jù)GB 50052-2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，根據(jù)負(fù)荷要求供電的可靠性和失去供電所造成的影響進行分級，對于一級負(fù)荷和比較重要的二級負(fù)荷應(yīng)采用雙電源供電。為保證天然氣加壓和輸送的安全，西氣東輸壓氣站場中的負(fù)荷定義為一級，采用兩路外電源進線，主接線采用單母線分段接線，對于消防設(shè)備、事故排煙風(fēng)機、工藝區(qū)電動閥配電箱及變電所用電源等特別重要負(fù)荷的供電，為保證供電的可靠性，在最末一級的配電箱處設(shè)置有雙電源自動切換裝置(Automatic Transfer Switching Equipment，ATS)。ATS的選擇已成為低壓配電系統(tǒng)中不可缺少的重要環(huán)節(jié)，目前ATS產(chǎn)品的技術(shù)水平參差不齊，其可靠性及適用條件等會直接影響重要用電場所的安全可靠。而ATS的選擇也因電源性質(zhì)、系統(tǒng)接地形式、負(fù)載性質(zhì)和上級開關(guān)性能的不同而相異，合理選擇ATS是保證重要負(fù)荷供電的關(guān)鍵。

為此，筆者就ATS的分類，不同性質(zhì)電源和不同接地點情況下三級和四級ATS的選擇進行對比，并對站場低壓配電系統(tǒng)中ATS的具體應(yīng)用加以分析，在滿足系統(tǒng)安全和供電可靠性的前提下說明其正確選擇與合理應(yīng)用。

1 ATS簡介①

ATS主要用于交流500V及其以下的重要配電系統(tǒng)，當(dāng)檢測到主供電源低電壓或失電時，將負(fù)載電路從主供電源自動切換至備用電源，確保重要負(fù)荷的連續(xù)可靠運行。根據(jù)不同的功能，一般分為PC級和CB級。PC級ATS能承受正常電流和短路電流，但不能分?jǐn)噙^負(fù)荷電流和短路電流，即不具備保護跳閘功能；CB級ATS是具備斷路器保護功能的雙電源切換電器，不僅能承受過電流，還具備分?jǐn)喽搪冯娏骷敖拥毓收想娏鞯绕渌Ｗo功能[1]，從結(jié)構(gòu)上分為用于單相電路的二極ATS、用于三相電路的三級ATS和需要N線轉(zhuǎn)換的四極ATS。

2 三級ATS和四級ATS的選擇

一、二級負(fù)荷一般采用市電-市電、市電-發(fā)電機形式的雙電源供電系統(tǒng)，應(yīng)急供電設(shè)備需要雙電源的切換，不同的電源組合形式和不同的接地形式所選擇的ATS不同。

如圖1所示，兩臺容量相同的變壓器布置在同一變電所，同時工作且互為備用，低壓母線一般采用單母線分段接線給一級負(fù)荷配電，低壓母聯(lián)斷開，在低壓母聯(lián)或進線處N線和PE線同時接地，系統(tǒng)為同一點接地系統(tǒng)。兩段母線各取一路電源在末端負(fù)荷用電處切換，可采用三極ATS。圖2為兩臺變壓器是同一性質(zhì)的電源，但接地點不在同一處，可采用三級ATS，但這種接地形式不常用[2]。

圖1 電源性質(zhì)相同且同一接地點的系統(tǒng)

圖2 電源性質(zhì)相同但不同接地點的系統(tǒng)

如圖3所示的變壓器-發(fā)電機雙電源系統(tǒng)，兩路供電電源性質(zhì)不同，但接地點在同一處，雙電源轉(zhuǎn)換電器一般裝在低壓母線的進線側(cè)，市電作為主供電源，發(fā)電機作為備用電源，因為兩電源接地點在同一點，理論上可以采用三級ATS進行電源切換。圖4也是變壓器-發(fā)電機雙電源系統(tǒng)，但接地點不在同一處，是相互獨立的兩個電源，故應(yīng)采用四極ATS。

圖3 電源性質(zhì)不同接地點相同的系統(tǒng)

圖4 電源性質(zhì)不同接地點不同的系統(tǒng)

低壓配電柜饋出回路的斷路器帶有剩余電流保護器或帶有接地故障保護時，其末端負(fù)荷用電處雙電源切換宜選四極ATS，如圖5所示，當(dāng)回路正常工作，假設(shè)變壓器TM1低壓側(cè)系統(tǒng)為ATS的主供回路，選擇三極ATS時N線電流In被分成了In1和In2分別經(jīng)過各自的剩余電流保護器和斷路器，但此時的In1由于In2的分流比正常值減少了，斷路器CB1會誤動作，同時斷路器CB2中流過了一定的電流，若此電流較大也會引發(fā)CB2誤動作。

圖5 正常工作時剩余電流動作保護的回路電流分布

如圖6所示，同樣假設(shè)變壓器TM1低壓側(cè)系統(tǒng)為主供電源，選擇三極ATS，當(dāng)用電設(shè)備發(fā)生接地故障時，短路電流Id被分成了Id1和Id2兩路，Id2經(jīng)PE線、變壓器TM2和中性線流經(jīng)斷路器CB2，當(dāng)此電流大于CB2的故障保護動作值時引發(fā)CB2誤動作；若Id1由于Id2的分流小于CB1的故障保護動作值，會使CB1拒動作。

圖6 具有剩余電流保護的回路接地故障時電流分布

綜上所述，雙電源性質(zhì)不同、雙電源性質(zhì)相同接地點不在同一點、ATS上級斷路器帶有剩余電流動作保護時，宜選擇四極ATS。

3 ATS在輸氣站場低壓配電系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 市電-市電雙電源系統(tǒng)末端配電箱處ATS的選擇

輸氣站場低壓配電主接線形式采用單母線分段接線，各取每段母線一路電源放射配電至站內(nèi)消防負(fù)荷配電箱、工藝電動閥配電箱和110kV變電站交流屏，考慮到電源轉(zhuǎn)換的可靠性，因CB級的ATS可能會誤動作，末端配電箱或屏內(nèi)電源進線選用PC級的ATS，消防泵和電動閥的保護采用配電箱內(nèi)配的斷路器和上級低壓柜內(nèi)斷路器進行保護。ATS的額定電流可以選得大些，額定短時耐受電流經(jīng)校驗要大于短路電流。

轉(zhuǎn)換時間是選擇ATS的重要因素，實驗室測定觸頭轉(zhuǎn)換時可靠的滅弧時間為120ms，考慮到滅弧時間和開關(guān)器件本身的動作時間，一般ATS的轉(zhuǎn)換時間多為幾百毫秒至幾秒[3,4]。表1是不同切換開關(guān)的ATS轉(zhuǎn)換和延時切換時間。

表1 不同結(jié)構(gòu)形式的ATS切換時間 s

根據(jù)GB50052-2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》的要求，重要負(fù)荷的允許中斷供電時間見表2，對允許中斷供電時間在1.5s以內(nèi)的負(fù)載和重要場所的應(yīng)急電源，應(yīng)設(shè)置不間斷電源裝置。輸氣站場控制室內(nèi)的應(yīng)急照明、通信設(shè)備、機柜間儀表數(shù)據(jù)處理設(shè)備及站控系統(tǒng)等采用不間斷電源UPS供電，給特別重要的控制電源供電時，要采用兩路UPS電源在末端切換，ATS選擇PC級負(fù)荷開關(guān)投切型，轉(zhuǎn)換時間0.5～4.0s。

表2 重要負(fù)荷的允許中斷供電時間

站內(nèi)消防設(shè)備、電動閥和變電所所用電源引自低壓柜，低壓單母線分段接線設(shè)置母聯(lián)備自投，因此ATS動作轉(zhuǎn)換時間要與母聯(lián)斷路器自投時間配合，并大于母聯(lián)開關(guān)動作時間0.5～1.0s以上[5]。低壓母聯(lián)自投的動作時間大多為2.5s，ATS動作時間宜在3.0s以上。

一般ATS不允許帶大感抗類負(fù)載(如電動機)切換，因為在切換瞬間電動機定子繞組會產(chǎn)生反電勢，所引起的過電流大于電機的啟動電流，可能會造成保護斷路器跳閘。所以當(dāng)大功率電動機電源需要ATS轉(zhuǎn)換時，宜選用延時型ATS，并且延時時間可調(diào)。對于站內(nèi)消防泵，因電機功率較小，上級斷路器整定值較大，可不選延時型ATS；閥門配電箱處，因電動閥動作的同時系數(shù)較小，也宜選非延時型ATS。

根據(jù)GB 50116-2013《火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》的要求，配電裝置應(yīng)設(shè)置電氣火災(zāi)報警系統(tǒng)，站場低壓配電柜內(nèi)每個出線回路配置了剩余電流互感器，測量相線和N線電流。結(jié)合以上分析，即使采用市電-市電電源性質(zhì)相同且接地點在同一點，末端配電箱內(nèi)也宜選用四極ATS。

3.2 市電-發(fā)電機雙電源系統(tǒng)低壓進線處ATS的選擇

輸氣站場的分輸站負(fù)荷等級為二級，采用市電+發(fā)電機作為備用電源的供電方式，ATS應(yīng)選用市電-發(fā)電機專用型。圖6所示為分輸站電氣主接線形式，考慮到低壓母線照明段和動力段要分開計量，因此設(shè)置專門的照明段，采用兩個ATS分別進行照明和動力切換。

圖7 市電-發(fā)電機雙電源系統(tǒng)ATS的配置

發(fā)電機和市電電源性質(zhì)不同，自動電源轉(zhuǎn)換裝置應(yīng)選四級延時型ATS，考慮到發(fā)電機啟動參數(shù)的差異，ATS延時時間設(shè)為可調(diào)。發(fā)電機和市電之間設(shè)有閉鎖，當(dāng)檢測到市電斷電并確認(rèn)后，變壓器低壓配出斷路器斷開，同時發(fā)電機自啟動，待發(fā)電機輸出電壓及頻率等參數(shù)穩(wěn)定后，才能進行市電和發(fā)電機的轉(zhuǎn)換，照明和動力的轉(zhuǎn)換在低壓配電室的母線上集中裝設(shè)。由于變壓器低壓配出和發(fā)電機出口已經(jīng)裝設(shè)斷路器，故ATS也選用PC級。發(fā)電機的啟動和電源轉(zhuǎn)換時間大于15s，站內(nèi)允許中斷供電時間較短的應(yīng)急備用照明、儀表和通信設(shè)備的供電由UPS提供。

ATS應(yīng)具有自動復(fù)位功能，即當(dāng)主供電源(市電)恢復(fù)正常后，ATS應(yīng)經(jīng)延時后切回主供電源。

4 結(jié)束語

雙電源性質(zhì)相同、接地點相同的電源系統(tǒng)轉(zhuǎn)換開關(guān)可選三級型ATS，雙電源性質(zhì)不同以及上級斷路器帶剩余電流保護時應(yīng)用四級型ATS。筆者就雙電源轉(zhuǎn)換開關(guān)應(yīng)用到輸氣站場市電-市電、市電-發(fā)電機兩種雙電源系統(tǒng)下重要負(fù)載供電電源切換時，ATS的結(jié)構(gòu)形式、極數(shù)及轉(zhuǎn)換時間等參數(shù)的選擇進行闡述，可為類似工程設(shè)計提供借鑒。

[1] 李月軍,劉國軍,王成多.智能型自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器的原理及應(yīng)用[J].電工電氣,2011,(10):34～37.

[2] 李道本.低壓配電系統(tǒng)不同接地型式電源轉(zhuǎn)換可行性研究[J].電氣應(yīng)用,2014,(8):47～50.

[3] 何彥民,伏中科,王津先.自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器的工程設(shè)計及應(yīng)用[J].現(xiàn)代建筑電氣,2011,(6):24～29.

[4] 何欽,姚侃.雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)的選擇[J].低壓電氣,2012,(6):57～60.

[5] 宋濤,孫牧海.ATSE核心參數(shù)選擇幾點思考[J].建筑電氣,2011,(6):25～29.