雙電源切換開關（ATS）在大型電站的應用分析

趙曙偉，高 峰

（神華廣東國華粵電臺山發電有限公司，廣東 臺山 529228）

1 引言

火力發電廠重要配電段負荷都是影響到機組或系統安全的用電負荷，為了確保這些重要負荷供電的可靠性，通常都配置了雙路電源，當主電源發生故障時會自動切換至備用電源。為了實現兩路電源之間的快速自動切換，雙電源切換開關被廣泛應用，但是由于開關在切換過程中，存在固有的動作時間，配電段電源會有短時失電，在此過程中，會造成負載控制回路中的交流接觸器失電返回，沒有失壓重啟功能的負載將會停運。

某電廠擁有5×600MW＋2×1000MW的裝機容量，6、7號1000MW機組輔助廠房低壓廠用電400V系統多個配電段使用了GE ZTS雙電源切換開關。自投運以來，一方面提升了配電段供電的可靠性，另一方面由于在選型、設計及使用等方面存在一定的缺陷，給運行方式和其他電氣設備帶來一定的困擾。

2 雙電源切換系統概述

GE ZTS雙電源切換開關用于為負載提供不間斷的電源。在電源1電壓或頻率降低至預設置限度時，雙電源切換開關會自動將負載從電源1切換至電源2。GE ZTS雙電源切換開關主要由開關本體和控制系統（包括MX150控制器及其相關回路）兩部分組成，整個切換系統如圖1所示。

圖1 ZTS雙電源切換系統圖

電壓、頻率檢測以及系統控制通過安裝在控制箱門處的MX150控制器執行，該控制器的作用是對切換開關進行高精準度的控制。

3 雙電源切換開關工作模式

3.1 自動模式

通過對控制器的欠壓、低頻、恢復電壓、恢復頻率、切換延時等參數進行設置，由控制器自動完成在各種設定工況下的電源切換，無需人工干預。

3.2 試驗模式 /測試模式

在兩路電源均正常的情況下，通過人工操作控制器上的“TEST”按鈕完成電源切換，切換動作無人為延時。為防止誤碰、誤操作，設有密碼防護。

3.3 手動模式

在兩路電源均停電、負載母線段停電的情況下，通過操作手柄進行開關的機械切換。此方式僅限于開關檢修時使用。

4 雙電源切換開關切換方式

分為自投自復型和自投不自復型兩種，在設計選型時只可以選擇其中一種。

4.1 自投自復型

對于自投自復型開關，兩路工作電源有主電源和備用電源之分，控制器對主電源與備用電源進行監測，并進行自動切換。當兩路電源都正常時由主電源供電，即圖1中開關處于N位置。主電源發生異常（任一相電壓欠壓、低頻、缺相）時，經設定的延時后，開關由N位置自動切換至E位置，即負載由備用電源供電。當主電源恢復正常后，則自動延時由E位置切換至N位置，返回到主電源供電。該工作模式常用于備用電源為柴油發電機供電的系統。

4.2 自投不自復型

對于自投不自復型開關，兩路工作電源實際上沒有主備之分，控制器對兩路工作電源進行監測，并進行自動切換。當工作電源1出現異常時，自動延時切換到工作電源2工作。當工作電源1恢復正常時系統并不切換供電電源，直至工作電源2發生異常時，再自動切換至工作電源1工作。

5 雙電源切換開關應用情況

6、7號機組輔助廠房低壓廠用電400V系統GE ZTS雙電源切換開關在設計選型時采用自投自復的工作模式，根據配電段負荷容量計算選用額定電流分別為400A、600A、800A的開關。

在脫硫保安400V配電段中帶有增壓風機油站油泵、吸收塔攪拌器等重要負荷，無論是主電源切換至備用電源還是備用電源切換至主電源的過程中，這些設備都會停運，雖然吸收塔攪拌器可以通過保護裝置的失壓重啟功能實現自動重啟，但是還是會有一定時間的停運過程，此時會對一次系統造成一定的影響。而那些沒有失壓重啟功能的負載則需要人工手動投入運行。這是由開關在切換過程中存在的固有動作時間和控制器的控制原理造成的。

以下以6號機組脫硫保安段雙電源切換開關（800A）為研究對象，進行帶載切換試驗及分析。

5.1 主電源至備用電源的切換

其切換原理是當控制器檢測到主電源電壓低于額定電壓（380V）的75%或頻率低于額定頻率（50Hz）90%，同時備用電源電壓和頻率均正常（高于額定電壓、頻率的95%）時，控制器經設定延時和分析判斷后自動將負載供電由主電源切換至備用電源。

為了防止在外部故障或配電段較大負荷電機啟動時引起主電源母線電壓的短時下降，從而造成雙電源切換開關的切換，在主電源切換至備用電源的延時中設定了1s。

圖2 主電源帶載切備用電源母線電壓波形

如圖2所示為主電源帶載切備用電源母線電壓波形。從圖2中可以看出，負載母線電壓從下降至恢復正常總計1801ms，即主電源切換至備用電源的時間為1801ms，期間三相母線電壓最低均降至0V，這勢必造成母線上負載控制回路中的交流接觸器失電返回，運行中的負載停運。

5.2 備用電源至主電源的切換

圖3 備用電源帶載切主電源母線電壓波形

其切換原理是當控制器檢測到主電源恢復正常（電壓和頻率均高于額定值的95%），經過設定延時后自動回切至主電源供電。

為了確保主電源可靠、穩定地恢復正常后再回切，避免出現開關的反復切換，設定回切延時為15s，此延時的長短對回切時間和運行負載狀態的影響是相同的。

如圖3所示為備用電源帶載切主電源母線電壓波形。從圖3可以看出，電源切換時間約為40ms，負載母線A相電壓最低降至56V，而交流接觸器控制回路的控制電源均設計取自A相母線電壓。對于回路中的220V交流接觸器，規程標準要求動作電壓應在額定電壓220V的30%－65%（66V－144V）之間，低于30%額定電壓（66V）時應該可靠不動作。因此在此切換過程中負載的停運是正確的。

5.3 試驗結果分析

從各配電段的切換試驗結果來看，主電源切換至備用電源的切換時間較長（約為1.8s），三相母線電壓基本下降至0V，交流接觸器回路中的接觸器必定失電返回，負載停運。備用電源回切至主電源的切換時間較短（約為40－60ms），三相母線電壓下降程度與配電段所帶負荷有關，負荷較重時，母線電壓下降幅度較小，可能不會造成負載停運；當配電段負荷較輕時，母線電壓下降幅度較大，就極有可能造成負載的停運。

6 雙電源切換開關應用中的問題

6.1 設計選型存在的問題

由圖2和圖3的波形可以看出，無論是哪種切換都會造成接觸器回路負載的停運，對于自投自復型切換開關會由于主電源的異常和恢復正常造成負載的兩次停運。而對于自投不自復型開關只會有一次切換，減少了負載的停運次數。

6、7號機組輔助廠房多個公用系統MCC配電段使用的自投自復型GE ZTS雙電源切換開關，設計都是從6號機和7號機脫硫400V工作段各取一路工作電源。

由于設計原因和兩臺機組建設速度的不同，這些公用系統MCC配電段的主電源均取自6號機脫硫400V工作段，這樣就造成了正常運行時6號機脫硫400V工作段的負荷較高，運行電流約為1300A，變壓器溫度較高，達到78℃；7號機脫硫400V工作段的負荷較低，約為700A，變壓器溫度較低，約為65℃；存在較為嚴重的負荷分配不均問題，并且也無法通過雙電源切換開關對公用系統負荷進行合理分配。

為了克服上述兩個缺點，將這些公用系統MCC配電段的ZTS雙電源切換開關增加GE 23P－2008自投不自復模塊，并對控制器程序進行升級，將其改造為自投不自復型。這樣兩路電源之間沒有主備之分，相互切換延時均設定為1s，兩路電源之間的相互自動切換時間均為1.8s左右，試驗/測試模式切換則無設定延時。

技術改造后通過優化運行方式，6號機和7號機脫硫400V工作段的運行電流均為1000A左右，兩臺變壓器溫度均約為70℃，兩配電段的負荷分配均衡且靈活，運行方式較為合理。

圖4 控制系統原理圖

6.2 操作不當引發的問題

7號機組脫硫保安段GE ZTS自投自復型雙電源切換開關曾發生兩次在無故障情況下自動切換的現象，原因是由于在做電源切換試驗時，試驗人員沒有完全掌控控制器的性能，通過操作控制器面板“TEST”按鍵，完成了主電源至備用電源的切換。在此操作過程中試驗人員無意中開啟了控制器的“自檢程序周期”，結合參數“時鐘自檢程序”設定為“每周”，造成了開關連續兩周定時進行自動切換的故障現象。最終通過取消該“自檢程序周期”才解決問題。

6.3 檢修不當引發的問題

如圖4所示為控制系統原理圖。6號機脫硫MCC段母線在停電檢修結束后，需要使用1000V的兆歐表測量三相母線對地和相間絕緣電阻，此時雙電源切換開關在主電源位置（圖1中N位置），且已拔掉控制器的二次線插頭。當試驗人員向AB相母線施加1000V直流電壓的瞬間，控制系統電源1檢測回路中的PS－8896電橋（額定電壓24VAC）燒損。分析其原因：控制系統回路中通過380/24VAC的變壓器為該電橋提供一次側電源，雖然已將控制器隔離，但并未有效隔離PS－8896電橋，當測量絕緣時變壓器一次側瞬間通過1000V的直流電，導致變壓器二次側電壓遠超過電橋額定電壓，使其損壞。

以此為鑒，特別要注意的是在測量母線絕緣之前，必須使用機械操作手柄把雙電源切換開關打在中間位置（圖1中P位置），將控制系統與一次系統完全隔離，才可以確保控制系統的元器件不致受到損害。

7 結束語

對于沒有使用柴油發電機作為第二路工作電源的系統，雙電源切換開關宜使用自投不自復型，一方面避免母線電壓波動造成開關的反復切換；另一方面可以減少開關的切換次數，延長開關的使用壽命，減少一些負載停運的次數；第三便于運行方式的調整。

根據整組試驗反措要求，不允許用卡繼電器觸點、短接觸點或類似的人為手段進行保護裝置的整組試驗。同樣，在做雙電源切換開關的切換試驗時，應分別模擬與故障情況相符的兩路電源故障，而不應采用控制器面板按鍵切換的人為方式。

GE ZTS雙電源切換開關采用微機控制器控制，模擬量采樣精度高、動作速度快，可以靈活設置以滿足現場實際接線方式的要求，其中關鍵在于控制系統的正確使用，值得用戶深入分析和研究。

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