快切裝置與UPS在同步電機勵磁電源供電系統中的配合使用

劉世英

前言

在鋼鐵企業中為高爐送風的風機采用同步電機驅動，為了保證高爐運行的穩定，高爐風機同步電機勵磁電源要求較高，允許電壓波動在200 ms以內。因此為了保證勵磁電源波動小，湘鋼選用ABB SUE3000電源快速切換裝置。

1　快切裝置對供電系統的要求

供電線路中快速切換裝置為不間斷供電提供了保證。通過快速自動切換到備用電源，保證了不間斷的供電，避免了輔機因電源瞬時波動造成的停機。在此系統中為實現不間斷的供電，應保證至少有兩個同步且相互獨立的供電電源。即：雙電源加母聯的配置方式（雙電源均合閘，母聯備用），故障時故障斷路器分閘，母聯合閘。

快切裝置對電源及設備的要求如下：

（1）2個在正常狀態下相互獨立且同步的電源電源。

（2）具有3臺短操作時間的斷路器（＜50 ms）。

圖1　系統狀態示意圖

（3）負荷適合于快速切換，電源短時切換對負載無影響。

2　快切裝置在供電系統中的切換模式

ABB SUE3000快切裝置提供了4種基本切換模式：

（1）快速切換，（2）首次同相切換，（3）剩余電壓切換，（4）延時切換。

4種切換方式的優先級順序為：快速切換＞首次同相切換＞剩余電壓切換＞延時切換。

2.1　延時切換

延時切換是作為保證安全的措施，一般發生在因進線電源跳閘電壓降低，SUE3000快切裝置運行一個設定延時的啟動，在一個固定的時間內備用電源合閘。湘鋼延時設定為10 s。因此，延時切換方式僅作為安全備用方式。延時切換在華菱湘鋼公司安裝使用SUE3000快切裝置后一直沒有發生過。

2.2　剩余電壓切換方式

剩余電壓切換方式是只有當母線電壓下降到足夠低的殘壓值，才可合上備用電源，這樣切換后的暫態過程不會產生嚴重的影響（暫態振蕩，電流重新升高，電壓下降）。合閘時不判斷相角或頻率差，這是不同步的切換方式。

湘鋼使用SUE3000快切裝置后發生過多次剩余電壓切換方式，因線路中故障不同，若線路中發生相間間斷拉弧，造成電壓波動但是電源開關沒有及時跳閘這樣將影響SUE3000快切裝置的判斷造成合閘時間延長，當動作時間大于200 ms時就不能滿足勵磁電源的要求，引起電動風機停機。若動作時間小于200 ms時通過勵磁裝置自動調整，同步電機還可恢復同步運行，不會引起電動風機停機。

剩余電壓切換動作曲線圖和本場剩余電壓切換時間見圖2。

圖2　剩余電壓切換動作曲線圖和本場剩余電壓切換時間

2.3　首次同相切換

首次同相切換中有故障的電源應立即分閘，與其相聯的用電設備上的電壓將按其固有的特性曲線衰減。此時母線電壓向量繞備用電源電壓向量旋轉，在備用電源和母線電壓差值第一次到達最小值時發出合閘命令，即相角差為零時實現切換。為補償電力設備固有時間，合閘命令是在實際最小值到達之前發出的，與此相關的時間允許誤差是在裝置中設定好的。但是首次同相切換總動作時間大于80 ms，小于200 ms，在同步電機勵磁系統能夠滿足同步電機運行要求。

圖3　勵磁系統向量圖和曲線圖

2.4　快速切換

快速切換是SUE3000快切裝置最常用和最重要的切換方式。在故障發生時切換啟動瞬間，如主故障電源和備用電源之間的相角差、頻差在定值范圍之內。此時快切裝置就會同步發出斷路器的分、合閘命令。這種情況下的無電流切換時間只取決于斷路器分、合閘的時間差。斷路器（Emax系列使用SACE PR21/P脫扣器）分、合閘時間在數毫秒內，其無電流切換時間約為10～20 ms，因此可認為電源切換是在不斷電的情況下實現的。因此快速切換方式完全滿足同步電機勵磁系統能夠滿足同步電機運行要求，同時對所帶的接觸器負載沒有任何擾動，能夠適應現場要求。

圖4為2015年1月快切裝置動作曲線圖和切換時間。

圖4　裝置實際動作曲線和狀態顯示

SUE3000快切裝置根據系統的物理狀態選擇最優的切換模式。在同步電機勵磁電源供電系統中在故障時為使電源斷電時間最短，快速切換方式是最優的切換方式。如果電網狀態不允許這種切換方式，則選擇其他速度稍慢的切換方式。

但是為了保證同步電機穩定運行，需為同步電機勵磁電源供電系統提供良好的環境，保證勵磁電源電纜及斷路器運行穩定，避免造成因故障點拉弧造成SUE3000快切裝置快速切換模式啟動滯后，延長動作時間造成同步電機因勵磁電源間斷時間過長而停機。

3　快切裝置關鍵參數設定

SUE3000快切裝置的一個特別重要的特性是連續跟蹤計算同步判據的條件，每時每刻比較母線電壓和備用電源的電壓，因此在收到啟動命令的同時，切換的模式已得到確定，這意味著快切成功的概率大大提高。

該裝置對被測電壓的相角差、頻率差和幅值具有以下同步判據：

（1）相角差：φ＜φmax

相角差指母線電壓和備用電源電壓之間相角之間的差。構成同步判據的相角差臨界值可根據超前或滯后的母線電壓分別進行調整。本廠裝置設定φmax=±10 dg。

（2）頻率差：Δf＜Δfmax

頻率指母線電壓和備用電源電壓的頻率之間的差。就切換過程而言，頻率差反映了用電設備及其動態負荷斷電后的運轉特性并指示是否允許切換。本廠裝置設定Δfmax=2 Hz。

（3）備用電源電壓：UStand-by＞Umin1

只有當備用電源電壓存在時SUE3000方可執行切換。本廠裝置設定Umin1被整定為正常電壓的80%，母線電壓 UBusbar＞Umin2。

如果母線電壓值低于設定電壓值U（本廠裝置設定U為正常電壓值的63%），則不允許進行切換。

4　快切裝置的操作與維護

正常運行中快切裝置一直處于“Ready”狀態，如果出現快切裝置動作的情況，在快切裝置面板上將會出現“紅色”指示燈報警，同時監控畫面中開關狀態也會發生相應的變化。如果動作成功，可以在“事件”菜單中查看切換的模式以及切換的時間，可在“報警”菜單中查看相應的報警情況，如果故障處理完畢電源恢復正常狀態，則所有的報警將可在“復歸”菜單中復歸（復歸時，每條報警逐一復歸）；若切換失敗則引起相應段母線失電，造成本段運行設備停機可能造成同步電機失磁，同步電動機停機。

在電源恢復正常后可直接在SUE 3000快切裝置上操作，可在“命令”菜單總選擇相應的運行方式即可恢復原運行方式。

正常運行中此裝置運行穩定，可靠性高，維護量很小，只要按正常的點巡檢周期查看裝置的運行狀態和各電源電壓，電流指示即可。

5　結束語

在現場的使用中，多次出現了電源撤回的情況，快切裝置都啟動了剩余電壓切換模式，并且切換時間大都小于200 ms，沒有影響同步電機的正常運行，沒有影響高爐風機的運行，因此安裝SUE3000快切裝置基本能夠滿足同步電機勵磁電源的運行要求，可為現場電動風機運行提供保證。