一種支持多種供電系統的備自投裝置設計

方 嚴, 繆利蓉, 李卓軒, 姜建妹

(安科瑞電氣股份有限公司, 上海 201801)

0 引 言

近年來,隨著我國市場經濟的迅速發展,尤其是商業、金融業、服務業等行業的發展,用戶對電力的依賴程度倍增,對不間斷供電的要求越來越高。為了保證電網供電的可靠性,一些重要場所,如商場、醫院、數據中心、工廠等都會設置雙進線電源回路,在其中一路進線電源失電時,會啟用另外一路進線電源來給負載供電,但往往變電所都是定時巡查或無人值守,若此時等待人工去配電房進行投切備用電源,較長時間的停電則會影響正常的生產生活[1-2]。而備自投裝置能夠在主供電源消失的情況下,切斷工作電源,并將備用電源接入到系統中,使電網繼續運行,保障供電的穩定性和可靠性[3]。

1 常見供電系統運行方式及備自投裝置基本要求

1.1 常見供電系統運行方式

一般在35 kV及以下電壓等級的供配電系統中,常見的供配電系統為單母線分段系統或單母線不分段系統。為了提供供電的可靠性和穩定性,常常會考慮雙電源供電。同時用戶在設計供電系統時也會根據其所要實現的備自投功能對電壓的采集位置進行優化,如選擇單母線分段系統時,會選擇裝設母線PT柜,或者裝設進線PT,或者裝設進線PT和母線PT。常見的4種供電系統如圖1所示。

針對以上幾種供電系統,目前常用的備自投方式有以下4種:進線備自投(自復),母聯備自投(自復),自適應備自投,聯切備自投(自復)。

1.2 備自投裝置基本要求

根據GB 50062—1992《電力裝置的繼電保護和自動裝置設計規范》規定,對備自投裝置的基本要求如下:

(1) 可根據需要選擇開啟或關閉備自投功能。

(2) 工作電源不論因何種原因失電時(如工作電源故障或被誤斷開等),備自投應動作。

圖1 常見的4種供電系統

(3) 應保證在工作電源斷開后,備用電源才能投入。

(4) 失去工作電源后,自動投入裝置保證只動作一次。

(5) 自動投入裝置動作,如電源投入到故障時,應使其保護加速動作。

2 備自投裝置設計

供電系統運行方式有多種,傳統的備自投裝置都是支持其中一種備自投方式,用戶在采購備自投裝置時需要明確具體的運行方式,這對于部分尚未確定備自投運行方式的用戶會造成一定的困擾,甚至于有很多現場在后期再次改造時會調整運行方式,若選用傳統的備自投裝置則會使得備自投功能的實現受到限制。對此,本文設計了一款備自投裝置,能夠在上述幾種常見供電系統運行方式下,兼容上述4種備自投方式,便于后期用戶更改運行方式以及再次改造。

設計的備自投裝置主要是通過采集電壓、電流等模擬量信號,斷路器位置狀態、閉鎖備自投、允許備自投等開關量輸入信號及供電系統方式選擇等內部控制字,通過內部有效運算,觸發相關繼電器出口閉合,實現備自投功能。首先,裝置采集供電系統的各處電壓、電流及斷路器位置狀態,作為備自投的初定判據;其次,裝置引入備自投自動投入和備自投自動復歸兩個開關量輸入的采集,用戶可根據需求將其設計成硬壓板或者轉換開關,由此可以滿足自動自復、自投手復、手投手復等多種選擇性。再次,根據備自投裝置基本要求,引入閉鎖備自投開入,將保護跳閘信號與手動跳閘引入此開入量,避免備自投裝置動作于故障線路。最后,裝置引入供電系統方式選擇內部控制字,可以有效識別出系統供電方式和備自投的觸發判據,避免在不同供電系統下,某些備自投判據誤觸發導致的誤動或拒動。

2.1 進線備自投

圖1(a)中,單母線分段系統采集進線電壓,進線備自投即為:在兩路進線電源都正常時,由主供電源QF1給全段負載供電,母聯斷路器QF3為合,備供電源斷路器QF2為分;在主供電源失電時,斷開主供電源QF1,合上備供電源QF2,此時全段負載均由備供電源供電。

設計備自投動作條件時,加入充電條件判斷。根據上述系統,備供電源進線2的充電條件如下:主供進線1、備供進線2均有壓;主供QF1、母聯QF3在合位,備供QF2在分位;裝置此時沒有閉鎖備自投信號。進線2的放電條件如下:備供進線2無壓;備供QF2在合位;裝置此時有閉鎖備自投信號接入;等待充電延時后,進線2充電完成,若此時進線1失電,進線備自投動作邏輯如圖2所示。

圖2 進線備自投動作邏輯

圖2中,進線1作為主供,進線2作為備供,若進線2作為主供,進線1作為備供,其備自投動作過程相同。

若當前系統為單母線不分段系統,如圖1(b),則將母聯QF3接為常合,即可實現進線備自投功能。為有效防止圖1(a)系統在備自投判斷時與圖1(c)的電壓條件有沖突,引入“4路進線電壓做備投”內部控制字,使得裝置除上述進線備自投功能外,還可以實現自適應備自投、母聯備自投自復以及聯切備自投自復功能。

2.2 母聯備自投

圖1(c)中,單母線分段系統采集母線電壓,母聯備自投即為:正常情況下,兩路進線電源分列運行,分別帶本段負載,母聯為分(作為備用)。若進線1失電,則備自投裝置斷開進線電源QF1,合上母聯開關QF3,由進線電源QF2帶全段負載;若進線2失電,則備自投裝置斷開進線電源QF2,合上母聯開關QF3,由進線電源QF1帶全段負載。

根據上述系統,分段備自投的充電條件如下:I段母線、Ⅱ段母線均有壓;進線電源QF1、QF2均在合位,母聯QF3在分位;裝置此時沒有閉鎖備自投信號。分段備自投的放電條件如下:母聯QF3在合位;I段母線、Ⅱ段母線均無壓;裝置此時有閉鎖備自投信號接入;

等待充電延時后分段充電完成,此時若進線1失電,母聯備自投動作邏輯如圖3所示,若進線2失電,則備自投動作邏輯相同。

2.3 聯切備自投

目前在很多項目中,雖然設置雙電源進線系統,但兩個進線容量不一樣,導致所能承載的負荷大小不同,這就要求備用電源僅為重要負荷提供電源。圖1(d)中,單母線分段系統采集母線電壓和進線電壓,假設Ⅱ段母線負荷均為一級負荷,Ⅰ段母線均為二級、三級負荷。聯切備自投即為:正常情況下,由主供電源QF1帶全段負載,母聯斷路器QF3為合,若此時主供電源失電,由于備供電源容量較小,則需要備自投裝置斷開主供電源QF1和母聯斷路器QF3,合上備供電源QF2,備供電源僅為一級負荷供電。

根據上述系統,此時進線2充電條件為:進線1、進線2、Ⅰ段母線、Ⅱ段母線均有壓;主供電源QF1、母聯QF3均在合位,備供電源QF2在分位;裝置此時沒有閉鎖備自投信號。進線2的放電條件如下:備供進線2無壓;備供QF2在合位;裝置此時有閉鎖備自投信號接入。

等待充電延時后進線2充電完成,此時若進線1失電,聯切備自投動作邏輯如圖4所示。

圖4中,進線1作為主供,進線2作為備供,若進線2作為主供,進線1作為備供,其備自投動作過程相同。

為了在圖1(d)系統下有效實現聯切備投功能,該裝置引入“聯切備投軟壓板”后,除上述聯切備自投功能外,系統下還可以實現自適應備自投、母聯備自投自復以及進線備自投自復功能。

2.4 自適應備自投

傳統進線備自投和母聯備自投均是固定備自投方式,若需要更改備自投方式,需要有人員去到現場進行更改設置,而自適應備自投可根據當前斷路器位置的狀態以及電壓自動切換備自投方式,不需要工作人員再次調整。自適應備自投即可在母聯備自投、進線1備自投和進線2備自投之間任意切換。由圖1(d)可知,正常情況下,兩路進線電源分列運行,若此時進線1失電,則跳開進線QF1,合上母聯QF3,由進線2帶全段負載,若此時進線2失電(進線1已恢復供電),則跳開進線QF2,合進線QF1,由進線1帶全段負載,其動作過程同進線備自投和母聯備自投。

圖4 聯切備自投動作邏輯

3 結 語

在電力系統中,備自投裝置能夠為重要場所提供備用電源自動投切功能,提高電力系統的穩定性和可靠性。本文設計的備自投裝置通過裝置硬件與邏輯程序的配合,可以滿足用戶在不同供電系統下的不同備自投方式的需求,為用戶提供了多種選擇性,提升了備自投裝置在實際運用過程中的便捷性。