工業企業供電切換技術的分析探索構架

黃俊亮

（江西銅業集團德興銅礦，江西 上饒334224）

1 引言

在我國電力系統中，110 kV及以下電壓等級的供電系統中，一般都設置有一用一備兩個獨立電源。在正常情況下，系統主要依靠工作電源供電，而當工作電源出現故障，或者需要進行檢修維護時，為了避免供電的中斷，需要及時切換為備用電源。供電切換技術在很多大型工業企業中得到了應用，不過從實際情況分析，技術本身有著一定的適用性，在部分場合并不能取得理想效果，因為其會受到系統網絡結構、負荷特性以及運行方式等的影響，需要技術人員做好優化和改進[1]。

2 供電切換技術的基本原理

結合110kV供電系統接線圖分析（見圖1），2條進線代表了2個獨立電源，這里將進線1作為正常工作電源，進線2作為備用電源。

圖1 110 kV供電系統接線圖

若系統中的工作電源出現故障或者需要維護，則進線1中的1QF斷路器斷開，2QF斷路器以及3QF母聯斷路器閉合。在這種情況下，進線1的所有負荷會被轉移到進線2，以此來實現供電切換。

依照不同的切換判據，可以將供電切換的形式分為3種：

1）殘壓切換，其判據是工作電源運行線路存在的殘壓幅值，當工作電源斷開后，線路殘壓幅值會逐漸減小，而當其小于20%~40%的設定值時，控制系統就會自動實施供電切換；

2）快速切換，指在安全區域內，將頻率與相位差的變化作為投切依據，當其變化小于設定值時，就會自動切換，可以保證電機轉速的相對穩定性，減輕沖擊力度；

3）首次同相切換，判據是母線殘壓和備用電源的相角差。當切斷工作電源后，母線殘壓頻率與相位角會逐漸發生變化，而備用電源的平頻率和相位角則基本保持固定，所謂首次同相切換，就是工作電源斷開后，殘壓和備用電源電壓第一次出現同相位時，進行供電切換[2]。

3 工業企業供電切換技術的分析探索

在實施供電切換的過程中，應該關注2個方面的問題：

1）必須保證供電切換的時效性。無論是維護還是故障，只要工作電源切斷，備用電源就需要快速切換，切換的時間應控制在0.8~1.0 s，這樣才能保證電力系統供電的可靠性和連續性，避免對工業企業生產活動造成負面影響。

2）必須保證供電切換的穩定性。穩定性指在工作電源與備用電源切換時，必須盡量減少對于供電系統的沖擊，保障系統運行安全。從工業企業的角度，在對供電切換技術進行探索和應用的過程中，需要對自身的負荷特性進行科學分析，確保供電切換技術的優勢能夠得到充分發揮[3]。

3.1 企業負荷特性分析

當前，供電切換技術主要被用于電網企業和大型工業企業，電網企業的負荷包含了旋轉負荷、恒功率負荷以及恒阻抗負荷，三者在電動機負荷中的占比為3∶3∶4；工業企業中，以旋轉負荷的占比達到90%以上，從保障生產安全的角度，大型工業企業還會自備電廠，不過因為電廠規模和容量相對有限，一般只能夠帶動部分重要負荷，無法為全部負荷提供電力支持。

3.2 供電切換技術分析

系統工作電源斷開后，旋轉負荷數量以及自備電廠等因素會在一定程度上影響系統母線中的殘壓幅值和頻率、相位等，繼而影響供電切換的判據，導致供電切換無法順利實施。基于此，需要結合不同系統的特點，制訂具備良好可行性的供電切換方案。對于一些大型工業企業，一般都會設置自備電廠，當主電源切斷后，備用電廠雖然無法帶動企業的全部負荷，但是能夠減緩母線電壓幅值與相位的變化速度，適當延長滿足供電切換判據的時間。在這種情況下，無論是殘壓切換還是首次同相切換，都無法很好地滿足企業供電切換對于時效性的要求，因此，一般會選擇快速切換的方式。

供電切換會受到很多因素的影響，其中又以系統運行方式和負荷特性的影響最大。若系統中只有少量旋轉負荷，供電切換時可以選擇殘壓切換或者首次同相切換；若系統中的旋轉負荷較多，可以分為兩種情況：一是企業自備電廠停運，應該選擇首次同相切換；二是企業自備電廠投運，應該選擇快速切換。

4 仿真計算

4.1 殘壓切換

在針對殘壓切換進行仿真計算的過程中，需要考慮2種不同的情況：（1）旋轉負荷小，沒有發電機；（2）旋轉負荷大，有發電機。對照相應的仿真曲線分析，第一種情況在工作電源失壓后，母線電壓幅值迅速下降，在很短的時間內就會達到設定值，仿真模擬顯示，若工作電源在2.0 s附近失壓，則0.68 s后，供電切換完成。基于此，對于旋轉負荷小且沒有發電機的供電系統，可以借助殘壓切換的方式完成供電切換。第二種情況中因為旋轉負荷較大，工作電源試壓后，母線電壓幅值的下降速度較慢，需要經過接近5 s的時間，才能夠滿足殘壓切換的判據，但這個切換時間顯然無法滿足供電切換對于時效性的要求。基于此，殘壓切換僅適用于存在少量旋轉負荷且沒有發電機的供電系統[4]。

4.2 快速切換

如果供電系統中存在有自備電廠，則無論是殘壓切換還是首次同相切換，都無法很好地滿足供電切換的需求，在這種情況下，就需要采用快速切換的方法。當供電系統中同時存在有大量旋轉負荷以及自備電廠時，受發電機的影響，工作電源母線電壓的變化速度會減緩，借助快速切換實現電源斷電后，需要對系統相差和頻差進行分析，在斷電后迅速完成供電切換，避免了其對于供電系統的影響。

4.3 首次同相切換

對于存在大量旋轉負荷，同時沒有設置發電機的供電系統，工作電源斷開后，母線電壓相位會在很短的時間內，實現與備用電源電壓同相，然后經過約0.4 s完成供電切換，切換時因為二者同相，基本不會引發大的沖擊。而對于存在大量負荷同時又設置有發電機的供電系統，工作電源斷開后，因為發電機的影響，母線電壓相位下降較慢，供電切換的時間會延長到0.85 s，這樣會導致電源投切時效性的下降，無法很好地滿足供電切換需求。因此，對旋轉負荷較大的供電系統而言，可以采用首次同相切換的方式，保證電源投切的效果。但是，如果系統中有發電機，則首次同相時間會延長，需要將發電機的容量以及運行狀態考慮在內，做好仿真計算，看首次同相切換是否能夠滿足供電切換的要求[5]。

5 結論

1）殘壓切換適用于存在少量旋轉負荷的供電系統，若系統中旋轉負荷較大，或者存在發電機，這種切換方式無法滿足實際需求。

2）首次同相切換可以很好地適應大旋轉負荷系統的需求。但是，在面對存在有發電機或者自備電廠的供電系統時，存在時效性不足的問題。

3）快速切換能夠很好地滿足不同特性負荷系統的供電切換需求，適用于存在大量旋轉負荷且設置有自備電廠的供電系統，有著其他兩種切換方式無法比擬的優點。