SID-40B快切裝置在35 kV供電系統的應用

袁桂泉 趙偉華 徐 謙 孟進福

(中冶美利漿紙公司電儀分廠，寧夏中衛，755000)

SID-40B快切裝置在35 kV供電系統的應用

袁桂泉 趙偉華 徐 謙 孟進福

(中冶美利漿紙公司電儀分廠，寧夏中衛，755000)

中冶美利漿紙公司35 kV供電系統具備雙回路電源供電基本條件，引進了SID-40B無擾動替續切換裝置，實現35 kV供電雙回路無擾動零失電快速切換。

SID-40B快切裝置;供電系統;穩定性;連續性

供電網絡瞬間晃電、掉電會給生產系統帶來損失，造成設備停運、管道堵塞、生產流程中斷、產生大量廢料廢品，甚至造成生產設備的損壞及微控系統程序丟失。

備用電源自動投入裝置就是保證電能輸送可靠、連續的一項重要技術措施。傳統的備用電源自動投入裝置備用回路啟動條件通常是以供電主母線電壓信號為判定依據，從探測出失電到備用電源投入最快1 s以上甚至更長時間，在備用電源切換過程中針對純阻性和電感性負載已經完全處于失電狀態，供電已經中斷，通常純阻性及電感性用電設備在失電200 ms之上就會停止運行。傳統備用電源自投裝置在設計上根本無法滿足當今各類用戶的要求，特別是對擁有大量電動機負荷的制漿造紙企業更是無益反害，因此在一些部門被明令禁用。但是在傳統概念上，因為“檢同期”等諸多因素的影響，特別是諸多用電設備的性質不同，純阻性和電感或電容性負荷在失電后所表現的物理特征不同，電壓強度按相應的時間常數逐漸衰減，快慢不同。傳統的備用電源自投裝置沒有“檢同期”功能，根本無法實現雙電源“零失電”快速切換。在傳統供電模式的影響下“零失電”雙電源不間斷快速切換似乎是不可能的。

中冶美利漿紙公司 (簡稱中冶美利)根據生產基本需求等諸多方面考慮，特別是根據供電可靠、連續性的要求等實際情況，引進SID-40B快速無擾動備用電源替續控制系統，具體介紹如下。

1 供電系統實現雙回路零失電快速切換的必要性

中冶美利供電網絡示意圖見圖1，供電方式采用的是雙回路網絡單獨供電;電廠2臺50 MW發電機組并網發電，經過檢同期，再分別經過351B和352B 2臺變壓器，由10 kV升壓到35 kV送入供電網絡(此處電廠出線柜的母聯開關DL是閉合的)。兩路35 kV電源進入卡紙和化機漿變電所及其他變電所，經過變配電10 kV輸出到用電系統。以化機漿變電所為例，351B線路和352B線路分別進入變電所，通過1#進線柜斷路器QF0和2#進線柜斷路器QF1進入供電系統，通過變壓器由35 kV降到10 kV送入用戶，此時的變電所母聯開關DL-2是斷開的，351B和352B分別單獨供電、互為備用。供電網絡已具備了雙電源供電的基礎條件。35 kV供電系統相關參數:額定功率31500 kVA，額定電流600 A，額定短路開關電流31.5 kA。

圖1 中冶美利供電網絡示意圖

原供電網絡在供電運行中，由于電廠到生產線最近的化機漿變電所的距離至少500 m以上，這段線路單回路 (351B或者352B)經常出現小故障，引起相對應的用電系統晃電、掉電、斷電等事故不斷發生。據統計，在未安裝使用快切裝置前，35 kV供電系統經常會因為以下原因導致用戶系統斷電跳閘:

(1)因電廠到變電所供電系統中故障點較多，引起進線電纜小電流接地故障;

(2)電廠出現小故障導致35 kV供電網絡晃電;

(3)供電電纜安裝時受傷或電纜質量等問題引起單回路供電中斷;

(4)發電機故障或者其他原因導致單回路系統壓降引起晃電;

(5)電廠CT柜出現故障引起系統斷電;

(6)電廠出線柜定值保護起作用引起電廠出線柜保護動作，電閘跳停。

通常，化機漿變電所中的進線柜母聯開關 (DL-2)和斷路器 (QF0/QF1)相互聯鎖，通常是保持三選二的狀態。如果正在使用的供電回路出現故障通過母聯開關DL-2迅速切換到備用回路 (最快也得1 s以上)，同時斷開出現故障的在用回路。在整個切換過程中用電系統已經處于失電狀態，當用電系統接觸器或者繼電器線圈受電電壓低于額定電壓的10%，接觸器線圈等就會脫開，許多失壓保護裝置起作用，所有用電器處于停電狀態，生產線停止運行。用電系統在晃電、掉電時會出現以下情況:

(1)首先得到斷電信號的是工控柜中PLC的通訊模塊，所有受PLC控制的電器儀表控制系統停止工作。如 DCS(集散控制)、QCS(質量控制)等控制系統停止工作，生產線停止運行。所有接觸器、繼電器等電感性或者純阻性元件斷開導致用電設備斷電，造成大量廢紙產生。

(2)突然斷電對開關柜電氣元件的損壞。突然斷電產生的浪涌對低壓控制柜中精密元器件產生損害。中冶美利抄紙生產線配置的是ABB公司主傳動系統，突然斷電形成的浪涌及諧波多次造成逆變器保護熔斷器速熔的損壞，造成整流橋整流模塊的損壞，ABB主傳動控制系統通訊模塊損壞的比率也非常高。另外，配套整體控制系統采用DCS集散控制，QCS質量控制全部使用的是西門子PLC控制系統，突然斷電造成的浪涌也會使PLC模塊及通訊模塊損壞。

(3)突然斷電對傳動設備造成的損害。最常見、最直接的就是損害網布。另外，突然斷電也會對傳動系統中聯軸器、齒輪、軸承、減速箱造成損害。

2 實現雙回路零失電快速切換的技術分析

實現供電電源無擾動快速切換，可在一個回路電源故障被保護切除時，快速且在不損害供、用電設備的前提下投入備用電源，以保證對卡紙、化機漿、環保分廠等單位不間斷地供電。該控制系統不僅僅能夠實現當工作電源被切除時及時投入備用電源，更重要的是保護用戶的生產設備不被破壞。由于負荷的性質不同，純阻性和電感或電容性負荷在失電后所表現的物理特征也不同，電壓強度按相應的時間常數逐漸衰減。電動機的負荷母線電壓衰減速度與電動機數量、容量及其拖動的機械特性有關，且失電后的電動機通過其剩余的動能及轉子剩磁轉入異步發電狀態，使負荷母線上呈現出一個電壓和頻率逐漸衰減的殘壓。不難看到，投入備用電源必須針對不同負荷性質采取不同的對策，目的就是實現全部負荷快速重新恢復運行。

傳統供電備用回路自投裝置的啟動條件概括起來有3個:①工作電源已斷開，通常使用測試供電系統“無流”作為判斷依據;②備用電源電壓正常，通常使用備用電源回路“有壓”作為判斷依據;③負荷母線電壓為零，通常使用用電系統回路“無壓”作為判斷依據。

顯然，上述條件①、②是正確的，但條件③卻是片面甚至是錯誤的，如負荷母線電壓為零，表明高速生產線中全部負荷包括電動機在內全部停止運行，生產過程中斷，此時備用電源即使投入了也無法避免生產工藝流程被中斷，大量電動機自啟動的條件相互制約，相互聯鎖，再次啟動困難。傳統備用自投裝置設計者的初衷是擔心當負荷母線電壓很高時投入備用電源會損壞電氣設備，特別是電動機，事實上，這一種顧慮是多余的，因電動機能長期耐受的電壓制造廠家給出的數據是1.1～1.2倍額定電壓，通常稱此電壓為電動機耐受電壓。因此，只要在備用電源投入時電動機所承受的電壓不超過此值那就是安全的。所以將傳統的備用電源投入的條件③必須修改為負荷承受電壓小于或等于耐受電壓更為合理。

目前中冶美利熱電廠2臺發電機組總裝機容量100 MW，用電負荷已達到86 MW左右，其中造紙分廠為19.65 MW、制漿分廠為18.00 MW、熱電分廠為8.40 MW、環保分廠為2.25 MW，其他部門及外單位為37.50 MW。公司設備純阻性負荷設備很多，但是在低壓用電設備中有很多電機采用了變頻、軟啟動控制等，總體上電感性或電容性儲能特征的負荷占絕大部分，在失去工作電源后電路中的殘壓按相應的時間常數逐漸衰減。

圖2所示為工作母線殘壓相對備用電源極坐標圖，在主回路工作電源因故障并隨即聯切其他電源支路和電容支路后，母線上所有電動機依靠原來的慣性及轉子剩磁轉入異步發電狀態，也就是說在工作母線上將出現一個電壓和頻率在逐步下降的殘壓，圖2中殘壓U相對備用電源UB向滯后方向運動的角度θ不斷增大，而殘壓數值也不斷衰減，經過一段時間才衰減到零。以往擔心在工作母線上有電壓時投入備用電源會產生損壞用電設備特別是電動機，因而一定要在母線殘壓衰減為零時才投入備用電源，或者要在殘壓與備用電源間的相位差為零時投入備用電源，事實上這是不正確的。

圖2 工作母線殘壓相對備用電源極坐標圖

圖3中所示是工作電源切除后備用電源電壓UB和殘壓UG的相量差電壓ΔU的變化相量圖，δ0是在正常工作時備用電源UB和工作母線電壓UG0的初始功角，當工作電源故障切除后，工作母線電壓由UG0變為殘壓UG1、UG2、…UG6，與此同時對應產生了差電壓 ΔU·=U·G-U·B的 ΔU1、ΔU2…ΔU6，隨著 UB與殘壓UG間的相位差的增大，ΔU由小到大，再由大到小。如果在某個ΔU值時合上備用電源，可從圖4中看到ΔU一部分落在備用線路或變壓器的電抗XB上，另一部分落在母線上負荷 (主要是電動機)的等值阻抗XM上。一般電動機可以長期承受1.1～1.2倍額定電壓，因此，只要選擇合上備用電源時施加在電動機上的電壓不超過這個耐受電壓值，電動機就是安全的?？赡軗耐度雮溆秒娫磿r的角很大時會導致對電動機軸系的扭矩沖擊，理論及實踐證明電動機群雖然處在異步發電狀態，但其實質上是一個沒有動力源和勵磁源的靠慣性發電的發電機。因此備用電源投入時會在不大的沖擊下將電動機群拉入同步。在電動機群數量及容量較大的場合，角的變化速度較慢，加之裝置的運算及控制速度很快，一般情況下備用電源投入時的角大約在60°以內。

圖3 工作電源切除后ΔU相量圖

圖4 雙回路接線及等值電路

3 選用SID-40B快切裝置快速無擾動切換備用電源理論分析

在備用電源投入時可能與電動機群或等值電動機的次暫態及暫態電勢疊加而產生幅值較大的沖擊電流，并可能導致備用電源速斷保護動作而跳閘，使替續控制失敗。理論及實踐證明可以通過正確選擇備用電源繼電保護定值解決這一問題，為此，采用了捕捉電動機群耐受電壓點的準則實現備用電源的快速及安全切換，稱這一控制準則為捕捉電動機耐受電壓點的準則。實現這個準則的方法就是實時監測工作電源與備用電源的相角差及當前的ΔU值，并根據已采樣的數據預測ΔU的變化，在ΔU值增大到超過允許值之前，計算備用電源開關的合閘時間發出合閘命令完成備用電源的投入，這既保證所有電動機在轉速下降不多，母線殘壓還很高時就重新受電，不停轉，有利于迅速恢復工作。

ΔU是按備用變壓器 (或線路)阻抗XB與負荷阻抗XM比例進行分配的，由于工作變 (或線路)的阻抗XG、備用變 (或線路)的阻抗XB是已知的，這樣完全可以在正常運行時通過不斷測量UG和UM，由下式求出母線上全部負載實時的等值阻抗XM:

一旦工作電源因故障被切除后立即記錄最后的一次XM計算值，再通過已知的XB即可計算出容許合閘的ΔU最大值ΔUmax，只要做到在達到ΔUmax之前投入備用電源就能確保所有負載的安全及快速恢復運行。事實上，電動機在失去電源的減速過程中等值電抗XM在繼續下降，也就是說按剛斷電時計算的XM和已知的XG求出的備用電源投入時保證安全的最大允許ΔUmax值，比實際投入備用電源時的ΔU值大，即實際分配到電動機負荷兩端的電壓要比計算的小，故這一算法對電動機增加了更安全的保證。

此外，還應特別指出，目前制漿造紙企業廣泛使用的中大型感應電動機具有如圖5中所示靜態電壓特性曲線。它描述電動機向電源吸收的有用功功率P及無用功功率Q與端電壓V的關系，不難看出在電動機端電壓下降到接近額定電壓的60%時，電動機將大量吸取無用功，并且有用功轉矩急劇下降，這說明如果備用電源在工作母線殘壓下降到該臨界電壓Uk以下時再接入，將惡化電動機的自啟動條件，甚至自啟動失敗并使備用電源因過流和低電壓而跳閘。因此為保證生產過程的連續性，備用電源應在臨界電壓Uk之前投入。這樣很多工業企業的電動機電源接觸器也不再會有因備用電源投入過慢而出現所謂“晃電”和“脫扣”的問題，電動機也就不會自動跳閘?；谶@個原理，中冶美利選用SID-40B快速無擾動備用電源替續控制裝置，能在幾十毫秒內快速切換母聯開關，在無擾動、零失電狀態下投入備用電源。

圖5 感應電動機靜態電壓特性

4 快切裝置技術方案的選擇

SID-40B無擾動替續切換裝置有8種投入方案，分別是:①母聯或橋開關替續控制 (暗備用);②進線替續控制 (明備用)③線路開關替續控制1(明備用);④線路開關替續控制2(明備用);⑤熱備用變壓器替續控制 (明備用);⑥冷備用變壓器替續控制(明備用);⑦雙備用替續控制 (明備用);⑧暗備用明備用可互相轉換。

中冶美利根據其供電現狀選用了方案①，這種方式也是廠家首選的投入方案，如圖6所示。

圖6 快切裝置主接線圖

下面僅針對選用的快切裝置投入方案的邏輯控制進行詳細說明:

4.1 正常運行時

QF0合位，電源351A通過QF0向Ⅰ段工作母線供電。QF1合位，電源352B通過QF1向Ⅱ段工作母線供電。母聯開關DL-2斷開，Ⅰ母、Ⅱ母通過母聯開關形成互為備用。裝置上電后，Ⅰ段、Ⅱ段母線電壓大于各自失壓定值，裝置開始充電，10 s后充電完成，系統開始進入對故障監控狀態。

4.2 非正常工況切換

(1)系統發生母線失壓或斷路器偷跳時，裝置進行非正常工況切換，切換邏輯如下:Ⅰ段母線電壓U1m出現低于母線失壓定值，且超過失壓啟動時間后，確認Ⅰ段母線失壓，在II段母線有壓的情況下，跳QF0，合母聯開關。

(2)Ⅱ段母線電壓U2m出現低于母線失壓定值，且超過失壓啟動時間后，確認Ⅱ段母線失壓，在Ⅰ段母線有壓的情況下，跳QF1，合母聯開關 (僅在選擇雙方向切換時有效)。QF0或QF1偷跳時，補跳偷跳開關，合母聯開關保證正常供電。

4.3 事故切換

在裝置已完成充電后，若檢測到保護啟動信號，則進行事故切換，切換邏輯如下:檢測到保護啟動QF0跳閘信號時，隨即跳QF0合母聯開關保證正常供電;檢測到保護啟動QF1跳閘信號時，隨即，跳QF1合母聯開關保證正常供電。

4.4 手動切換

在檢測到母聯開關為合位，QF0或QF1為分位時，裝置開放手動切換功能，切換邏輯如下:在母聯開關、QF1為合位，且QF0為分位時，如檢測到手動切換信號，跳母聯開關合QF0。在母聯開關、QF0為合位，且QF1為分位時，如檢測到手動切換信號，跳母聯開關合QF1。手動切換成功后，裝置返回到正常運行模式。

經過一段時間的運行，SIB-40備用電源替續控制裝置在提高供電質量方面取得了非常好的效果。

5 結語

中冶美利漿紙公司引入SIB-40備用電源替續控制系統，實現了35 kV供電雙回路無擾動零失電快速切換，在一定程度上改善了35 kV供電系統供電質量的安全性、穩定性，結束了由于單回路供電輕微異常造成生產系統頻繁跳停的情況。

［1］ 葉念國．電力自動裝置的設計也要與時俱進［EB/OL］．http://www．szidd．com/jszcshow．asp?sendid=23．

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Application of SID-40B Quick Switch Device in Power Supply System

YUAN Gui-quan*ZHAO Wei-hua XU Qian MENG Jin-fu
(MCC Meili Paper＆ Pulp Co．，Ltd．，Electric Instruments Factory，Zhongwei，Ningxia Hui Autonomous Region，755000)

Our company's production line is a modern continuous production system，any disturbance of the power supply system will cause production line sudden stagnation and heavy economic loss．35kV power supply system in our company has double circuit power supply condition．In September 2010，we introduced SID-40B uninterruptable power switch system device，realized 35 kV power supply double circuit quick switch without interference and power loss．This device is a new product which breaks through the traditional meaning of double circuit switching．

power loss;quick switch;residual voltage;the same term;phase angle;stability;continuity

TS78

B

0254-508X(2012)01-0056-05

袁桂泉先生，機械工程師;主要從事新技術應用、技改、電氣設備管理及技術培訓等工作。

(*E-mail:nxygq@163．com)

2011-09-07(修改稿)

(責任編輯:郭彩云)