微機廠用電快速切換裝置關鍵技術研究

山東能源棗礦集團供電工程處 張 浩 趙 強

現代大型企業的生產過程是高度自動化的，這就要求許多廠用的輔助裝置為主要設備（如汽機、鍋爐、冶煉爐等）提供服務，其往往是由電動機械進行拖動作業?！皬S用電”就被定義為向廠用電動機和自動化監控、操作、試驗、運行、檢修等設備提供電能供應的系統。廠用電的安全可靠關系到機組、電廠乃至整個系統的安全運行。為保證廠用電的可靠性，避免故障帶來的停機停產，必須合理地設計廠用供電的電源、接線方式等，還需配備完善的繼電保護與自動裝置，進一步提高供電的安全可靠性。廠用電工作電源與備用電源間的快速切換可保證廠用電的連續可靠性，為用電的安全提供有效技術保證。廠用電快切裝置是一種自動裝置，主要作用是在正常工作或非正常工作狀態下自動實現工作和備用電源間的切換?？烨醒b置作為保障發電廠正常生產的重要技術措施，是實現發電廠廠用母線電源快速切換的關鍵設備。對快切裝置進行優化有利于保證快切裝置的快速、可靠動作和廠用電的安全穩定運行。

相比于一般的電源切換，廠用電的切換有自己獨特的情況：當工作電源因某種原因跳閘、廠用母線失去電源，對于母線上運行的電動機由于慣性的作用及存儲的磁場能量，轉子在一定時間內會繼續保持旋轉，同時將磁場能量轉換成電能。廠用電切換過程是一個復雜的機電暫態過程，特別是在事故切換過程中電壓量、電流量、滑差、相角都將發生快速變化，如切換設備不具備實時響應這些瞬變參量的能力將造成切換失敗或設備損壞[1]。由于不同電動機的特性、參數不一樣，且殘壓與備用電源電壓的頻率差、相角差會出現快速變化。因此需在快速的頻率差、相角差變化中找出合適的時間點進行合閘，以達到母線殘壓與備用電源電壓的差拍電壓最小和電動機可最大程度自啟動目的[2]。

1 快速切換裝置原理分析

1.1 廠用電系統的切換原理

廠用電系統一般有兩個電源，即廠用工作電源和備用電源[3]。圖1所示為某發電廠的廠用電系統，正常運行狀態下1DL閉合，2DL、3DL處于分位。發電機端的廠用高壓工作變壓器向廠用母線提供工作電源，而備用電源則由發電廠的高壓母線或由系統經起動/備用變來提供。若工作電源因故斷開，此時為保證發電廠的正常運行需投入備用的電源，即跳開1DL，閉合2DL、3DL。在切換過程中，備用電源與廠用母線兩個系統間的狀態在不斷變化，此時若不采用恰當的切換方式、找到合適的切換時機，廠用母線上運轉的電動機將很可能被沖擊并損壞，從而對廠用旋轉機械負載的安全運行造成嚴重威脅。

圖1 廠用電接線示意圖

1.2 快速切換

評判快速切換效果好壞的重要標準是要在某范圍內以盡量快的速度將備用電源投入，這一允許范圍是以備用電源電壓和母線殘壓間的相角差為依據來確定的?？焖偾袚Q裝置需具有快速確定起始相角差的大小，并能在相角差超過限定值時閉鎖切換的功能?？焖偾袚Q能否成功不僅與斷路器的開斷性能有關，還取決于廠用負荷特性、系統故障類型、接線方式等。因而不能保證其每次切換都可成功?？焖偾袚Q有3個整定值，即母線允許電壓值、最大相角差與最大頻率差。在啟動快速切換時比較實時的測量值與整定值，若滿足切換條件則發出備用電源合閘命令。為應對實際應用中出現的各種情況，仍需采用同期捕捉切換、殘壓切換甚至長延時切換作為廠用電切換方式的補充，從而確保廠用母線失電后備用電源能及時可靠投入。

1.3 同期捕捉切換

當存在某些客觀原因，如斷路器設備性能所限或母線殘壓與備用電源電壓相位夾角較大等，使快速切換的條件無法滿足，此時可轉入同期捕捉切換，作為快速切換的后備切換方式，此時裝置開始判別同期判據，根據同期條件滿足與否進行廠用電的切換。在實現同期捕捉切換時有兩種基本方法：

基于“恒定越前相角”原理。根據切換時同期捕捉階段備用電源電壓與母線殘壓相角變化的速度（與該時刻的頻差相關）和斷路器的合閘固有時間，計算出發合閘命令時的提前角?？烨醒b置對頻差和相差進行實時跟蹤檢測，在相位差達到整定值且頻差小于整定值時，裝置將發切換合閘命令，當頻差大于整定值時，同期捕捉切換條件不滿足，自動轉入下一切換方式，即殘壓切換。采用恒定越前相角這種方法的缺點是合閘角的精確度把握不準，同時廠用母線上負載的變化也會導致合閘角的變化；基于“恒定越前時間”原理。這種方法按照一定的變化規律模型，根據實時檢測到的頻差和相差來計算出相角差過零點的時間，以及距離過零點的時間接近斷路器合閘回路總時間的時刻，當母線殘壓相位到達這一時刻時裝置發出合備用電源的命令。從理論上講該方法可較精確地在過零點實現合閘。

1.4 殘壓切換

當母線殘壓衰減到20～40%的額定電壓時進行的切換稱為殘壓切換，該方式可作為快速切換與同期捕捉切換的后備功能，在快速切換與同期捕捉切換失敗的情況下進行下一步的電源投切工作，提高廠用電切換的成功率。殘壓切換有兩個定值，分別為殘壓切換電壓幅值與殘壓切換電壓時延，當母線殘壓值低于殘壓切換定值、同時持續一定時間時，裝置發出切換合閘命令。

1.5 長延時切換

如果在給定時間內上述三種切換方式都沒能進行，則轉入執行長延時切換。在一般情況下執行長延時切換的概率很小，只作為備用的一種切換方式。只有短時間內廠用電系統多次發生故障時這種切換方式才可能出現。長延時切換的定值只有一個即長延時時間。當檢測到系統失電時間達到長延時時間時，裝置發出切換合閘命令。

2 廠用電快速切換裝置系統設計

2.1 系統硬件設計

本文以功能模塊化為設計思路進行硬件系統的設計，其快切裝置硬件部分由主控板、電源板、交流板、液晶板4部分組成。通過CAN總線進行信息的交互，各芯片本身已經帶CAN模塊，但需要額外擴展CAN物理層傳輸芯片，各板之間通過軟電纜（系統電纜）連接。

其中主控板上額外配置一個EEPROM用于存儲報告擾動數據和定值等信息，掉電保持。同時主板上有一個時鐘芯片8025T，帶后備電池，以保持裝置運行時鐘的正確。電源板上包括電源模塊和開入開出擴展模塊，主要用于給整個裝置供電，開入開出模塊通過CAN進行相關信息的傳遞，開出擴展模塊便于主板上開出不夠時擴展使用。交流板上為電流電壓互感器，用于外部電流電壓接入到裝置，交流板通過電纜接到主控板的交流采樣回路上。液晶板顯示信息。通過采用背板總線結構與硬件插板，提高了切換裝置硬件的擴展性和通用性。此外將可編程邏輯器件應用于微機快切裝置能簡化裝置的硬件部分，提高硬件平臺與軟件功能的靈活性。

2.2 系統軟件設計

軟件設計是快速切換裝置實現相關功能的重要組成部分。微機快切裝置的軟件要執行各種電氣量數據的采集和檢測、執行切換策略、處理控制電路故障、協調中斷事件以及人機界面操作等任務，保障裝置穩定、靈活、高效的運行?？焖偾袚Q裝置根據電力系統故障后母線電壓的衰減特性，提供了快速切換、同期捕捉切換、殘壓切換、長延時切換等多種切換方式，可在不滿足啟動當前切換模式時依次啟動后續模式。

本文所設計的廠用電快速切換裝置具有裝置閉鎖、狀態診斷、低壓減載等功能，可在母線PT斷線、母線電流故障、后備電源失壓等情況下，使裝置閉鎖保證快切不動作。此外還可實現系統的狀態診斷功能并對廠用電發生動作后生成報告，實現對擾動數據的記錄。為更好地對廠用電系統進行控制與監測，設計了維護軟件的界面，其中右側為維護界面，左側為相應的維護功能，一般通過右鍵菜單來執行一些操作功能。

綜上，由于廠用電系統設備眾多，廠用負荷特性紛繁復雜，如何準確把握廠用母線失電后殘壓的變化規律，使得快切裝置能夠更準確地進行判斷是未來需要進一步探討的課題。