工廠供配電系統(tǒng)中固體靜態(tài)切換開關(guān)應(yīng)用

沈 康

（上海中航光電子有限公司，上海 201108）

工廠供配電系統(tǒng)中固體靜態(tài)切換開關(guān)應(yīng)用

沈 康

（上海中航光電子有限公司，上海 201108）

介紹了固體靜態(tài)切換開關(guān)（SSTS）的工作原理和控制策略。SSTS具有提升切換速度、延長開關(guān)使用壽命等特性，通過在工廠供配電系統(tǒng)中的分析表明，對于電壓瞬降問題，SSTS能夠通過快速切換對敏感設(shè)備起到保護(hù)作用。

供配電系統(tǒng)；電能質(zhì)量；電壓暫降；固體靜態(tài)切換開關(guān)；晶閘管

隨著電力電子技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，工廠供配電系統(tǒng)在運(yùn)營過程中經(jīng)常面臨這樣的情況：一方面影響電能質(zhì)量的因素在不斷增多，另一方面對電能質(zhì)量敏感的用電設(shè)備也在不斷增加［1-2］。為此，如何設(shè)計(jì)一套具備快速切換功能的供配電系統(tǒng)以保證持續(xù)、可靠供電已成為業(yè)內(nèi)人士考慮的重點(diǎn)。目前，供配電系統(tǒng)中普遍采用的切換開關(guān)切換周期大多在數(shù)秒或數(shù)十秒之間，即使采用真空開關(guān)或油開關(guān)切換，最快也需要0.1～0.2s［3］，此間的電壓驟降必會引起敏感設(shè)備不必要的停機(jī)，并造成嚴(yán)重的后果［4］。因此，各類能夠提高供電連續(xù)性和可靠性的快速切換裝置應(yīng)運(yùn)而生，固體靜態(tài)切換開關(guān)（Solid Static Transfer Switch，SSTS）由于具有高速切換、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，更是得到廣泛的應(yīng)用［5］。本文闡述了SSTS的工作原理和控制策略，以液晶面板廠供配電系統(tǒng)為例分析了SSTS的應(yīng)用。SSTS能快速提升切換速度，對敏感設(shè)備起到保護(hù)作用。

1 SSTS裝置工作原理

SSTS是混合的開關(guān)裝置，由3組雙向晶閘管（SU1，SU2，SU3）和高速機(jī)械開關(guān)（PS1，PS2，PS3）組成，其中每組雙向晶閘管與機(jī)械開關(guān)并聯(lián)接入所屬系統(tǒng)。SSTS系統(tǒng)在不同電源系統(tǒng)切換時(shí)，可以通過兩者之間動(dòng)作的時(shí)序控制實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)切換的無縫銜接，滿足負(fù)載持續(xù)供電的要求。從結(jié)構(gòu)上看，一套SSTS系統(tǒng)主要有5面機(jī)柜組合構(gòu)成，為了便于進(jìn)出線走向及系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)連接，由左至右依次排列為Source－1進(jìn)線柜、Load－1出線柜、聯(lián)絡(luò)柜、Load－2出線柜、Source－2進(jìn)線柜；在每面柜體上可通過觸摸屏和指示燈實(shí)時(shí)顯示線路運(yùn)行狀態(tài)，便于運(yùn)行監(jiān)控。當(dāng)兩路電源供電正常時(shí)，各自通過機(jī)械開關(guān)PS1和PS2分別向Load－1和Load－2供電，如圖1所示。

圖1 正常時(shí)SSTS供電方式Fig.1 Powder supply mode of SSTS under normal conditions

當(dāng)Source－1出現(xiàn)故障時(shí)，PS1斷開而TS1同步閉合。此時(shí)，作為中間裝置的TS3閉合，TS1再斷開，導(dǎo)致Load－1負(fù)荷通過Source－2供電，隨后機(jī)械開關(guān)PS3閉合，TS3斷開，旁路PS3持續(xù)為Load－1供電，如圖2所示。

由于SSTS運(yùn)用并聯(lián)高速機(jī)械開關(guān)和晶閘管固態(tài)電源切換開關(guān)的設(shè)計(jì)方案，正常情況下線路電流僅經(jīng)過機(jī)械開關(guān)，只有在切換期間晶閘管才投入運(yùn)行，這樣可以減少晶閘管的工作時(shí)間，解決了常規(guī)固態(tài)開關(guān)運(yùn)行時(shí)的損耗問題，從而有效克服了其他切換開關(guān)存在的使用壽命短、故障率高等技術(shù)軟肋。

圖2 Source－1異常時(shí)SSTS供電方式Fig.2 Source－1SSTS power supply mode under abnormal conditions

2 SSTS裝置控制策略

根據(jù)運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，敏感設(shè)備受電壓暫降的影響取決于供電系統(tǒng)電壓暫降特性和設(shè)備電壓耐受能力，因此，即使配置有電源切換裝置，若供電線路切換電源的方式不當(dāng)，同樣會引起供電故障和電力運(yùn)行事故［6－7］。

2.1 SSTS的切換條件

由SSTS的電壓測知單元VS1和VS2不斷檢測Source－1、Source－2的電壓U1和 U2，電壓相位角檢測單元（Voltage Phase－Angle Detect，VPD）檢測2個(gè)電源之間的相位角，隨時(shí)將數(shù)據(jù)傳送至SSTS的管理控制線路（Supervisory Control Circuit，SCC）。當(dāng)U1超出設(shè)定的上限UH或下限UL，而U2在設(shè)定的有效區(qū)間內(nèi)時(shí)，SCC將指令信號送到SU1，SU2和SU3，執(zhí)行從Source－1到Source－2的切換動(dòng)作。

當(dāng)出現(xiàn)以下情況時(shí)，系統(tǒng)將禁止切換動(dòng)作操作：①負(fù)荷側(cè)發(fā)生短路或者超載；②VPD檢測到Source－1和Source－2相位角差值大于30°；③V2超過上限或低于下限。

2.2 SSTS切換時(shí)序

當(dāng)Source－1被檢測出電壓異常后，Load－1由Source－2供電的切換時(shí)序過程如圖3所示。當(dāng)檢測到Source－1的電壓瞬降，控制器SCC對開關(guān)PS1發(fā)出第一次的指令，同時(shí)對晶閘管TS1發(fā)出一個(gè)門信號。TS1導(dǎo)通，電流經(jīng)PS1流至TS1。在TS1的門信號被斷開前，TS3反向晶閘管產(chǎn)生門信號；TS3導(dǎo)通后，Source－2通過TS3開始對負(fù)荷Load－1供電，此時(shí)Source－2已同時(shí)為Load－1和Load－2供電。隨后開關(guān)PS3閉合接替TS3，TS3斷開，切換工作完成。整個(gè)切換工作的周期為T1＋T2＋T3，其中，T1為探測周期，T2為切換周期，T3為動(dòng)作周期。T1和T2最為薄弱，期間大幅值的電壓瞬降難以保護(hù)敏感設(shè)備不受影響。但是，總體而言，有效的SSTS切換控制策略的確克服了傳統(tǒng)控制策略的弊端，大大縮短了切換裝置的切換時(shí)間［8］，保障了敏感、關(guān)鍵設(shè)備的持續(xù)用電。感性負(fù)荷所屬變壓器歸類為快速切換組。

圖3 SSTS切換時(shí)序圖Fig.3 SSTS switch waveform diagram

工廠供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)架如下：4路35kV供電線路，每路35／6kV分別供2段母線，在6kV的8段母線之間安裝了4套SSTS（見圖4）。每套裝置分別由2段母線電源引入，敏感性負(fù)荷（允許電壓跌幅＜10%UN，，持續(xù)時(shí)間＜100ms，其中UN為額定值）所屬變壓器（變壓比6kV／200V，容量1 600kVA，組別Y／△－11等相同）分別接入SSTS系統(tǒng)，由此做到期間小于20ms的快速切換，提高了系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性。同時(shí)，對于允許出現(xiàn)短暫電壓波動(dòng)的應(yīng)急電源系統(tǒng)選用雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)，實(shí)現(xiàn)主電源與柴油發(fā)電機(jī)組供電線路小于500ms的快速切換，以保證應(yīng)急電源供電。其余一般性負(fù)荷所屬變壓器及高壓設(shè)備接入各母線供電，利用鄰近母線備自投裝置實(shí)現(xiàn)小于1s的快速切換保護(hù)，從而構(gòu)成了具備3個(gè)層次的快速切換模式供配電系統(tǒng)。實(shí)踐證明，該供配電系統(tǒng)投入運(yùn)營后，雖然受內(nèi)外界因素影響出現(xiàn)了多次電壓瞬降現(xiàn)象，但是依靠供配電系統(tǒng)完善的快速切換裝置構(gòu)架，94%的電壓瞬降得以平穩(wěn)渡過。

3 SSTS在工廠供配電系統(tǒng)中的應(yīng)用

圖4 供配電系統(tǒng)構(gòu)架圖Fig.4 Diagram of power supply and distribution system

3.1 供配系統(tǒng)架構(gòu)

對于供配電系統(tǒng)的可靠性和連續(xù)性，對于不同的用電負(fù)荷，其要求是不同的［9］。以液晶面板廠為例，為了能夠設(shè)計(jì)出切實(shí)有效的供配電系統(tǒng)構(gòu)架，減少電壓瞬降對于工廠用電負(fù)荷的影響，縮小事故范圍［10］，在供配電系統(tǒng)前期設(shè)計(jì)階段作了大量工作：① 明確工廠設(shè)備用電要求（如電壓、頻率、功率等參數(shù)）；② 根據(jù)設(shè)備用電需求，選擇各變壓器型號，尤其是變壓器電壓比不可超過5%、連接組別必須相同、容量比不可超過3∶1［11］；③ 針對不同類型負(fù)荷進(jìn)行分類分組，尤其是將敏

3.2 SSTS應(yīng)用分析

國際電氣與電子工程師協(xié)會將電壓瞬降定義為供電電壓有效值快速下降到額定值（UN）的90%～10% ，然后回升至正常值附近的過程；而國際電工委員會則將其定義為下降到額定值的90%～1%，持續(xù)時(shí)間為10ms～1min的周期［12］。與長時(shí)間供電中斷事故相比，電壓瞬降有發(fā)生頻率高、事故原因不易察覺、處理起來比較困難的特點(diǎn)，因此在供電部門運(yùn)營過程中關(guān)于電能質(zhì)量問題的投訴中，90%以上是由電壓瞬降引起的［13-14］。以液晶面板廠近期一起電壓瞬降事故為例，Source－1發(fā)生了電壓瞬降，電壓跌幅達(dá)80%，持續(xù)時(shí)間200ms以上。如此大幅度、長時(shí)間的電壓瞬降必會導(dǎo)致敏感設(shè)備停機(jī)，然而由于SSTS系統(tǒng)在1／4周期內(nèi)完成了切換動(dòng)作，對敏感設(shè)備起到了有效的保護(hù)作用。

為了進(jìn)一步說明SSTS的運(yùn)營價(jià)值，現(xiàn)以SEMI F47生產(chǎn)設(shè)備電壓暫降免疫標(biāo)準(zhǔn)作為基準(zhǔn)，對液晶面板廠2010年電壓瞬降次數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行了測算評估。該廠2010年1～12月間共發(fā)生了54次，其中電壓跌幅大于40%、持續(xù)時(shí)間大于50ms的共28次。以圖6中標(biāo)識點(diǎn)A為例，當(dāng)時(shí)外線電網(wǎng)電壓瞬降達(dá)額定值的50%，持續(xù)400ms以上，SSTS在50ms內(nèi)完成了切換動(dòng)作，電壓跌幅控制在60%，避免了一次嚴(yán)重的電壓瞬降事故。從圖6可以看出，SSTS的快速切換致使94%的電壓瞬降都得到了治理，使之控制在基準(zhǔn)線以上符合半導(dǎo)體設(shè)備可耐受的水平之上，而基準(zhǔn)線以下的3次是由于出現(xiàn)2路同時(shí)供電異常，SSTS系統(tǒng)閉鎖導(dǎo)致切換失效引起。

圖6 SSTS電壓瞬降治理成果圖Fig.6 Results achieved with the implementation of SSTS voltage sag mitigation techniques

4 結(jié) 語

隨著各種敏感電力電子設(shè)備在工業(yè)中的廣泛應(yīng)用，用戶對供配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量提出了越來越高的要求。SSTS快速切換裝置可以為敏感，關(guān)鍵的設(shè)備提供有效的供電保障，對于提高工廠供配電系統(tǒng)供電的連續(xù)性和可靠性是較為理想方式之一，因此，其在供配電系統(tǒng)中的應(yīng)用有重要的意義。

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Application of Solid Static Transfer Switch in Power Supply and Distribution System

SHEN Kang
（Shanghai Avic Optoelectronics Co.，Ltd.，Shanghai 201108，China）

The principle and control strategy of solid static transfer switch（SSTS）are introduced in this paper.SSTS can increase switching speed and prolong service life of switches.In applications of factory power supply and distribution，SSTS can protect sensitive equipments in voltage sags by fast switching.

power supply and distribution system；power quality；voltage sag；solid static transfer switch；thyristor

TM 564.3

A

2095－0020（2011）03－0207－04

2011－10－22

沈 康（1975－），男，碩士生，工程師，技師，專業(yè)方向?yàn)殡姎饪刂?，E－mail：lkangfu＠yahoo.com.cn