帶發(fā)電機(jī)母線的工業(yè)企業(yè)電源切換過程研究

張 翔 ，衛(wèi)志農(nóng) ，李 杰 ，林 霞 ，苗世華 ，宗洪良

(1.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇南京210098；2.江蘇金智科技股份有限公司，江蘇南京211100)

因故障或誤操作導(dǎo)致進(jìn)線斷路器跳閘時(shí)，廠用電工作母線失電將對(duì)整個(gè)工廠設(shè)備的安全可靠運(yùn)行產(chǎn)生重大影響[1]。而備用電源切換裝置是保證廠用電安全可靠運(yùn)行的重要設(shè)備。當(dāng)工作母線失去電源時(shí)需要通過備用電源切換裝置投入備用電源,以保證向廠用負(fù)荷正常供電。而此時(shí)失電母線的殘壓和頻率會(huì)不斷衰減[2]，其與備用電源電壓的相角、幅值產(chǎn)生差值，隨著殘壓的快速變化，失電母線與備用電源電壓的相角差逐漸拉開，這就要求必須在快速變化中找出恰當(dāng)?shù)臅r(shí)刻進(jìn)行合閘，以滿足合閘瞬間電動(dòng)機(jī)的沖擊電流最小，減小對(duì)電動(dòng)機(jī)的損害。常用切換裝置需滿足一定的相角差、頻率差以及殘壓等判別條件才能成功切換。許多石油、化工等廠礦企業(yè)在廠用母線側(cè)加裝了同步發(fā)電機(jī)，不僅提高了供電可靠性，加強(qiáng)了對(duì)本地重要設(shè)備的持續(xù)供電，而且提高了工廠備用電源切換的成功率。文中對(duì)帶發(fā)電機(jī)母線的工業(yè)企業(yè)電源切換過程進(jìn)行了研究。

圖2殘壓等效電路與相量

1切換原理簡(jiǎn)述

工業(yè)企業(yè)常見的接線如圖1所示。正常運(yùn)行時(shí)，兩段母線分列運(yùn)行。當(dāng)進(jìn)線1或進(jìn)線2發(fā)生故障時(shí)，線路保護(hù)動(dòng)作,母線失電。此時(shí)快切裝置應(yīng)跳開進(jìn)線開關(guān)，合上分段開關(guān)，由對(duì)側(cè)進(jìn)線帶兩段母線運(yùn)行。

系統(tǒng)的等值電路和相量[3]如圖2所示。

圖中Ud為母線殘壓；Us為備用電源電壓；ΔU為正常電源與失電母線間的電壓差，通常通過沖擊電流表現(xiàn)出來；Xm為失壓母線上電動(dòng)機(jī)組的等值電抗；Xs為備用電源的等值電抗。從圖中可以看出電壓差ΔU與θ角（Us和Ud二者間的夾角）和殘壓Ud相關(guān)。定義Um為電動(dòng)機(jī)繞組承受的電壓，則有：

令

則

Um=KΔU （3）

為保證切換安全， 定義合閘時(shí)電動(dòng)機(jī)所能承受的電壓不大于1.1 倍的額定電壓UN[4]。因此有：

從而

用極坐標(biāo)表示的殘壓相量變化軌跡如圖3所示，即以A為圓心，以為半徑作圓，～右側(cè)為備用電源允許切換的安全區(qū)域，左側(cè)則為不安全區(qū)域。

圖3殘壓特性相量

可見，Xm越大，即電動(dòng)機(jī)容量較小時(shí)，K值越大，殘壓相量圖中的安全區(qū)域圓面積越小，安全穩(wěn)定裕度越小,即圖3中的A'～A"向右移至B'～B"，相應(yīng)安全區(qū)域圓半徑也由AO減小為AO'，因此需更加重視電動(dòng)機(jī)容量較小時(shí)的安全切換問題。

2常用合閘方式

2.1快速合閘方式

快速合閘是指當(dāng)母線電源中斷時(shí)，若此時(shí)系統(tǒng)滿足切換條件，立刻發(fā)出斷路器的合閘指令。此時(shí)母線電壓的幅值和頻率下降不多，相角差不大，產(chǎn)生的沖擊電流非常小，切換成功率高，安全性好，對(duì)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)最為有利，因此快速合閘方式也是最被推崇的一種切換方式，對(duì)應(yīng)圖3中的A～B段。

為保證一定的裕度，一般將快速合閘下備用電源電壓與母線殘壓間相角差限制在30°以內(nèi)，頻差限制在1.5 Hz內(nèi)，整個(gè)動(dòng)作時(shí)間窗限制在100～150 ms范圍。

2.2捕同期合閘方式

捕同期合閘方式[5]又稱為同捕合閘方式。當(dāng)由于一些客觀原因，例如備用電源電壓和母線電壓本身就存在一個(gè)較大的初相角或者開關(guān)設(shè)備自身?xiàng)l件所限等，快速合閘方式失效時(shí)，同捕合閘方式可以作為快速合閘的后備切換，這時(shí)裝置自動(dòng)轉(zhuǎn)入同期判別，使得廠用電源切換能夠安全進(jìn)行。同期捕捉切換以相位差為ε（一般為一接近0°的數(shù)值）時(shí)作為合閘目標(biāo)，同捕區(qū)域位于圖3中的線段AO與殘壓相量運(yùn)動(dòng)軌跡的交點(diǎn)C附近。在快速切換方式失效時(shí)，如果能實(shí)現(xiàn)同捕切換對(duì)電動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)也是比較有利的。

2.3殘壓合閘方式

當(dāng)電壓衰減到（25%～40%）UN后，不考慮是否滿足同期條件，只要?dú)垑旱陀跉垑憾ㄖ?，就發(fā)出備用電源合閘信號(hào)而實(shí)現(xiàn)電源切換稱為殘壓切換，這種切換方式下產(chǎn)生的沖擊電流對(duì)電動(dòng)機(jī)影響較大。

3 廠用母線加裝同步發(fā)電機(jī)對(duì)電源切換的影響

3.1減小了切換瞬間電動(dòng)機(jī)的沖擊電流

如圖1所示，當(dāng)工作線路發(fā)生故障，保護(hù)動(dòng)作跳開斷路器，將故障隔離，若失壓母線側(cè)存在同步發(fā)電機(jī)，由于該同步發(fā)電機(jī)為電動(dòng)機(jī)提供了有功補(bǔ)償，且認(rèn)為該同步發(fā)電機(jī)的頻率調(diào)整特性為：

其中，K為單位調(diào)節(jié)系數(shù)，負(fù)荷側(cè)加裝同步機(jī)后，功率因數(shù)一定時(shí)，同步發(fā)電機(jī)容量越大，對(duì)電動(dòng)機(jī)提供的有功補(bǔ)償越多，母線失電后有功缺額ΔP越小，K為常數(shù)，頻率差Δf也越小，該時(shí)間段內(nèi)平均頻率差也相對(duì)減小，而母線失電后相角差為：

即相同時(shí)差拉開的速度。若假設(shè)原先母線失電時(shí)間為Δt時(shí)，運(yùn)行點(diǎn)在圖3中的B點(diǎn)，加裝同步機(jī)后，由于相角差Δφ減小，此時(shí)運(yùn)行點(diǎn)在D點(diǎn)，更靠近快切安全區(qū)域的中心，且電壓差ΔU'＜ΔU，從而減小了切換時(shí)電動(dòng)機(jī)的沖擊電流。

3.2提高了失電后的母線殘壓

快切裝置能夠成功切換對(duì)母線殘壓是有要求的，無論是采用快速切換還是同捕切換方式都不能使母線殘壓過低。當(dāng)?shù)陀?5%～40%的額定電壓時(shí)，以上2種切換方式就會(huì)失效。尤其當(dāng)母線上電動(dòng)機(jī)負(fù)荷容量較小時(shí)，失電后其維持電壓的能力較弱，殘壓水平較低，快切裝置的快速和同捕切換方式就很有可能失效。母線失電后，如裝設(shè)同步發(fā)電機(jī)，功率因數(shù)一定時(shí)，容量越大，為母線提供的無功補(bǔ)償越多，即母線殘壓衰減速度減慢甚至不減；而且一般同步發(fā)電機(jī)容量越大，勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力越強(qiáng)，維持殘壓的能力也越強(qiáng)。但要注意，母線殘壓水平如果低于發(fā)電機(jī)低電壓保護(hù)定值時(shí)，發(fā)電機(jī)保護(hù)會(huì)動(dòng)作，將同步發(fā)電機(jī)切除。

4算例仿真及結(jié)果分析

利用電力系統(tǒng)分析綜合程序包（PSASP）仿真，來驗(yàn)證廠用同步發(fā)電機(jī)與電動(dòng)機(jī)負(fù)荷容量比不同時(shí)相關(guān)參數(shù)的差異，以此驗(yàn)證同步發(fā)電機(jī)對(duì)電源切換的影響。某廠接線如圖4所示。

外電網(wǎng)及平衡節(jié)點(diǎn)電源可近似認(rèn)為是無窮大電源，模型參數(shù)如下。

圖4 PSASP中廠用母線帶發(fā)電機(jī)仿真模型

系統(tǒng)：SB=100 MVA，f=50 Hz，高壓母線電壓基值VBh=110 kV，低壓母線電壓基值VBl=6 kV；

110 kV 線路：R1=0.032 p.u.，X1=0.161 p.u.， B1/2=0.153 p.u.，L=1 km；

6 kV 線路：R1=0.008 5 p.u.，X1=0.072 p.u.，B1/2=0.074 5 p.u.，L=1 km；

變壓器數(shù)據(jù)：歸算至高壓側(cè)后R1=0.005 p.u.，X1=0.062 5 p.u.，YnD 連接；

廠用電動(dòng)機(jī)：功率因數(shù)為0.9，電動(dòng)機(jī)負(fù)荷容量為5 MVA，定子電抗X1=0.295 p.u.，轉(zhuǎn)子電阻R2=0.018p.u.，轉(zhuǎn)子電抗 X2=0.18p.u.，慣性時(shí)間常數(shù) Tj=2s；

廠用同步發(fā)電機(jī)：暫態(tài)電抗Xd'=0.119 8 p.u.，次暫態(tài)電抗Xd"=0.039 8 p.u.，慣性時(shí)間常數(shù)Tj=6.8 s，功率因數(shù)為0.9。

如圖4所示，1s時(shí)刻線路110 kV 2段～6 kV 2段發(fā)生三相短路故障，故障持續(xù)100 ms后保護(hù)裝置將線路切除。進(jìn)行快速切換仿真時(shí)，母線失電100 ms后（即1.2 s時(shí)刻）快切裝置發(fā)合閘命令，母聯(lián)開關(guān)動(dòng)作；進(jìn)行同捕切換仿真時(shí)，第一個(gè)同捕點(diǎn)到來時(shí)刻快切裝置發(fā)合閘命令。令正常運(yùn)行時(shí)母線電壓為1 p.u.，仿真結(jié)果如表1所示。

從表1仿真結(jié)果來看，隨著同步機(jī)與電動(dòng)機(jī)容量比的增大，可以得出以下幾個(gè)結(jié)論：

（1）快速合閘安全動(dòng)作時(shí)間域變長(zhǎng)。對(duì)比表1中第3列和第4列數(shù)據(jù)，失電母線相角差為30°及母線頻率差為1.5 Hz的時(shí)刻逐漸后移。隨著同步機(jī)與電動(dòng)機(jī)容量比增大，快速合閘安全動(dòng)作時(shí)間域?qū)⑦M(jìn)一步增大，增大趨勢(shì)如圖5所示。

（2）由表1中第5列數(shù)據(jù)可得第一個(gè)同捕點(diǎn)到來時(shí)刻也逐步后移。采取同捕切換方式進(jìn)行切換時(shí)，第一個(gè)同捕點(diǎn)對(duì)應(yīng)的相角差為360°，即第一個(gè)同捕點(diǎn)時(shí)刻為：

表1同步機(jī)與電動(dòng)機(jī)容量比不同時(shí)的仿真數(shù)據(jù)

圖5快切安全動(dòng)作時(shí)間域隨同步機(jī)與電動(dòng)機(jī)容量比變化曲線

上式各量定義與4.1一致。同步機(jī)容量越大，有功補(bǔ)償越多，平均頻率差越小，同捕時(shí)刻越往后移，如圖6所示。

圖6第一個(gè)同捕點(diǎn)時(shí)刻隨同步機(jī)與電動(dòng)機(jī)容量比變化曲線

（3）由表1中第2列數(shù)據(jù)可得快速切換時(shí)母線殘壓逐漸提高，且基本都在0.85以上。從殘壓角度來看，保證了備用電源快速切換的成功率。觀察第6列數(shù)據(jù)可得同捕時(shí)刻殘壓值先增大，后減小。這主要是由于母線殘壓值主要由2個(gè)因素決定。一是母線失電后的無功補(bǔ)償程度及勵(lì)磁調(diào)節(jié)能力，功率因數(shù)一定時(shí)，主要體現(xiàn)在同步發(fā)電機(jī)的容量上，容量越大，無功補(bǔ)償程度及勵(lì)磁調(diào)節(jié)能力越好，殘壓水平越高；二是母線失電的時(shí)間對(duì)于同捕方式而言，隨著同步發(fā)電機(jī)與電動(dòng)機(jī)容量比增大，同捕點(diǎn)時(shí)刻后移，即母線失電時(shí)間變長(zhǎng)，殘壓水平降低。

由表1可以看出，快速合閘方式下殘壓值均能很好地滿足切換要求的殘壓條件，而同捕方式下，不裝設(shè)同步發(fā)電機(jī)時(shí)，殘壓值僅為0.32 p.u.，低于0.4 p.u.，即不滿足安全切換的殘壓條件，而導(dǎo)致切換失敗。而裝設(shè)了同步機(jī)后，由于同步機(jī)的無功補(bǔ)償及勵(lì)磁作用,使得母線殘壓水平都能維持在0.4 p.u.以上，滿足了同捕切換時(shí)的殘壓條件。但相關(guān)文獻(xiàn)[6，7]中提到，發(fā)電機(jī)低電壓保護(hù)定值一般設(shè)為0.8 p.u.，低頻保護(hù)定值一般為48 Hz，由表1數(shù)據(jù)來看，同步機(jī)與電動(dòng)機(jī)容量比不同時(shí)，各同捕時(shí)刻總是比母線頻率差為1.5 Hz的時(shí)刻小，說明同捕切換時(shí)頻率不會(huì)低于48.5 Hz，但同步機(jī)與電動(dòng)機(jī)容量比較小，采用同捕切換時(shí)，母線殘壓水平不夠高，會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)低電壓保護(hù)動(dòng)作，將發(fā)電機(jī)切除。

5結(jié)束語

目前許多工業(yè)企業(yè)在廠用母線側(cè)加裝了同步發(fā)電機(jī)，不僅提高了供電可靠性，加強(qiáng)了對(duì)本地重要設(shè)備的持續(xù)供電，同時(shí)對(duì)提高廠用電源切換的成功率也有較大幫助。綜上所述，同步發(fā)電機(jī)在電源切換中有如下作用：（1）同步機(jī)的有功補(bǔ)償作用減慢了失電母線相角差拉開的速度。相同時(shí)間間隔內(nèi)，間接地減小了二者的電壓差，即減小了切換瞬間電動(dòng)機(jī)的沖擊電流，從沖擊電流的角度提高了電源切換的成功率。（2）同步機(jī)的無功補(bǔ)償及勵(lì)磁作用提高了失電母線的殘壓值，從殘壓角度提高了電源切換的成功率。（3）隨著同步機(jī)與電動(dòng)機(jī)容量比增大，快速合閘方式下電源切換的成功率增大。而當(dāng)同步機(jī)與電動(dòng)機(jī)容量比較小，且采用同捕方式進(jìn)行電源切換時(shí)，失電母線殘壓值可能會(huì)低于發(fā)電機(jī)保護(hù)定值，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)被切除。此時(shí)若因?yàn)榭焖俸祥l方式失效而不得不采取同捕方式進(jìn)行切換時(shí)，可以適當(dāng)切除一些負(fù)荷等級(jí)較低的負(fù)荷，來維持切換所需的殘壓條件。

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