備用電源自投方案分析比較

新疆額河建管局 李朝暉

一、引言

電力系統(tǒng)備用電源自動投切裝置是為提高電網(wǎng)的安全、可靠運行所采取的一種重要措施。壓變可提供控制、保護(hù)、測量、信號等回路的電源；站用電可提供控制、測量、變電站站內(nèi)照明、檢修、動力，以及通過整流裝置，提供直流系統(tǒng)電源和蓄電池充電電源等。由此可見，保持壓變及站用電電源的不間斷顯得尤為重要。現(xiàn)將幾種壓變電源、站用電源的自動投切方案，從運行角度對其原理進(jìn)行分析比較。

二、備用電源自投的一次接線方案

備用電源自投裝置主要用于110kV以下的中低壓配電系統(tǒng)中，因此其主接線方案是根據(jù)我國電站、廠用電及中低壓變電所主要一次接線方案設(shè)計的，其一次接線方案主要有如下三種，每種接線方案中又有幾種運行方式。

1.BZT正確工作的基本要求

(1)備用電源不論何種原因因工作電壓消失時，自動投入裝置均應(yīng)啟動，但應(yīng)防止電壓互感器熔絲熔斷時誤動；

(2)備用電源應(yīng)在工作電源確實斷開后才能投入，工作電源如為變壓器，則其高、低壓側(cè)斷路器均應(yīng)斷開；

(3)備用電源斷路器的合閘脈沖應(yīng)是短脈沖，只允許自動投入裝置動作一次；

(4)當(dāng)備用電源自投于故障母線時，應(yīng)使其保護(hù)裝置加速動作，以免事故擴大；

(5)備用電源確有電壓時才能投入；

(6)備用電源自投裝置自投時限應(yīng)盡可能短，以保證負(fù)載中電動機自啟動的時間要求。

2.BZT動作時間的整定方案

以圖1所示的一次系統(tǒng)為例加以說明，其正常運行方式為兩路電源進(jìn)線，一路工作，另一路熱備用，3QF處于合位，因此BZT采用進(jìn)線互為備投方式，傳統(tǒng)的BZT動作時間的整定方案為：tb＝td.ZD＋△t。

在發(fā)電廠廠用電和變電站中，當(dāng)工作電源因為故障或不正常情況而被繼電保護(hù)裝置切除時，備用電源自動投入裝置可以及時的將備用電源投入，從而保證了電源的可靠性。備自投裝置可以有效地提高供電的可靠性，而且本身的實現(xiàn)原理簡單，費用較低，所以在發(fā)電廠和變電站及配電網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛的應(yīng)用。本文根據(jù)備用電源自動投入裝置目前存在的問題及其發(fā)展趨勢，對備用電源投入過程中的投切判據(jù)、備自投裝置的適應(yīng)性進(jìn)行了研究，得到以下主要成果及結(jié)論：設(shè)計了基于DSP微機控制器的備用電源自動投入裝置，該裝置采用模塊化設(shè)計。利用TMS320F2812DSP的強大的數(shù)據(jù)處理能力和高速的實時控制能力，在CCS編程環(huán)境下，采用C++編程語言實現(xiàn)多種備自投方式及各種保護(hù)功能的實現(xiàn)，包括過流保護(hù)功能、母充保護(hù)功能、過負(fù)荷聯(lián)切，PT二次斷線檢測等功能，增強了備自投裝置的適用范圍及其靈活性。給出了備用電源投入時的三種切換判據(jù)，快速切換判據(jù)作為主判據(jù)，同期捕捉切換判據(jù)和低壓切換判據(jù)分別作為后備及遠(yuǎn)后備判據(jù)，利用三種切換判據(jù)保證了備用電源投入的迅速性及可靠性。裝置適用于廠用電及變電站等多種接線形式，具有多種備用電源投入時的動作方案，能滿足不同用戶的要求。同時在實驗室對裝置進(jìn)行了實驗，效果良好，能很好實現(xiàn)上述功能。

備用電源自動投入（以下簡稱備自投）裝置在電網(wǎng)中的使用，是保證電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、可靠運行的有力技術(shù)手段。備自投裝置的邏輯是否完善和接線是否正確，直接影響著備自投裝置動作的可靠性。本文從備自投的基本原則展開來討論備自投裝置的一些注意事項，希望能對裝置的設(shè)計和應(yīng)用起到一定的指引作用。

3.基本備自投方式

1)變壓器備自投；2)分段斷路器備自投；3)橋斷路器備自投；4)進(jìn)線斷路器備自投。對更復(fù)雜的備自投方式，都可以看成是上述典型方式的組合。

4.備自投的邏輯分析

備自投邏輯盡管很復(fù)雜，但仍有規(guī)律可循。一般說來，備自投的邏輯分為以下4個邏輯進(jìn)程：

1)備自投充電。當(dāng)工作電源運行在正常供電狀態(tài)、備用電源工作在熱備用狀態(tài)(明備用)，或兩者均在正常供電狀態(tài)(暗備用)時，備自投裝置根據(jù)所采集的電壓、電流及開關(guān)位置信號來判斷一次設(shè)備是否處于這一狀態(tài)，經(jīng)過10s～15s延時后，完成充電過程。

2)備自投放電。當(dāng)備自投退出運行；工作斷路器由人為操作跳開；備用斷路器不在備用狀態(tài)；斷路器拒跳、拒合；備用對象故障等不允許備自投動作的情況下，將備自投放電，使其行為終止。

3)備自投充電后，滿足其啟動條件，經(jīng)或不經(jīng)延時執(zhí)行其跳閘邏輯(可能斷路器已跳開)，跳閘對象可能有多個。

4)備自投執(zhí)行完跳閘邏輯后，滿足其合閘條件，經(jīng)或不經(jīng)延時執(zhí)行其合閘邏輯，合閘對象也可能有多個。

5.備自投的設(shè)計和應(yīng)用的事項

1)母線有電壓、無電壓的判斷。

母線有電壓：指接入的三個相(線)電壓至少有一個大于檢有電壓定值，三個有電壓條件相或可以防止TV一相或兩相斷線時備自投誤動。

母線無電壓：指接入的三個相(線)電壓均小于檢無電壓定值，即用邏輯與門來判斷母線無電壓，可以避免工作電源TV一相或兩相斷線時備自投的誤動。

2)當(dāng)工作母線上的電壓低于檢無電壓定值，并且持續(xù)時間大于給定時間定值時，備自投裝置方可起動。

備自投延時是為了躲母線電壓短暫下降，故備自投延時應(yīng)大于最長的外部故障切除時間。因母線的進(jìn)線斷路器跳開而引起的母線失壓，且進(jìn)線無重合閘功能時，可不經(jīng)過延時直接跳開斷路器，以加速合備用電源。如主變差動保護(hù)或本體保護(hù)動作全跳主變時，可加速低壓側(cè)分段備自投和變壓器備自投動作。備自投的時間定值應(yīng)與相關(guān)的保護(hù)及重合閘的時間定值相配合。

3)備用電源的電壓應(yīng)工作于正常范圍，或備用設(shè)備應(yīng)處于正常的準(zhǔn)備狀態(tài)，備自投裝置方可動作，否則應(yīng)予閉鎖。

4)必須在斷開工作電源的斷路器之后，備自投裝置方可動作。

工作電源消失后，不管其進(jìn)線斷路器是否已被斷開，備自投裝置在起動延時到了以后總是先跳該斷路器，確認(rèn)該斷路器在跳位后，方能合備用電源的斷路器。按照上述邏輯動作，可以避免工作電源在別處被斷開，備自投動作后合于故障或備用電源倒送電的情況發(fā)生。但故障斷路器不應(yīng)由備自投裝置切除，故備自投動作跳工作電源的時限應(yīng)長于有關(guān)所有保護(hù)和重合閘的最長動作時間。

備用電源自投裝置動作，先跳開運行斷路器，再合上備用斷路器，一般不會涉及到同期問題，但如果變電站存在其他電源或是小電源接入系統(tǒng)的接入點，則備用電源自投不僅要考慮先跳開運行斷路器，而且要同時跳開其他電源的聯(lián)絡(luò)線，否則，在投入備用電源的同時，有可能出現(xiàn)非同期并列。在設(shè)計時，裝置應(yīng)考慮的聯(lián)切功能，在跳開運行斷路器的同時，發(fā)出聯(lián)跳聯(lián)絡(luò)線的信號，使小電源與電網(wǎng)解列，雖然犧牲了小電源的供電可靠性，但避免了電力系統(tǒng)受到再一次的沖擊，保證了系統(tǒng)在故障情況下能夠及時恢復(fù)送電。

5)人工切除工作電源時，備自投裝置不應(yīng)動作。

備自投裝置應(yīng)引入斷路器的合后接點，就地或遠(yuǎn)控跳斷路器時，其合后接點斷開，備自投退出。有的廠家在備自投起動條件中加入檢進(jìn)線斷路器合閘位置。檢查進(jìn)線斷路器的合閘位置實際上是引入的閉鎖條件（進(jìn)線斷路器不在合閘位置則閉鎖備自投）。如果母線或變壓器發(fā)生故障，保護(hù)動作跳開進(jìn)線斷路器，進(jìn)線斷路器將處于跳閘位置，此時備自投被閉鎖，手跳進(jìn)線斷路器情況類似。

6)避免備用電源合于永久性故障

在考慮運行方式和保護(hù)配置時，應(yīng)避免備自投裝置動作使備用電源合于永久性故障的情況發(fā)生，一般通過引入閉鎖量或檢斷路器位置使備自投放電。以下通過兩運行情況進(jìn)行說明。

情況一：圖1為內(nèi)橋接線的主接線形式，一般有三種運行方式。

方式一：兩回進(jìn)線各帶一臺變壓器運行，1QF、2QF合閘位置，3QF跳閘位置。

方式二：I回線主供，II回線備用，1QF、3QF合閘位置，2QF跳閘位置。

方式三：II回線主供，I回線備用，2QF、3QF合閘位置，1QF跳閘位置。

對于方式一，如果#1變壓器差動保護(hù)動作，跳開1QF（3QF已處于分閘位置），I母失電，若無閉鎖引入，系統(tǒng)滿足橋斷路器備自投充電和啟動條件，合上3QF，則會將故障變壓器重新投入系統(tǒng)，對電力系統(tǒng)進(jìn)行又一次沖擊。#2變壓器保護(hù)動作情況與#1變類似。

對于方式二，如果#1變壓器差動保護(hù)動作，跳開1QF、3QF，兩條母線同時失電，備用電源自投裝置應(yīng)啟動，合上2QF，繼續(xù)用#2變壓器供電。如果#2變壓器差動保護(hù)動作，跳開3QF（2QF已處于分閘位置），如果此時I回線失壓，備用電源自投動作，合上2QF，則會將2#故障變壓器重新投入系統(tǒng)。方式三與方式三情況類似。

所以，主接線形式為橋接線的，且運行方式為一主一備的，主供電源所對應(yīng)的主變壓器的保護(hù)動作不應(yīng)閉鎖進(jìn)線自投，備用電源所對應(yīng)的主變壓器的保護(hù)動作必須閉鎖進(jìn)線自投，以避免備自投投于故障變壓器。如果備用自投方式為橋斷路器備用自投，顯而易見，為了避免將故障變壓器再次投入系統(tǒng)，應(yīng)將兩臺變壓器的差動保護(hù)動作信號引入閉鎖備用電源自投。

情況二：受運行方式的限制，兩臺變壓器需要將低壓側(cè)分列運行，考慮到低壓系統(tǒng)供電可靠性的要求，如果一臺主變壓器跳閘，需要將故障變壓器，所帶的負(fù)荷通過備用電源自投的正確動作，轉(zhuǎn)移到另外一臺變壓器供電，見圖2，如果#1變壓器故障跳閘，低壓1母線失壓，低壓2母線有電壓，跳開1QF，合上3QF，繼續(xù)對低壓1母線供電。#2變壓器故障的動作邏輯同理。

就主變低壓側(cè)分段斷路器備自投而言，變壓器差動保護(hù)動作跳主變各側(cè)時，一般表明主變本體發(fā)生故障，此時無需閉鎖主變低壓側(cè)分段開關(guān)備自投；而變壓器后備保護(hù)動作時，可能是低壓側(cè)母線或其出線上發(fā)生了故障，此時一般應(yīng)閉鎖低壓側(cè)分段斷路器備自投。另外，常規(guī)的備用電源自動投入裝置對工作電源和備用電源有壓或無壓的判斷取自PT，對一次設(shè)備的小型化和無油化不利。國內(nèi)各廠家研制生產(chǎn)的備用電源自動投入裝置均是如此。國外同類產(chǎn)品也多是僅能實現(xiàn)單一備用電源自動投入的功能。部分裝置雖具有逆向使系統(tǒng)自動恢復(fù)的功能，但所見文獻(xiàn)及實際裝置仍都是以傳統(tǒng)的電壓判據(jù)為基礎(chǔ)實現(xiàn)的，不僅工作電源（如工作母線）上需要PT柜，各進(jìn)線或備用電源上也需要PT柜，即在進(jìn)線斷路器電源側(cè)兩端需各裝設(shè)1個PT柜，并且仍由電磁元件實現(xiàn)，接線繁瑣，體積龐大，實現(xiàn)困難，不能滿足綜合自動化及無人值班的要求，技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上也不適宜于我國國情。

本方案除包括常規(guī)備用電源自動投入裝置的全部功能外，還具有自動轉(zhuǎn)入逆向運行使電力系統(tǒng)在條件滿足時自動恢復(fù)到原有運行方式下運行的功能。裝置投入運行后，能夠自動識別和判斷所處電力系統(tǒng)的運行方式，自適應(yīng)地進(jìn)行裝置本身運行方式的自動轉(zhuǎn)換：正向方式——以常規(guī)備用電源自動投入裝置方式運行；逆向方式——以系統(tǒng)自動恢復(fù)裝置方式運行；退出方式——系統(tǒng)既不滿足裝置正向運行條件也不滿足裝置逆向運行條件。

上述過程自動實現(xiàn)，無需人為干預(yù)。當(dāng)備用電源自動投入裝置動作后或電力系統(tǒng)的運行方式發(fā)生變化后滿足裝置的逆向運行條件時，則能自動識別其變化并自動進(jìn)入逆向運行方式，以系統(tǒng)自動恢復(fù)裝置出現(xiàn)，并在所處的電力系統(tǒng)符合條件時將電力系統(tǒng)自動恢復(fù)到原有運行方式（一般為原設(shè)計的運行方式）下運行。當(dāng)裝置所處的電力系統(tǒng)不具備2種正常工作條件時，裝置將自動退出運行并發(fā)出相應(yīng)信號。由于裝置可自適應(yīng)地進(jìn)行本身運行方式的自動轉(zhuǎn)換，并具有可互聯(lián)成系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)接口，可方便實現(xiàn)三遙，無需任何人為干預(yù)，因此滿足變電站綜合自動化的需要，也使無人值班真正具有了意義。

6.低壓母線分段斷路器自投方案

低壓母線分段斷路器自投方案的主接線如圖3所示。

由圖3中可以看出，當(dāng)1#主變、2#主變同時運行，而3QF斷開時，一次系統(tǒng)中1#和2#主變互為備用電源，此方案有兩種運行方式。

自投方式1：當(dāng)1#主變故障，保護(hù)跳開1QF，或者1#主變高壓側(cè)失壓，均引起Ⅰ段母線失壓，I1無電流，Ⅱ段母線有電壓，即跳開1QF，合上3QF。自投條件是Ⅰ段母線失壓、I1無電流、Ⅱ段母線有電壓、1QF確實已跳開。檢查I1無電流是為了防止Ⅰ段母線電壓互感器二次電壓三相斷線引起的誤投。

自投方式2：當(dāng)發(fā)生與上述自投方式1相類似的原因，Ⅱ段母線失壓、I2無電流并Ⅰ段母線有電壓時，即跳開2QF，合上3QF。自投條件是Ⅱ段母線失壓、I2無電流、Ⅰ段母線有電壓、2QF確實已跳開。

7.內(nèi)橋斷路器的自投方案

內(nèi)橋斷路器的自投方案的主接線如圖4所示。

由圖4中可以看出，當(dāng)XL1進(jìn)線帶Ⅰ、Ⅱ段運行，即1QF、3QF在合位，2QF在分位時，XL2是備用電源（方式1）或XL2進(jìn)線帶Ⅰ、Ⅱ段運行，即2QF、3QF在合位，1QF在分位時，XL1是備用電源（方式2）。顯然這兩種接線方案是熱備用接線方案。熱備用方案方式1（方式2）自投條件是：Ⅰ（Ⅱ）段母線失壓、I1（I2）無電流、XL2（XL1）線路有電壓、1QF（2QF）確實已跳開時合2QF（1QF）。

如果兩段母線分列運行，即內(nèi)橋斷路器3QF在分位，而1QF、2QF在合位，稱為方式3和方式4，這時XL1和XL2成為互為備用電源，此種備用方案與低壓母線分段斷路器自投方案及其運行方式（方式1和方式2）完全相同。

8.線路備用自投方案

線路備用自投方案接線如圖5所示。

該接線為單母線分段，一般在農(nóng)網(wǎng)配電系統(tǒng)、小型化變電所或在廠用電系統(tǒng)中使用，圖5所示的備用自投方案接線是熱備用接線。XL1和XL2中只有一個斷路器在分位，另一個在合位，因此當(dāng)母線失壓，備用線路有壓，并I1（I2）無電流時，即可跳開1QF（2QF），合上2QF（1QF）。該熱備用方案的自投條件類似于內(nèi)橋斷路器的自投方案中熱備用方式1和方式2的自投方式條件。即母線無電壓，線路XL2有電壓，I1無電流，1QF確實已跳開，合上2QF?；蛘吣妇€無電壓，I2無電流，線路XL1有電壓，2QF確實已跳開，合上1QF。

三、壓變電源自動投切

壓變電源自動投切方案大致有以下幾種。

1.電磁型自動投切裝置

(1)有優(yōu)先級別的兩電源單向自動投切

如圖6所示，1YH有電時，1ZJ線圈得電，101、103處兩對1ZJ常開接點閉合，105、107處兩對常閉接點打開，控制信號等電源由1YH提供。1YH失電時，1ZJ線圈失電，101、103處兩對1ZJ常開接點打開，105、107處兩對常閉接點閉合。2YH有電時，控制信號等電源由2YH提供。此時，若1YH恢復(fù)有電，1ZJ線圈得電，同上原理，控制信號等電源仍改由1YH提供。

圖6方案的特點是兩電源單向自動投切，有電源優(yōu)先級別之分。

(2)無優(yōu)先級別的兩電源雙向自動投切

如圖7所示，1YH有電時，1ZJ線圈得電，A1、A2處兩對1ZJ常開接點閉合，2ZJ線圈回路中1ZJ常閉接點打開，控制、信號回路電源由1YH提供。1YH失電時，1ZJ線圈失電，A1、A2處兩對1ZJ常開接點打開，2ZJ線圈回路中1ZJ常閉接點閉合，此時若2YH有電，2ZJ線圈得電，A3、A4處兩對2ZJ常開接點閉合，1ZJ線圈回路中2ZJ常閉接點打開，控制、信號回路電源由2YH提供。

同樣的原理，當(dāng)2YH失電時，若此時1YH有電，控制、信號電源則通過自動投切裝置改由1YH提供。

此方案的特點是兩電源雙向自動投切，互為備用，無優(yōu)先級別之分。

2.微機型自動投切裝置

以上兩種壓變電源自動投切方案均為電磁型。目前，微機型自動投切裝置在部分有條件的地區(qū)正被推廣使用。微機型自動投切裝置，如REF543等，它包含有保護(hù)、控制、測量、監(jiān)視和通信等功能，并通過使用特殊功能庫對其功能進(jìn)行擴展。為提高微機保護(hù)的可靠性，REF543饋線終端裝置，還配備有一個強大的自檢系統(tǒng)，同時裝置的自檢輸出繼電器給出故障信號，并閉鎖保護(hù)跳閘輸出。微機型自動投切裝置，如REF543等，在實現(xiàn)備用電源自動投切時，除檢測電壓外，還增加了電流閉鎖保護(hù)，更增強了自動投切動作的可靠性，但微機型保護(hù)裝置的工作易受電磁干擾的影響。

圖1 內(nèi)橋接線的主接線形式

圖2

圖3 低壓母分段斷路器自投方案

圖4 內(nèi)橋斷路器自投方案主接線圖

圖5 線路備用自投方案接線圖

圖6 有優(yōu)先級別的兩電源意向自動投切原理圖

圖7 無優(yōu)先級別的兩電源意向自動投切原理圖

圖8 電磁型自動投切裝置

圖9 一段站用電與二段站用電的互相投切

微機型自動投切裝置動作安全，功能擴展靈活，較適用于保護(hù)性能要求比較高、保護(hù)級差配合比較多、保護(hù)原理構(gòu)成比較復(fù)雜的場合，且維護(hù)量小，但價格較貴，且需配備專用的檢測儀器和校驗工具。電磁型自動投切裝置技術(shù)成熟，并已被實踐證明了的可靠性記錄、不受電磁干擾的影響、具有較長的使用壽命。

四、站用電源自動投切

1.電磁型自動投切裝置

如圖8所示，站用電源1（a1、b1、c1）、站用電源2（a2、b2、c2）均有電，合上QM1、QM2開關(guān)，CJ1線圈得電，CJ1常閉接點打開，站用電（a、b、c）由站用電源1提供，并且CJ1常開接點閉合，XD1指示燈亮，表明站用電源1在工作狀態(tài)。當(dāng)站用電源1（a1、b1、c1）失電時，CJ1線圈失電，CJ1常閉接點閉合，CJ2線圈得電，站用電（a、b、c）改由站用電源2提供，此時CJ1常開接點打開，CJ2常開接點閉合，XD2指示燈亮，表明站用電源2在工作狀態(tài)。

同樣原理，當(dāng)站用電源2失電時，站用電通過自動投切裝置改由站用電源1提供。

此種站用電源自動投切方案的特點，是兩電源雙向自動投切，互為備用。

2.ATS（微機型自動投切）裝置

ATS裝置的核心一般是數(shù)位式微處理控制器及邏輯線路板，它包含檢測電壓、頻率，延時設(shè)定監(jiān)視及系統(tǒng)診斷等功能，符合緊急及備用電力系統(tǒng)應(yīng)用的要求，可將兩電源相互投切，互為備用。它具有自動判斷閉合投切、開路投切等功能，開路投切時，可附相角檢測器，比較兩電源之相角差，提供相內(nèi)轉(zhuǎn)換功能，允許兩電源在一定的頻率差、相角差及電壓差的條件下執(zhí)行閉合轉(zhuǎn)換功能。設(shè)計時如采用抽出式ATS裝置，則可大大方便維護(hù)與測試，同時，通過微處理器的設(shè)置，可滿足配電網(wǎng)自動化的需要。以ASCO940型ATS裝置為例，在實際中的應(yīng)用，如圖9所示，一段站用電與二段站用電可相互投切，互為備用。

在實際工作中，遇到其中一段母線停電、檢修時，由于ASCO940自動投切開關(guān)與任何一段母線都無明顯斷開點，這與安全規(guī)定要求不相符合。為防止電源倒送，同時為符合安全規(guī)定的要求，故在ASCO940開關(guān)兩電源側(cè)前，各增加一臺抽屜式開關(guān)。這樣，既滿足了以上的要求，又方便了ASCO940及其兩電源側(cè)斷路器的檢修和維護(hù)。此外，ATS裝置還可用于自備發(fā)電機等重要用戶，作為用戶的應(yīng)急電源或緊急備用電源投切所需。ATS裝置較電磁型備用電源自動投切裝置動作安全、可靠、精確，功能擴展方便，且維護(hù)量小，但價格較為昂貴。

五、結(jié)論

以上分析了幾種電源自動投切裝置的設(shè)計方案及工作原理，并從安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行比對，1.2ATS（微機型自動投切）裝置為優(yōu)選方案。

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