ATS快切裝置在化工企業(yè)供電系統(tǒng)中的應(yīng)用

王普杰

(上?；瘜W(xué)工業(yè)區(qū)工業(yè)氣體有限公司，上海 201507)

0 引言

上海化學(xué)工業(yè)區(qū)工業(yè)氣體有限公司是由美國(guó)的普萊克斯和法國(guó)的液化空氣公司各出資50%興建的外資合資企業(yè)，坐落在上?；瘜W(xué)工業(yè)區(qū)，通過(guò)化工管道為多家知名化工企業(yè)集中提供氧氣、氮?dú)?、一氧化碳和氫氣等氣體原料和儀表空氣，是一家為多用戶同時(shí)提供供氣服務(wù)的企業(yè)。為了同時(shí)滿足多家化工企業(yè)對(duì)原料氣和儀表空氣的穩(wěn)定性和連續(xù)性的需求，提高工廠的供電可靠性就成為提高工廠運(yùn)行可靠性的有力保障。

1 電氣系統(tǒng)簡(jiǎn)介

工業(yè)氣體公司從供電局引入兩條35 kV電源，采用雙回路供電，在10 kV側(cè)安裝有ATS裝置，可以實(shí)現(xiàn)ATS轉(zhuǎn)換。其供電單線圖如圖1所示。

圖1 供電系統(tǒng)單線圖

變電站原始設(shè)計(jì)時(shí)，在H1，H2和H3三面10 kV開(kāi)關(guān)柜上各安裝了一套GE的SR750綜合保護(hù)繼電器，并通過(guò)該繼電器實(shí)現(xiàn)外電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)的ATS切換。由于這套綜保的主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備的保護(hù)，其自切功能有很大的局限性，切換不可靠，而且切換速度慢［1］。為了滿足雙電源進(jìn)線系統(tǒng)雙向快速切換的需要，在保證生產(chǎn)不間斷的同時(shí)，最大限度地保護(hù)電氣設(shè)備不受損壞［2－3］，經(jīng)多方論證，引進(jìn)了專(zhuān)業(yè)快切裝置生產(chǎn)商美國(guó) beckwith公司生產(chǎn)的M－4272數(shù)字式電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(MBTS)［4］，經(jīng)過(guò)多次帶負(fù)荷測(cè)試，其切換功能均能完美滿足工廠的需要，既保證了生產(chǎn)的不間斷，又保證了設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)安全。

2 M－4272的作用及其特點(diǎn)

M－4272數(shù)字式電動(dòng)機(jī)母線電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)和手動(dòng)轉(zhuǎn)換，自動(dòng)或者手動(dòng)轉(zhuǎn)換操作可以被控制信號(hào)或者輸入狀態(tài)或者通訊進(jìn)行閉鎖。有四種切換模式:快切，同期轉(zhuǎn)換，剩余電壓和定時(shí)限切換［5－6］。前三種方式如果都是被激活時(shí)將同時(shí)啟用，如果快切的條件沒(méi)有滿足，同期切換或者剩余電壓切換將啟動(dòng)。同期轉(zhuǎn)換，剩余電壓轉(zhuǎn)換和定時(shí)限轉(zhuǎn)換功能都可以根據(jù)需要進(jìn)行有選擇地禁用和啟用。

自動(dòng)轉(zhuǎn)換可以被一個(gè)外部保護(hù)跳閘信號(hào)(86P)觸發(fā)或者通過(guò)輸入到MBTS裝置的外部低電壓信號(hào)觸發(fā)(27)，或者通過(guò)裝置內(nèi)部母線低電壓繼電器(27B功能)檢測(cè)到的母線電壓突降觸發(fā)。自動(dòng)轉(zhuǎn)換允許雙向轉(zhuǎn)換:從源1轉(zhuǎn)到源2，反之亦然。自動(dòng)轉(zhuǎn)換可以進(jìn)行閉鎖，當(dāng)任何閉鎖條件出現(xiàn)時(shí)閉鎖，在閉鎖條件下，MBTS裝置將不響應(yīng)任何轉(zhuǎn)換指令，也不發(fā)送任何跳閘指令。

手動(dòng)轉(zhuǎn)換可以使用就地的人機(jī)界面(HMI)觸發(fā)，或者通過(guò)串行通信遙控觸發(fā)。手動(dòng)轉(zhuǎn)換提供熱并列轉(zhuǎn)換或者快切，同期轉(zhuǎn)換和剩余電壓轉(zhuǎn)換的復(fù)合轉(zhuǎn)換，手動(dòng)轉(zhuǎn)換當(dāng)任何閉鎖條件出現(xiàn)時(shí)被閉鎖，MBTS裝置將不對(duì)任何轉(zhuǎn)換命令發(fā)出響應(yīng)而且在閉鎖條件下不發(fā)出跳閘指令。

有兩種轉(zhuǎn)換模式，順序式和同步式，在分閘瞬時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換操作時(shí)，是順序式轉(zhuǎn)換模式。一旦一個(gè)轉(zhuǎn)換被觸發(fā)，如果選擇順序式模式，工作斷路器在10 ms內(nèi)跳閘而且根據(jù)工作斷路器的狀態(tài)確認(rèn)對(duì)備用電源斷路器試圖合閘。在收到該信息的4 ms內(nèi)，所有的三種方法，快切，同期和剩余電壓轉(zhuǎn)換將監(jiān)控備用電源斷路器的合閘，定時(shí)限轉(zhuǎn)換在30個(gè)周波后激活。如果兩個(gè)電源母線的相角在相角差的限值以內(nèi)，備用電源斷路器通過(guò)快速切換方式將工作斷路器分閘后立即合閘。對(duì)于上述10 kV的兩個(gè)進(jìn)線斷路器H3和H2，都是工作斷路器，也是互為備用的斷路器。

如果選擇同步模式，在轉(zhuǎn)換啟動(dòng)的10 ms內(nèi)，所有的三種轉(zhuǎn)換模式，快切，同期切換和剩余電壓切換立即激活，不再等待斷路器狀態(tài)觸點(diǎn)的確認(rèn)，工作斷路器和備用電源斷路器的分閘和合閘命令被同時(shí)送出，如果工作電源和備用電源的相位角在相角差的限值以內(nèi)，快切轉(zhuǎn)換立即啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。定時(shí)限轉(zhuǎn)換在工作斷路器分閘30個(gè)周波以后才啟動(dòng)。

對(duì)于工作電源和備用電源之間的相位角而言，若其不在相位角差限值范圍內(nèi)，工作斷路器仍然要跳閘。當(dāng)四種轉(zhuǎn)換方式激活后，通過(guò)下述任何一種方法合閘備用電源斷路器，隨后在最快轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)，運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化到相位角差限值中，在同期轉(zhuǎn)換時(shí)間窗內(nèi)，在相位過(guò)零時(shí)轉(zhuǎn)換，或通過(guò)電源電壓降低到殘余電壓轉(zhuǎn)換限值時(shí)轉(zhuǎn)換，或在定時(shí)限轉(zhuǎn)換的固定延遲時(shí)間之后，合閘備用電源斷路器。通過(guò)上述(首先達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的)任何方法，完成轉(zhuǎn)換和斷路器合閘。

M－4272數(shù)字式母線電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的特點(diǎn):

(1)確保發(fā)電廠和大型工業(yè)企業(yè)的安全連續(xù)供電，對(duì)雙回路供電系統(tǒng)能靈活實(shí)現(xiàn)自動(dòng)和手動(dòng)切換(單向切換或雙向切換);

(2)在各種變化的供電系統(tǒng)條件下，能夠自動(dòng)選擇并實(shí)現(xiàn)快速切換，同期切換，剩余電壓切換和定時(shí)切換;

(3)可以進(jìn)行擴(kuò)展以實(shí)現(xiàn)多個(gè)開(kāi)關(guān)的配置;多組設(shè)定值配置文件，以滿足多種應(yīng)用需求;

(4)具有綜合控制，監(jiān)督管理，事件序列和波形記錄功能，帶有功能強(qiáng)大的波形分析軟件，便于進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

(5)在MAIN－TIE－MAIN配置的供電系統(tǒng)中，任何一條進(jìn)線故障時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速切換，該切換屬于雙向快切。當(dāng)兩條進(jìn)線同時(shí)出現(xiàn)波動(dòng)或故障時(shí)，切換功能閉鎖，開(kāi)關(guān)保持各自的工作狀態(tài)。兩套M－4272裝置控制三臺(tái)斷路器實(shí)現(xiàn)雙電源雙向切換的典型應(yīng)用如圖2所示。

圖2 M－4272控制三臺(tái)斷路器的電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)典型應(yīng)用

3 工業(yè)上的應(yīng)用

工業(yè)氣體公司使用了兩套M－4272裝置，設(shè)定值如下:自動(dòng)快切的相角差設(shè)為30度，頻差為2 Hz;自動(dòng)同期的頻差為10 Hz;35 kV母線低電壓設(shè)定值為70%Un，0秒延時(shí);10 kV母線低電壓設(shè)定值為75%Un，40 ms延時(shí)。2012年2月21日，供電局35 kVII段電網(wǎng)發(fā)生波動(dòng)，波形記錄儀捕捉到的系統(tǒng)波動(dòng)情況為:母線電壓降至68.41%Un，持續(xù)100 ms。10 kV母線低電壓保護(hù)啟動(dòng)，H2開(kāi)關(guān)分閘命令在ATS啟動(dòng)后約5 ms發(fā)出，自動(dòng)卸載信號(hào)在ATS啟動(dòng)后約14ms發(fā)出，使需要卸載非重要的設(shè)備分閘，H2開(kāi)關(guān)在ATS啟動(dòng)后約57 ms分閘，母聯(lián)H1斷路器合閘命令在ATS啟動(dòng)后約175 ms發(fā)出，約228 ms成功合閘，這時(shí)，10 kV母線電壓大約降至38.3 V(66.4%Vn)，相角差為0.3度，頻差為－4.8 Hz。這次實(shí)現(xiàn)了同期切換，轉(zhuǎn)換過(guò)程中工廠生產(chǎn)正常，沒(méi)有任何異常情況發(fā)生。ATS動(dòng)作前后電網(wǎng)電壓的波形和開(kāi)關(guān)動(dòng)作的時(shí)序被裝置完整地錄制了下來(lái)，如圖3和圖4所示。通過(guò)對(duì)波形和時(shí)序圖的分析，我們對(duì)自切前后電網(wǎng)狀況和開(kāi)關(guān)動(dòng)作的情況一目了然。

系統(tǒng)返回正常工作模式的逆操作是通過(guò)手動(dòng)并列轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)的，合H2開(kāi)關(guān)，同時(shí)分H1開(kāi)關(guān)，工廠運(yùn)行正常。

圖3 ATS動(dòng)作前后電網(wǎng)波形圖

圖4 ATS動(dòng)作前后開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)序圖

4 結(jié)束語(yǔ)

工業(yè)氣體公司的兩套M－4272數(shù)字式電源切換裝置自2011年6月安裝完畢后，先后進(jìn)行了多次帶負(fù)荷測(cè)試，測(cè)試結(jié)果非常令人滿意，并在今年的11月2日成功發(fā)揮作用，其切換性能非常好，有力地保障了工廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行，避免了不必要的工廠停車(chē)和造成對(duì)客戶的供氣中斷，避免了由于停車(chē)造成的重大經(jīng)濟(jì)損失。該裝置的安裝使用具有技術(shù)可行性和很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，可以在發(fā)電廠和大型工業(yè)企業(yè)的供電系統(tǒng)中大力推廣應(yīng)用。

［1］ 范舜，王承玉，海濤，等.配電網(wǎng)自動(dòng)化開(kāi)關(guān)設(shè)備［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2007.

［2］ 劉健，畢鵬翔，楊文宇，等.配電網(wǎng)理論及應(yīng)用［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2007.

［3］ 周濤.無(wú)擾動(dòng)同期快切技術(shù)在電網(wǎng)運(yùn)行中的應(yīng)用［J］.機(jī)電信息，2012，10(24):116 －117.

［4］ M －4272 Motor Bus Transfer System Instruction Book.［EB/OL］.2011年5月，電子文獻(xiàn)網(wǎng)址:http://www.beckwithelectric.com/support/documents.html.

［5］ 蘇鵬飛，柳冬冬.同期快切裝置在發(fā)電公司捷制機(jī)組中的運(yùn)行分析［J］.自動(dòng)化應(yīng)用，2010，51(12):68 －71.

［6］ 王勇.無(wú)擾動(dòng)控制裝置的原理及在電網(wǎng)中的應(yīng)用［J］.電工技術(shù)，2010，31(10):22－24.