ATS的選擇及其在輸氣站場(chǎng)低壓系統(tǒng)的應(yīng)用

陳 聰 李樹(shù)山 曲 鵬 張 雷

(1.中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000；2.新疆油田公司工程技術(shù)研究院，新疆 克拉瑪依 834000；3.天津修船技術(shù)研究所，天津 308456)

根據(jù)GB 50052-2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，根據(jù)負(fù)荷要求供電的可靠性和失去供電所造成的影響進(jìn)行分級(jí)，對(duì)于一級(jí)負(fù)荷和比較重要的二級(jí)負(fù)荷應(yīng)采用雙電源供電。為保證天然氣加壓和輸送的安全，西氣東輸壓氣站場(chǎng)中的負(fù)荷定義為一級(jí)，采用兩路外電源進(jìn)線，主接線采用單母線分段接線，對(duì)于消防設(shè)備、事故排煙風(fēng)機(jī)、工藝區(qū)電動(dòng)閥配電箱及變電所用電源等特別重要負(fù)荷的供電，為保證供電的可靠性，在最末一級(jí)的配電箱處設(shè)置有雙電源自動(dòng)切換裝置(Automatic Transfer Switching Equipment，ATS)。ATS的選擇已成為低壓配電系統(tǒng)中不可缺少的重要環(huán)節(jié)，目前ATS產(chǎn)品的技術(shù)水平參差不齊，其可靠性及適用條件等會(huì)直接影響重要用電場(chǎng)所的安全可靠。而ATS的選擇也因電源性質(zhì)、系統(tǒng)接地形式、負(fù)載性質(zhì)和上級(jí)開(kāi)關(guān)性能的不同而相異，合理選擇ATS是保證重要負(fù)荷供電的關(guān)鍵。

為此，筆者就ATS的分類，不同性質(zhì)電源和不同接地點(diǎn)情況下三級(jí)和四級(jí)ATS的選擇進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)站場(chǎng)低壓配電系統(tǒng)中ATS的具體應(yīng)用加以分析，在滿足系統(tǒng)安全和供電可靠性的前提下說(shuō)明其正確選擇與合理應(yīng)用。

1 ATS簡(jiǎn)介①

ATS主要用于交流500V及其以下的重要配電系統(tǒng)，當(dāng)檢測(cè)到主供電源低電壓或失電時(shí)，將負(fù)載電路從主供電源自動(dòng)切換至備用電源，確保重要負(fù)荷的連續(xù)可靠運(yùn)行。根據(jù)不同的功能，一般分為PC級(jí)和CB級(jí)。PC級(jí)ATS能承受正常電流和短路電流，但不能分?jǐn)噙^(guò)負(fù)荷電流和短路電流，即不具備保護(hù)跳閘功能；CB級(jí)ATS是具備斷路器保護(hù)功能的雙電源切換電器，不僅能承受過(guò)電流，還具備分?jǐn)喽搪冯娏骷敖拥毓收想娏鞯绕渌Ｗo(hù)功能[1]，從結(jié)構(gòu)上分為用于單相電路的二極ATS、用于三相電路的三級(jí)ATS和需要N線轉(zhuǎn)換的四極ATS。

2 三級(jí)ATS和四級(jí)ATS的選擇

一、二級(jí)負(fù)荷一般采用市電-市電、市電-發(fā)電機(jī)形式的雙電源供電系統(tǒng)，應(yīng)急供電設(shè)備需要雙電源的切換，不同的電源組合形式和不同的接地形式所選擇的ATS不同。

如圖1所示，兩臺(tái)容量相同的變壓器布置在同一變電所，同時(shí)工作且互為備用，低壓母線一般采用單母線分段接線給一級(jí)負(fù)荷配電，低壓母聯(lián)斷開(kāi)，在低壓母聯(lián)或進(jìn)線處N線和PE線同時(shí)接地，系統(tǒng)為同一點(diǎn)接地系統(tǒng)。兩段母線各取一路電源在末端負(fù)荷用電處切換，可采用三極ATS。圖2為兩臺(tái)變壓器是同一性質(zhì)的電源，但接地點(diǎn)不在同一處，可采用三級(jí)ATS，但這種接地形式不常用[2]。

圖1 電源性質(zhì)相同且同一接地點(diǎn)的系統(tǒng)

圖2 電源性質(zhì)相同但不同接地點(diǎn)的系統(tǒng)

如圖3所示的變壓器-發(fā)電機(jī)雙電源系統(tǒng)，兩路供電電源性質(zhì)不同，但接地點(diǎn)在同一處，雙電源轉(zhuǎn)換電器一般裝在低壓母線的進(jìn)線側(cè)，市電作為主供電源，發(fā)電機(jī)作為備用電源，因?yàn)閮呻娫唇拥攸c(diǎn)在同一點(diǎn)，理論上可以采用三級(jí)ATS進(jìn)行電源切換。圖4也是變壓器-發(fā)電機(jī)雙電源系統(tǒng)，但接地點(diǎn)不在同一處，是相互獨(dú)立的兩個(gè)電源，故應(yīng)采用四極ATS。

圖3 電源性質(zhì)不同接地點(diǎn)相同的系統(tǒng)

圖4 電源性質(zhì)不同接地點(diǎn)不同的系統(tǒng)

低壓配電柜饋出回路的斷路器帶有剩余電流保護(hù)器或帶有接地故障保護(hù)時(shí)，其末端負(fù)荷用電處雙電源切換宜選四極ATS，如圖5所示，當(dāng)回路正常工作，假設(shè)變壓器TM1低壓側(cè)系統(tǒng)為ATS的主供回路，選擇三極ATS時(shí)N線電流In被分成了In1和In2分別經(jīng)過(guò)各自的剩余電流保護(hù)器和斷路器，但此時(shí)的In1由于In2的分流比正常值減少了，斷路器CB1會(huì)誤動(dòng)作，同時(shí)斷路器CB2中流過(guò)了一定的電流，若此電流較大也會(huì)引發(fā)CB2誤動(dòng)作。

圖5 正常工作時(shí)剩余電流動(dòng)作保護(hù)的回路電流分布

如圖6所示，同樣假設(shè)變壓器TM1低壓側(cè)系統(tǒng)為主供電源，選擇三極ATS，當(dāng)用電設(shè)備發(fā)生接地故障時(shí)，短路電流Id被分成了Id1和Id2兩路，Id2經(jīng)PE線、變壓器TM2和中性線流經(jīng)斷路器CB2，當(dāng)此電流大于CB2的故障保護(hù)動(dòng)作值時(shí)引發(fā)CB2誤動(dòng)作；若Id1由于Id2的分流小于CB1的故障保護(hù)動(dòng)作值，會(huì)使CB1拒動(dòng)作。

圖6 具有剩余電流保護(hù)的回路接地故障時(shí)電流分布

綜上所述，雙電源性質(zhì)不同、雙電源性質(zhì)相同接地點(diǎn)不在同一點(diǎn)、ATS上級(jí)斷路器帶有剩余電流動(dòng)作保護(hù)時(shí)，宜選擇四極ATS。

3 ATS在輸氣站場(chǎng)低壓配電系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 市電-市電雙電源系統(tǒng)末端配電箱處ATS的選擇

輸氣站場(chǎng)低壓配電主接線形式采用單母線分段接線，各取每段母線一路電源放射配電至站內(nèi)消防負(fù)荷配電箱、工藝電動(dòng)閥配電箱和110kV變電站交流屏，考慮到電源轉(zhuǎn)換的可靠性，因CB級(jí)的ATS可能會(huì)誤動(dòng)作，末端配電箱或屏內(nèi)電源進(jìn)線選用PC級(jí)的ATS，消防泵和電動(dòng)閥的保護(hù)采用配電箱內(nèi)配的斷路器和上級(jí)低壓柜內(nèi)斷路器進(jìn)行保護(hù)。ATS的額定電流可以選得大些，額定短時(shí)耐受電流經(jīng)校驗(yàn)要大于短路電流。

轉(zhuǎn)換時(shí)間是選擇ATS的重要因素，實(shí)驗(yàn)室測(cè)定觸頭轉(zhuǎn)換時(shí)可靠的滅弧時(shí)間為120ms，考慮到滅弧時(shí)間和開(kāi)關(guān)器件本身的動(dòng)作時(shí)間，一般ATS的轉(zhuǎn)換時(shí)間多為幾百毫秒至幾秒[3,4]。表1是不同切換開(kāi)關(guān)的ATS轉(zhuǎn)換和延時(shí)切換時(shí)間。

表1 不同結(jié)構(gòu)形式的ATS切換時(shí)間 s

根據(jù)GB50052-2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，重要負(fù)荷的允許中斷供電時(shí)間見(jiàn)表2，對(duì)允許中斷供電時(shí)間在1.5s以內(nèi)的負(fù)載和重要場(chǎng)所的應(yīng)急電源，應(yīng)設(shè)置不間斷電源裝置。輸氣站場(chǎng)控制室內(nèi)的應(yīng)急照明、通信設(shè)備、機(jī)柜間儀表數(shù)據(jù)處理設(shè)備及站控系統(tǒng)等采用不間斷電源UPS供電，給特別重要的控制電源供電時(shí)，要采用兩路UPS電源在末端切換，ATS選擇PC級(jí)負(fù)荷開(kāi)關(guān)投切型，轉(zhuǎn)換時(shí)間0.5～4.0s。

表2 重要負(fù)荷的允許中斷供電時(shí)間

站內(nèi)消防設(shè)備、電動(dòng)閥和變電所所用電源引自低壓柜，低壓?jiǎn)文妇€分段接線設(shè)置母聯(lián)備自投，因此ATS動(dòng)作轉(zhuǎn)換時(shí)間要與母聯(lián)斷路器自投時(shí)間配合，并大于母聯(lián)開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間0.5～1.0s以上[5]。低壓母聯(lián)自投的動(dòng)作時(shí)間大多為2.5s，ATS動(dòng)作時(shí)間宜在3.0s以上。

一般ATS不允許帶大感抗類負(fù)載(如電動(dòng)機(jī))切換，因?yàn)樵谇袚Q瞬間電動(dòng)機(jī)定子繞組會(huì)產(chǎn)生反電勢(shì)，所引起的過(guò)電流大于電機(jī)的啟動(dòng)電流，可能會(huì)造成保護(hù)斷路器跳閘。所以當(dāng)大功率電動(dòng)機(jī)電源需要ATS轉(zhuǎn)換時(shí)，宜選用延時(shí)型ATS，并且延時(shí)時(shí)間可調(diào)。對(duì)于站內(nèi)消防泵，因電機(jī)功率較小，上級(jí)斷路器整定值較大，可不選延時(shí)型ATS；閥門(mén)配電箱處，因電動(dòng)閥動(dòng)作的同時(shí)系數(shù)較小，也宜選非延時(shí)型ATS。

根據(jù)GB 50116-2013《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，配電裝置應(yīng)設(shè)置電氣火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，站場(chǎng)低壓配電柜內(nèi)每個(gè)出線回路配置了剩余電流互感器，測(cè)量相線和N線電流。結(jié)合以上分析，即使采用市電-市電電源性質(zhì)相同且接地點(diǎn)在同一點(diǎn)，末端配電箱內(nèi)也宜選用四極ATS。

3.2 市電-發(fā)電機(jī)雙電源系統(tǒng)低壓進(jìn)線處ATS的選擇

輸氣站場(chǎng)的分輸站負(fù)荷等級(jí)為二級(jí)，采用市電+發(fā)電機(jī)作為備用電源的供電方式，ATS應(yīng)選用市電-發(fā)電機(jī)專用型。圖6所示為分輸站電氣主接線形式，考慮到低壓母線照明段和動(dòng)力段要分開(kāi)計(jì)量，因此設(shè)置專門(mén)的照明段，采用兩個(gè)ATS分別進(jìn)行照明和動(dòng)力切換。

圖7 市電-發(fā)電機(jī)雙電源系統(tǒng)ATS的配置

發(fā)電機(jī)和市電電源性質(zhì)不同，自動(dòng)電源轉(zhuǎn)換裝置應(yīng)選四級(jí)延時(shí)型ATS，考慮到發(fā)電機(jī)啟動(dòng)參數(shù)的差異，ATS延時(shí)時(shí)間設(shè)為可調(diào)。發(fā)電機(jī)和市電之間設(shè)有閉鎖，當(dāng)檢測(cè)到市電斷電并確認(rèn)后，變壓器低壓配出斷路器斷開(kāi)，同時(shí)發(fā)電機(jī)自啟動(dòng)，待發(fā)電機(jī)輸出電壓及頻率等參數(shù)穩(wěn)定后，才能進(jìn)行市電和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)換，照明和動(dòng)力的轉(zhuǎn)換在低壓配電室的母線上集中裝設(shè)。由于變壓器低壓配出和發(fā)電機(jī)出口已經(jīng)裝設(shè)斷路器，故ATS也選用PC級(jí)。發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)和電源轉(zhuǎn)換時(shí)間大于15s，站內(nèi)允許中斷供電時(shí)間較短的應(yīng)急備用照明、儀表和通信設(shè)備的供電由UPS提供。

ATS應(yīng)具有自動(dòng)復(fù)位功能，即當(dāng)主供電源(市電)恢復(fù)正常后，ATS應(yīng)經(jīng)延時(shí)后切回主供電源。

4 結(jié)束語(yǔ)

雙電源性質(zhì)相同、接地點(diǎn)相同的電源系統(tǒng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)可選三級(jí)型ATS，雙電源性質(zhì)不同以及上級(jí)斷路器帶剩余電流保護(hù)時(shí)應(yīng)用四級(jí)型ATS。筆者就雙電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)應(yīng)用到輸氣站場(chǎng)市電-市電、市電-發(fā)電機(jī)兩種雙電源系統(tǒng)下重要負(fù)載供電電源切換時(shí)，ATS的結(jié)構(gòu)形式、極數(shù)及轉(zhuǎn)換時(shí)間等參數(shù)的選擇進(jìn)行闡述，可為類似工程設(shè)計(jì)提供借鑒。

[1] 李月軍,劉國(guó)軍,王成多.智能型自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)電器的原理及應(yīng)用[J].電工電氣,2011,(10):34～37.

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