雙電源切換開(kāi)關(guān)(ATS)在百萬(wàn)機(jī)組的應(yīng)用分析

趙曙偉，高峰

(神華廣東國(guó)華粵電臺(tái)山發(fā)電有限公司，廣東 臺(tái)山 529228)

0 引言

火力發(fā)電廠重要配電段負(fù)荷都是影響到機(jī)組或系統(tǒng)安全的用電負(fù)荷，為了確保這些重要負(fù)荷供電的可靠性，通常都配置了雙路電源，當(dāng)主電源故障時(shí)會(huì)自動(dòng)切換至備用電源。為了實(shí)現(xiàn)兩路電源之間的快速自動(dòng)切換，雙電源切換開(kāi)關(guān)被廣泛應(yīng)用，但是由于開(kāi)關(guān)在切換的過(guò)程中，存在固有的動(dòng)作時(shí)間，配電段電源會(huì)有短時(shí)的失電過(guò)程，在此過(guò)程中，會(huì)造成負(fù)載控制回路中的交流接觸器失電返回，沒(méi)有失壓重啟功能的負(fù)載將會(huì)停運(yùn)。

廣東臺(tái)山電廠6、7號(hào)1 000 MW機(jī)組輔助廠房低壓廠用電400 V系統(tǒng)多個(gè)配電段使用了GE ZTS雙電源切換開(kāi)關(guān)。自投運(yùn)以來(lái)，一方面提升了配電段供電的可靠性，另一方面由于在選型、設(shè)計(jì)及使用等方面存在一定的缺陷，給運(yùn)行方式和其它電氣設(shè)備帶來(lái)一定的困擾。

1 雙電源切換系統(tǒng)概述

GEZTS雙電源切換開(kāi)關(guān)用于為負(fù)載提供不間斷的電源。在電源1電壓或頻率降低至預(yù)設(shè)置限度時(shí)，雙電源切換開(kāi)關(guān)會(huì)自動(dòng)把負(fù)載從電源1切換至電源2。GE ZTS雙電源切換開(kāi)關(guān)主要由開(kāi)關(guān)本體和控制系統(tǒng)(包括MX150控制器及其相關(guān)回路)兩部分組成，整個(gè)切換系統(tǒng)［1］如圖1。

電壓、頻率檢測(cè)以及系統(tǒng)控制通過(guò)安裝在控制箱門(mén)處的MX150控制器執(zhí)行，該控制器的作用是對(duì)切換開(kāi)關(guān)進(jìn)行高精準(zhǔn)度的控制［2-3］。

圖1 ZTS雙電源切換系統(tǒng)圖

2 雙電源切換開(kāi)關(guān)工作模式

2.1 自動(dòng)模式

通過(guò)對(duì)控制器的欠壓、低頻、恢復(fù)電壓、恢復(fù)頻率、切換延時(shí)等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，由控制器自動(dòng)完成在各種設(shè)定工況下的電源切換，無(wú)需人工干預(yù)。

2.2 試驗(yàn)?zāi)Ｊ?測(cè)試模式

在兩路電源均正常的情況下，通過(guò)人工操作控制器上的“TEST”按鈕完成電源切換，切換動(dòng)作無(wú)人為延時(shí)。為防止誤碰、誤操作，設(shè)有密碼防護(hù)。

2.3 手動(dòng)模式

在兩路電源均停電、負(fù)載母線段停電的情況下，通過(guò)操作手柄進(jìn)行開(kāi)關(guān)的機(jī)械切換。此方式僅限于開(kāi)關(guān)檢修時(shí)使用。

3 雙電源切換開(kāi)關(guān)切換方式

分為自投自復(fù)型和自投不自復(fù)型［4-6］兩種，在設(shè)計(jì)選型時(shí)只可以選擇其中一種。

3.1 自投自復(fù)型

對(duì)于自投自復(fù)型開(kāi)關(guān)，兩路工作電源有主電源和備用電源之分，控制器對(duì)主電源與備用電源進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并進(jìn)行自動(dòng)切換。當(dāng)兩路電源都正常時(shí)由主電源供電，即圖1中開(kāi)關(guān)處于N位置。主電源發(fā)生異常(任一相電壓欠壓、低頻、缺相)時(shí)，經(jīng)設(shè)定的延時(shí)后，開(kāi)關(guān)由N位置自動(dòng)切換至E位置，即負(fù)載由備用電源供電。當(dāng)主電源恢復(fù)正常后，則自動(dòng)延時(shí)由E位置切換至N位置，返回到主電源供電。該工作模式常用于備用電源為柴油發(fā)電機(jī)供電的系統(tǒng)。

3.2 自投不自復(fù)型

對(duì)于自投不自復(fù)型開(kāi)關(guān)，兩路工作電源實(shí)際上沒(méi)有主備之分，控制器對(duì)兩路工作電源進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并進(jìn)行自動(dòng)切換。當(dāng)工作電源1出現(xiàn)異常時(shí)，自動(dòng)延時(shí)切換到工作電源2工作。當(dāng)工作電源1恢復(fù)正常時(shí)系統(tǒng)并不切換供電電源，直至工作電源2發(fā)生異常時(shí)，再自動(dòng)切換至工作電源1工作。

4 雙電源切換開(kāi)關(guān)應(yīng)用情況

6、7號(hào)機(jī)組輔助廠房低壓廠用電400 V系統(tǒng)GE ZTS雙電源切換開(kāi)關(guān)在設(shè)計(jì)選型時(shí)采用了自投自復(fù)的工作模式，根據(jù)配電段負(fù)荷容量計(jì)算選用了額定電流分別為400 A、600 A、800 A的開(kāi)關(guān)。

在脫硫保安400 V配電段中帶有增壓風(fēng)機(jī)油站油泵、吸收塔攪拌器等重要負(fù)荷，無(wú)論是主電源切換至備用電源還是備用電源切換至主電源的過(guò)程中，這些設(shè)備都會(huì)停運(yùn)，雖然吸收塔攪拌器可以通過(guò)保護(hù)裝置的失壓重啟功能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)重啟，但還是會(huì)有一定時(shí)間的停運(yùn)過(guò)程，此時(shí)會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成一定的影響。而那些沒(méi)有失壓重啟功能的負(fù)載則需要人工手動(dòng)投入運(yùn)行。這是由開(kāi)關(guān)在切換過(guò)程中存在的固有動(dòng)作時(shí)間和控制器的控制原理造成的。

以下以6號(hào)機(jī)組脫硫保安段雙電源切換開(kāi)關(guān)(800 A)為研究對(duì)象，進(jìn)行帶載切換試驗(yàn)及分析。

4.1 主電源至備用電源的切換

其切換原理是當(dāng)控制器檢測(cè)到主電源電壓低于額定電壓(380 V)的75%或頻率低于額定頻率(50 Hz)的75%，同時(shí)備用電源電壓和頻率均正常(高于額定電壓、頻率的95%)時(shí)，控制器經(jīng)設(shè)定延時(shí)和分析判斷后自動(dòng)將負(fù)載供電由主電源切換至備用電源［7］。

為了防止在外部故障或配電段較大負(fù)荷電機(jī)啟動(dòng)時(shí)引起主電源母線電壓的短時(shí)下降，從而造成雙電源切換開(kāi)關(guān)的切換，在主電源切換至備用電源的延時(shí)中設(shè)定了1 s。

從圖2中可以看出，負(fù)載母線電壓從下降至恢復(fù)正常總計(jì)1 801 ms，即主電源切換至備用電源的時(shí)間(ΔT)為1 801 ms，期間三相母線電壓最低均降至0 V，這勢(shì)必造成母線上負(fù)載控制回路中的交流接觸器失電返回，運(yùn)行中的負(fù)載停運(yùn)。

4.2 備用電源至主電源的切換

其切換原理是當(dāng)控制器檢測(cè)到主電源恢復(fù)正常(電壓和頻率均高于額定值的95%)，經(jīng)過(guò)設(shè)定延時(shí)后自動(dòng)回切至主電源供電［7］。

為了確保主電源可靠、穩(wěn)定的恢復(fù)正常后再回切，避免出現(xiàn)開(kāi)關(guān)的反復(fù)切換，設(shè)定回切延時(shí)為15 s，此延時(shí)的長(zhǎng)短對(duì)回切時(shí)間和運(yùn)行負(fù)載狀態(tài)的影響是相同的。

圖2 主電源帶載切備用電源母線電壓波形

從圖3的波形中可以看出，電源切換時(shí)間(ΔT=39.58 ms)約為40 ms，負(fù)載母線A相電壓最低降至56 V，而交流接觸器控制回路的控制電源均設(shè)計(jì)取自A相母線電壓。對(duì)于回路中的220 V交流接觸器，規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)要求動(dòng)作電壓應(yīng)在額定電壓220 V的30% ～65%(66 V～144 V)之間，低于30%額定電壓(66 V)時(shí)應(yīng)該可靠不動(dòng)作。因此在此切換過(guò)程中負(fù)載的停運(yùn)是正確的。

圖3 備用電源帶載切主電源母線電壓波形

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

從各配電段的切換試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，主電源切換至備用電源的切換時(shí)間較長(zhǎng)(約為1.8 s)，三相母線電壓基本下降至0 V，交流接觸器回路中的接觸器必定失電返回，負(fù)載停運(yùn)。備用電源回切至主電源的切換時(shí)間較短(約為40 ms～60 ms)，三相母線電壓下降程度與配電段所帶負(fù)荷有關(guān)，負(fù)荷較重時(shí)，母線電壓下降幅度較小，可能不會(huì)造成負(fù)載停運(yùn);當(dāng)配電段負(fù)荷較輕時(shí)，母線電壓下降幅度較大，就極有可能造成負(fù)載的停運(yùn)。

5 雙電源切換開(kāi)關(guān)應(yīng)用中的問(wèn)題

5.1 設(shè)計(jì)選型存在的問(wèn)題

5.1.1 問(wèn)題(一)

從圖2和圖3的波形來(lái)看，無(wú)論是哪種切換都會(huì)造成接觸器回路負(fù)載的停運(yùn)，對(duì)于自投自復(fù)型切換開(kāi)關(guān)會(huì)由于主電源的異常和恢復(fù)正常造成負(fù)載的兩次停運(yùn)。而對(duì)于自投不自復(fù)型開(kāi)關(guān)只會(huì)有一次切換，減少了負(fù)載的停運(yùn)次數(shù)。

5.1.2 問(wèn)題(二)

6、7號(hào)機(jī)組輔助廠房多個(gè)公用系統(tǒng)MCC配電段使用的自投自復(fù)型GE ZTS雙電源切換開(kāi)關(guān)，設(shè)計(jì)都是從6號(hào)機(jī)和7號(hào)機(jī)脫硫400 V工作段各取一路工作電源。

由于設(shè)計(jì)原因和兩臺(tái)機(jī)組建設(shè)速度的不同，這些公用系統(tǒng)MCC配電段的主電源均取自6號(hào)機(jī)脫硫400 V工作段，這樣就造成了正常運(yùn)行時(shí)6號(hào)機(jī)脫硫400 V工作段的負(fù)荷較高，運(yùn)行電流約為1 300 A，變壓器溫度較高，達(dá)到78度;7號(hào)機(jī)脫硫400 V工作段的負(fù)荷較低，約為700 A，變壓器溫度較低，約為65度;存在較為嚴(yán)重的負(fù)荷分配不均問(wèn)題，并且也無(wú)法通過(guò)雙電源切換開(kāi)關(guān)對(duì)公用系統(tǒng)負(fù)荷進(jìn)行合理分配。

5.1.3 解決方案

為了克服上述兩個(gè)缺點(diǎn)，將這些公用系統(tǒng)MCC配電段的ZTS雙電源切換開(kāi)關(guān)增加GE 23P-2008自投不自復(fù)模塊，并對(duì)控制器程序進(jìn)行升級(jí)，將其改造為自投不自復(fù)型。這樣兩路電源之間沒(méi)有主備之分，相互切換延時(shí)均設(shè)定為1 s，兩路電源之間的相互自動(dòng)切換時(shí)間均為1.8 s左右，試驗(yàn)/測(cè)試模式切換則無(wú)設(shè)定延時(shí)。

技術(shù)改造后通過(guò)優(yōu)化運(yùn)行方式，6號(hào)機(jī)和7號(hào)機(jī)脫硫400 V工作段的運(yùn)行電流均為1 000 A左右，兩臺(tái)變壓器溫度均約為70度，兩配電段的負(fù)荷分配較為均衡且靈活，運(yùn)行方式較為合理。

5.2 操作不當(dāng)引發(fā)的問(wèn)題

7號(hào)機(jī)組脫硫保安段GEZTS自投自復(fù)型雙電源切換開(kāi)關(guān)曾發(fā)生兩次在無(wú)故障情況下自動(dòng)切換的現(xiàn)象，原因是由于在做電源切換試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)人員沒(méi)有完全掌控控制器的性能，通過(guò)操作控制器面板“TEST”按鍵，完成了主電源至備用電源的切換。在此操作過(guò)程中試驗(yàn)人員無(wú)意中開(kāi)啟了控制器的“自檢程序周期”，結(jié)合參數(shù)“時(shí)鐘自檢程序”設(shè)定為“每周”，造成了開(kāi)關(guān)連續(xù)兩周定時(shí)進(jìn)行自動(dòng)切換的故障現(xiàn)象。最終通過(guò)取消該“自檢程序周期”才解決問(wèn)題。

5.3 檢修不當(dāng)引發(fā)的問(wèn)題

6號(hào)機(jī)脫硫MCC段母線在停電檢修結(jié)束后，需要使用1 000 V的兆歐表測(cè)量三相母線對(duì)地和相間絕緣電阻，此時(shí)雙電源切換開(kāi)關(guān)在主電源位置(圖1中N位置)，且已拔掉控制器的二次線插頭。當(dāng)試驗(yàn)人員向AB相母線施加1 000 V直流電壓的瞬間，控制系統(tǒng)電源1檢測(cè)回路(如圖4)中的PS-8896電橋(額定電壓24 VAC)燒損。分析其原因:控制系統(tǒng)回路中通過(guò)380 VAC/24 VAC的變壓器為該電橋提供一次側(cè)電源，雖然已將控制器隔離，但并未有效隔離PS-8896電橋，當(dāng)測(cè)量絕緣時(shí)變壓器一次側(cè)瞬間通過(guò)1 000 V的直流電，導(dǎo)致變壓器二次側(cè)電壓遠(yuǎn)超過(guò)電橋額定電壓，導(dǎo)致其損壞。

圖4 控制系統(tǒng)原理圖

以此為鑒，特別要注意的是在測(cè)量母線絕緣之前，必須使用機(jī)械操作手柄把雙電源切換開(kāi)關(guān)打在中間位置(圖1中P位置)，將控制系統(tǒng)與一次系統(tǒng)完全隔離，才可以確?？刂葡到y(tǒng)的元器件不致受到傷害。

6 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于沒(méi)有使用柴油發(fā)電機(jī)作為第二路工作電源的系統(tǒng)，雙電源切換開(kāi)關(guān)宜使用自投不自復(fù)型，一方面避免母線電壓波動(dòng)造成開(kāi)關(guān)的反復(fù)切換;另一方面可以減少開(kāi)關(guān)的切換次數(shù)，延長(zhǎng)開(kāi)關(guān)的使用壽命，減少一些負(fù)載停運(yùn)的次數(shù);第三便于運(yùn)行方式的調(diào)整。

根據(jù)整組試驗(yàn)反措要求，不允許用卡繼電器觸點(diǎn)、短接觸點(diǎn)或類(lèi)似的人為手段進(jìn)行保護(hù)裝置的整組試驗(yàn)［8］。同樣，在做雙電源切換開(kāi)關(guān)的切換試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)分別模擬與故障情況相符的兩路電源故障，而不應(yīng)采用控制器面板按鍵切換的人為方式。

GEZTS雙電源切換開(kāi)關(guān)采用微機(jī)控制器控制，模擬量采樣精度高、動(dòng)作速度快，可以靈活設(shè)置以滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際接線方式的要求，其中關(guān)鍵在于控制系統(tǒng)的正確使用，值得深入分析和研究。

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