快速切換裝置切換過程及原理分析

摘 要：論述了母線殘壓變化過程，并對母線殘壓和備用電源間的向量關(guān)系進行了分析。介紹了快速切換裝置的切換原理、切換方式及各切換方式的安全切換區(qū)間。結(jié)合具體的切換實例和數(shù)據(jù)，對切換過程進行了分析和計算。

關(guān)鍵詞：母線殘壓；備用電源；切換原理；快速切換

0 引言

在很多大型工業(yè)企業(yè)，如石化、鋼鐵等企業(yè)，供電的可靠性、連續(xù)性對企業(yè)具有非常重要的意義。這些企業(yè)的用電設備一般以電動機為主，供電系統(tǒng)一般都有兩個獨立的供電電源，兩路電源間可互為備用，也可一路工作、一路備用，當一路電源故障時，需要將負荷安全、快速地切換到另一路電源供電，以保證生產(chǎn)的連續(xù)性。如何快速安全的在兩路電源間切換，就顯得尤為重要，快速切換裝置正是為滿足這一特殊要求而設計生產(chǎn)的。

1 切換原理分析

要想實現(xiàn)安全、快速切換，必須分析切換中的物理量變化過程和實現(xiàn)原理。兩路電源間切換時，切換時間不能太長，不能長時間中斷供電，否則即使切到備用電源供電，由于中斷供電時間較長，設備已停止運轉(zhuǎn)，生產(chǎn)將不能連續(xù)。這對連續(xù)性要求很高的生產(chǎn)裝置來說，沒有多少實際意義。而且，切換時必須考慮母線殘壓和備用電源間的相位、頻差等關(guān)系。若切換時殘壓和備用電源間的相位差較大，合閘時兩者間的相角差剛好為180?，則合閘瞬間產(chǎn)生的合成電壓很大，從而在電動機上產(chǎn)生非常大的轉(zhuǎn)矩，可能造成電動機、聯(lián)軸器、機械負載等設備損壞，這是我們不愿發(fā)生的。

當外部電源因故中斷后，假設母線上僅有一臺電動機，外部輸入這臺電動機定子的電流將為零，轉(zhuǎn)子電流將逐漸衰減，由于轉(zhuǎn)子和負載的慣性以及電機磁場中儲存的能量，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速將從斷電前的運行速度逐漸減小，轉(zhuǎn)子電流在定子繞組中反方向感應出電動勢，形成反饋電壓。當定子繞組和母線相連時，反饋電壓就會反饋到母線上。當多臺電動機形成電動機群連接在同一段母線上時，由于各臺電機容量、慣性、負載等情況不一樣，在“惰行”運轉(zhuǎn)時，一部分電機將表現(xiàn)出發(fā)電機特性，而另一部分電機表現(xiàn)出電動機特性，整個電動機群將在母線上形成合成電壓，這就是我們常說的母線殘壓。它具有動態(tài)的頻率、幅值、相位，其特性與電機類型、負載特性、負載慣性等很多因素有關(guān)。具體而言，母線上電動機負載的慣性越大，斷電后母線頻率衰減越慢，這對殘壓相位變化程度有直接影響。負載慣性越小，母線頻率衰減越快，引起相位變化越快，母線殘壓和正常電源的頻差增加越迅速。對全是異步電動機負載的母線而言，電動機容量越大，殘壓頻率和幅值衰減速度越慢，衰減過程持續(xù)時間越長。若母線上同時運行有異步電動機和同步電動機，切換期間同步電動機將試圖維持母線上的電壓。轉(zhuǎn)換期間，若電動機負載越重，母線頻率衰減越快。

為了說明母線殘壓和備用電源間的關(guān)系，引入壓頻比這一概念。壓頻比既電壓和頻率的比值，一般以電動機或系統(tǒng)的額定電壓與額定頻率之比作為標幺值的基準值。例如，對10KV系統(tǒng)，假設二次側(cè)線電壓為100V，可取基準值為57.7V/50Hz = 1PU （標幺值）。母線殘壓和備用電源電壓的向量關(guān)系如圖一所示，根據(jù)向量合成原理有

式中，ES是備用電源系統(tǒng)額定壓頻比，標幺值，

EM是母線殘壓的壓頻比，標幺值，

ER是備用電源電壓和母線殘壓的合成向量，標幺值，

θ是備有電源電壓向量和母線殘壓向量的夾角，

根據(jù)ANSI/IEEE C50.41-2000規(guī)定，安全切換的一個重要條件是切換合閘的瞬間ER ≤ 1.33 PU。

2 切換方式分析

快速切換裝置一般配備以下幾種切換方式：快速切換、首次同期捕捉切換、殘壓切換、延時切換、并聯(lián)熱切。并聯(lián)熱切屬于閉環(huán)轉(zhuǎn)換模式，采用“先合后分”原理，切換過程中會將兩路電源并列，負載不會瞬時斷電，一般是有計劃的人為正常切換；快速切換、首次同期捕捉切換、殘壓切換、延時切換則屬于開環(huán)轉(zhuǎn)換模式，采用“先分后和”原理，切換時不會并列兩路電源，但負載有一個短時中斷供電的過程?？焖偾袚Q和首次同期捕捉切換速度很快，過程較短；而殘壓切換和延時切換的過程則相對較長，一般會造成負載停止運行，不能保證工藝生產(chǎn)連續(xù)。

快速切換、首次同期捕捉切換、殘壓切換、延時切換四種切換方式在切換過程中的時區(qū)如圖二所示。發(fā)生切換時，在10個波形周期內(nèi)是快速切換的安全區(qū)，這也符合ANSI/ IEEE C50.41-2000對快速轉(zhuǎn)換的要求。隨著時間推移，母線殘壓與備用電源的相位差逐漸增大，退出快速切換的安全區(qū)域，當相位差第一次接近360?時，進入首次同期捕捉安全區(qū)域，并在母線殘壓與備用電源電壓向量第一次重合時合閘，合閘命令是在跟蹤殘壓變化的基礎上結(jié)合斷路器固有合閘時間提前發(fā)出的。當母線殘壓降低到額定的20%～40%以下后，進入殘壓切換和延時切換區(qū)域。在這兩種方式下，斷電時間比較長，母線殘壓衰減比較多，根據(jù)向量合成原理，若備用電源ES = 1PU，則只要EM < 0.33PU，無論兩者相角差θ為多少，肯定滿足ER ≤ 1.33 PU。

3 切換時序分析

除了有不同切換方式外，快速自切裝置一般還有兩種切換類型可選擇：串聯(lián)順序切換和 同時切換。這兩種類型下，快速切換、首次同期捕捉切換、殘壓切換等幾種切換方式的啟動時間和發(fā)出分合閘命令的時序等是不一樣的。對美國BECKWITH公司生產(chǎn)的快速切換裝置M4272而言，在串聯(lián)順序切換中，轉(zhuǎn)換觸發(fā)后延時10ms，裝置發(fā)出跳閘命令，等待斷路器跳閘、狀態(tài)反饋回裝置，裝置延時4ms確認斷路器已跳閘，然后同時啟動快速切換、首次同期捕捉切換、殘壓切換三種方式，再經(jīng)過30個周波的延時，啟動延時切換方式。若相位、頻差不滿足快速切換的設定范圍，快速切換不成功，將自動進入首次同期捕捉切換，若也不成功，將自動進入殘壓切換，再不成功，則進入延時切換。在同時切換中，轉(zhuǎn)換觸發(fā)后延時10ms，裝置發(fā)出跳閘命令，同一時刻快速切換、首次同期捕捉切換、殘壓切換三種方式同時啟動，不待斷路器跳閘，也不待斷路器狀態(tài)反饋。但是，斷路器狀態(tài)反饋回裝置后，裝置延時30ms才啟動延時切換方式。這個過程中，若母線殘壓和備用電源的相位滿足快速切換的參數(shù)設定，裝置發(fā)出跳閘命令的同時發(fā)出合閘命令。

4 切換實例及結(jié)論

在某次電源故障引起的自動切換中，M4272快速切換方式觸發(fā)并切換成功。切換過程中裝置自動錄波并采集了數(shù)據(jù)，根據(jù)設定，裝置在75%低電壓并延時40ms后啟動，啟動時相角差約為-7?，頻差約為-0.02Hz。從裝置啟動到出口命令繼電器動作（同時切換類型，同時發(fā)分合閘命令）用時約T1=5ms，從裝置啟動到工作電源斷路器分閘，用時約T2=55ms，從裝置啟動到備用電源斷路器合閘，整個切換過程用時約T3=67.4ms。合閘瞬間，母線殘壓降至71.2%（41.1V），相角差為 -12.7?，頻差為 -0.78Hz。因為該母線上存在大容量同步電動機，所以電壓、頻率等參量波動都比較小，在切換過程中，裝置自動減載功能根據(jù)設定自動切除了部分負荷。從中也可計算，該型斷路器分閘時間約T4=55-5=50ms，合閘時間約T5=67.4-5=62.4ms，既斷路器的固有分閘時間比固有合閘時間短。合閘瞬間的電壓向量

由此可見，快速切換裝置不僅能實現(xiàn)快速切換、滿足連續(xù)性生產(chǎn)的需要，而且還能保證切換過程中不對設備造成損壞，滿足了實際生產(chǎn)的需要，提高了企業(yè)供電的可靠性，能為企業(yè)帶來合理的經(jīng)濟效益。

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作者簡介

喻勇斌（1977-），男，漢，湖北省京山縣人，本科，高級工程師，電氣主管，主要從事高、低壓電氣設備的運行維護、瘠薄啊試驗等方面的管理工作。