張衍奎,孟若蘭,朱建華,陳浩
(1.寧夏凱晨電氣集團(tuán)有限公司,寧夏 銀川 750299;2.寧夏匯才工程服務(wù)有限公司,寧夏 銀川 750001;3.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院,寧夏 銀川 750011)
供電系統(tǒng)中的備用電源自動(dòng)投入設(shè)備主要是為了解決供電連續(xù)性問(wèn)題和保證主備電源之間必須安全可靠的切換而設(shè)計(jì)的。傳統(tǒng)的備用電源自動(dòng)投入裝置由于沒(méi)有同期捕捉功能,一般沒(méi)有殘壓切換功能,主要判據(jù)為無(wú)壓、無(wú)流,這樣切換的時(shí)間較長(zhǎng)。有一些備用電源自動(dòng)投入裝置帶有殘壓切換功能,如果兩路進(jìn)線存在相位差時(shí),容易造成備用電源與失電母線殘壓反向切換產(chǎn)生過(guò)壓、大電流沖擊,從而造成電動(dòng)機(jī)停機(jī)、連續(xù)生產(chǎn)被破壞,甚至出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)群?jiǎn)⒋箅娏鞯碗妷合到y(tǒng)崩潰[1]。
快速切換裝置的優(yōu)點(diǎn)是可避免備用電源電壓與失電母線殘壓在相位角、頻率相差過(guò)大時(shí)合閘而對(duì)電機(jī)造成沖擊,工作電源被切除時(shí)能及時(shí)投入另一電源,更重要的是使用戶的生產(chǎn)流程不被破壞[2],但是目前國(guó)內(nèi)外廠家的產(chǎn)品都是基于真空斷路器或SF6斷路器,由于傳統(tǒng)斷路器的分閘時(shí)間為25~50 ms;合閘時(shí)間為35~100 ms[3],針對(duì)一些對(duì)電能連續(xù)性要求非常高的負(fù)荷,目前市場(chǎng)中的雙電源快切裝置無(wú)法做到100 ms以內(nèi),或更短的切換時(shí)間。為了解決以上難題,寧夏凱晨電氣集團(tuán)有限公司聯(lián)合俄羅斯國(guó)家動(dòng)力研究所開發(fā)出基于大功率固態(tài)開關(guān)的雙電源快速切換裝置,切換時(shí)間為20~40 ms,順利通過(guò)國(guó)家科技部的研發(fā)項(xiàng)目驗(yàn)收,并取得了國(guó)家發(fā)明專利。
電動(dòng)機(jī)定子斷電后,轉(zhuǎn)子電流為了維持回路磁鏈?zhǔn)睾惆l(fā)生突變,成為衰減的直流分量,隨著時(shí)間推移定子中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)的幅值也在不斷衰減;同時(shí)由于感應(yīng)電壓的初始頻率為轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角頻率,故隨著轉(zhuǎn)子速度不斷降低,感應(yīng)電壓的頻率也在不斷減小,這種感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)被稱之為殘壓。感應(yīng)電壓的維持時(shí)間與轉(zhuǎn)子電流成正比,如果轉(zhuǎn)子電流在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)不能衰減,那么殘壓也將維持較大數(shù)值與較長(zhǎng)的時(shí)間[4]。
對(duì)于高壓大容量異步電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō),電動(dòng)機(jī)里面的磁場(chǎng)能量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量都非常大,又由于繞組的電阻比漏抗小很多,因此當(dāng)母線斷電后電機(jī)的殘壓和電流衰減得較慢。為了方便分析,以極坐標(biāo)形式繪出某300 MW機(jī)組6 kV母線殘壓相量變化軌跡(殘壓衰減較慢的情況),如圖1所示[5]。
圖1 母線殘壓特性
從理論上來(lái)說(shuō),快速切換裝置首先要考慮的是用電系統(tǒng)所能承受的沖擊大小。沖擊大小又和快速切換裝置動(dòng)作時(shí)的母線電壓(殘壓)與備用電源之間的壓差ΔU有關(guān)。由于隨著時(shí)間變化殘壓的頻率隨之變化,從而導(dǎo)致母線殘壓與備用電源電壓之間存在相位差,當(dāng)相位差為180°時(shí)壓差最大[6]。如果此時(shí)合閘備用電源,將對(duì)母線負(fù)荷產(chǎn)生嚴(yán)重的沖擊。
合閘后電動(dòng)機(jī)所承受的電壓設(shè)為Ud,則有:
(1)
式中:ΔU—母線殘壓與備用電源電壓之間的電壓差;
Xd—母線所有負(fù)荷折算到母線電壓后的等值電抗;
Xs—電源的等值電抗。
(2)
Ud=K×ΔU
(3)
為保證電動(dòng)機(jī)安全自啟動(dòng),Ud應(yīng)小于電動(dòng)機(jī)的允許起動(dòng)電壓,設(shè)為1.1Ue(Ue電動(dòng)機(jī)額定電壓),則有:
K×ΔU<1.1Ue
(4)
(5)
設(shè)K=0.67,則ΔU(%)<1.64。
圖1中,以A點(diǎn)為圓心,以1.64為半徑,畫出A’-A”,則A’-A”右側(cè)為允許備用電源合閘的安全區(qū)間,左側(cè)為不安全區(qū)域[7]。
假設(shè)無(wú)故障運(yùn)行時(shí)主工作電源與備用電源相位相同、頻率相同,其電壓向量端點(diǎn)為A。則失電后母線殘壓向量端點(diǎn)將沿曲線由A向B的方向移動(dòng),如果能在A-B段內(nèi)合上備用電源,即為快速切換階段,此時(shí)既能保證電動(dòng)機(jī)的安全又能保證電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不下降太多。
快速切換有2個(gè)重要參數(shù)為頻差和相位差。在快切裝置發(fā)出合閘命令時(shí)將實(shí)測(cè)值與整定值進(jìn)行比較,并判斷是否滿足合閘條件。由于快速切換模式是在起動(dòng)后非常短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行切換,因此頻差和相位差設(shè)定較小值。
圖1中,當(dāng)曲線過(guò)B點(diǎn)后BC段為不安全區(qū)域,不允許切換,在C點(diǎn)后至CD段中,當(dāng)母線殘壓相位與備用電源電壓相位第1次相位重合時(shí)合閘為同期捕捉切換。以圖1為例,同期捕捉切換時(shí)間約為0.6 s,但對(duì)于殘壓衰減較快的情況該時(shí)間要短得多。若能實(shí)現(xiàn)同期捕捉切換,特別是同相點(diǎn)合閘,將對(duì)電動(dòng)機(jī)的自起動(dòng)也很有利。要想做到同相位點(diǎn)合閘,不但需要對(duì)相位差進(jìn)行精確的跟蹤,還需要提高合閘的速度[8]。要實(shí)現(xiàn)同相位點(diǎn)合閘,還存在以下難點(diǎn):
①要準(zhǔn)確地找出頻差、相角差變化的規(guī)律并給出相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,不能簡(jiǎn)單地利用線性模型;
②殘壓頻率變化的不完全連續(xù)性,有跳變;
③頻率測(cè)量的間斷性,頻率10 ms半周波測(cè)量1次,造成頻差及相差測(cè)量的間斷和偏差;
④由于斷路器合閘回路的時(shí)間也有一定的離散性(斷路器廠家給出的合閘時(shí)間只是1個(gè)范圍,比如35~100 ms),幾乎不可能根據(jù)合閘時(shí)間預(yù)判合閘相位差;
⑤由于在同期捕捉階段相位差的變化速度可達(dá)1°/ms~2°/ms,因此任何一方面產(chǎn)生的誤差都將大大降低合閘的準(zhǔn)確性[9]。
目前市面上的產(chǎn)品快速切換裝置都是采用斷路器作為主控開關(guān),但斷路器有自身的合閘時(shí)間(35~100 ms),因此很難做到同相點(diǎn)合閘,所謂的“同期捕捉切換”只是在相位差比較大的范圍內(nèi)合閘,然而,研發(fā)的基于大功率固態(tài)開關(guān)的雙電源快速切換裝置,采用可控硅作為主控開關(guān),可控硅的觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)間幾乎可以忽略不計(jì),因此才能做到正真的“同期捕捉切換”,即在同相點(diǎn)附近合閘(典型相位差22°),從而最大程度地減少了合閘對(duì)電動(dòng)機(jī)以及其它負(fù)荷的沖擊,做到真正的“安全切換”。
當(dāng)母線殘壓衰減到額定電壓的30%(典型值)時(shí),由于電壓衰減的非常大,相位差對(duì)合閘沖擊的影響基本可以忽略不計(jì),此時(shí)執(zhí)行的切換通常稱為殘壓切換[11]。殘壓切換模式下雖能滿足電動(dòng)機(jī)安全電壓的要求,但由于斷電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)電動(dòng)機(jī)自起動(dòng)是否成功、自起動(dòng)時(shí)間等都將受到非常大的限制。
本文中的基于大功率固態(tài)開關(guān)的雙電源快速切換裝置采用2個(gè)32位ARM處理器,2個(gè)MCU的主頻都在480 MHz以上,運(yùn)算速度快、性能穩(wěn)定可靠。采用高性能16位A/D轉(zhuǎn)換器,精度高,轉(zhuǎn)換速度快。開入開出電路都采用光耦隔離技術(shù),從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與抗干擾能力。本裝置采用7寸液晶屏顯示,中文操作界面的系統(tǒng)十分友好??傮w設(shè)計(jì)如圖2所示。
圖2 基于大功率固態(tài)開關(guān)的雙電源快速切換裝置總體設(shè)計(jì)
本固態(tài)切換開關(guān)見(jiàn)圖3,采用大功率可控硅并聯(lián)設(shè)計(jì)、采用并聯(lián)可控硅同步驅(qū)動(dòng)技術(shù),保證并聯(lián)的每個(gè)可控硅可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)。固態(tài)開關(guān)具體設(shè)計(jì)參數(shù)為額定電壓12 kV,電壓波動(dòng)范圍-20%~10%,工作頻率為50±1.25 Hz,額定電流可根據(jù)客戶具體要求設(shè)計(jì)為630 A或1 250 A,切換時(shí)間為0.02 s~0.04 s,額定短時(shí)耐受電流為0.1 s 8 kA,額定峰值耐受電流為0.01 s 20 kA,設(shè)備1 min工頻相間對(duì)地額定絕緣為42/42 kV,固態(tài)開關(guān)1 min工頻受電閥段對(duì)地/閥段間額定絕緣為42/18 kV。
圖3 固態(tài)切換開關(guān)
某企業(yè)為大型石油管道運(yùn)輸企業(yè),由于輸油管線長(zhǎng),需要在石油管線中配備多個(gè)大型泵站,為保證石油的正常輸送,配備雙電源切換裝置提供不間斷供電就顯得尤為重要,而傳統(tǒng)的備自投裝置切換速度慢,造成泵站設(shè)備短時(shí)運(yùn)行中斷,從而影響整個(gè)輸油管線石油的輸送。
針對(duì)該石油管道輸送存在的實(shí)際問(wèn)題,凱晨電氣提出了固態(tài)快速切換裝置的解決方案,如圖4所示,使用快速、安全的固態(tài)雙電源切換系統(tǒng),從而保障大型石油管道輸送系統(tǒng)的正常工作。
圖4 石油管道供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及切換過(guò)程
通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)安裝測(cè)試,基于大功率固態(tài)開關(guān)的雙電源快速切換裝置性能遠(yuǎn)優(yōu)與同類產(chǎn)品,其優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下方面:
①在保證切換安全的情況下切換時(shí)間更短,為20~40 ms,同類型產(chǎn)品大于100 ms。
②多參數(shù)的冗余故障判斷,更安全可靠。
③殘壓衰減相對(duì)較快的情況下,相比于其它廠家優(yōu)勢(shì)非常突出。