基于大功率固態(tài)開關(guān)的雙電源快速切換裝置

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)

1 技術(shù)現(xiàn)狀

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。

2 快切原理

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]。

2.1 快速切換模式原理

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。

2.2 同期捕捉切換模式原理

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”。

2.3 殘壓切換模式原理

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。

3 軟硬件簡(jiǎn)介

3.1 裝置硬件設(shè)計(jì)

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)

3.2 固態(tài)開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路設(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)

4 應(yīng)用案例

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

5 結(jié) 論

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。