三峽船閘雙電源互投裝置選型研究

胡航 陳友之 黃小亮 朱小龍 吳炅

摘 要：本文介紹了雙電源互投裝置的設(shè)備結(jié)構(gòu)組成以及在三峽船閘的應(yīng)用情況。針對(duì)三峽船閘現(xiàn)場(chǎng)特點(diǎn)和運(yùn)用需求進(jìn)行了雙電源互投裝置的選型研究，內(nèi)容涵蓋進(jìn)口設(shè)備和國(guó)產(chǎn)設(shè)備的調(diào)研考察和多方位比選，綜合各項(xiàng)性能提出了雙電源互投裝置的合理化選型建議。

關(guān)鍵詞：雙電源互投裝置;斷路器;選型研究;三峽船閘

中圖分類(lèi)號(hào)：U641 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ?文章編號(hào)：1006—7973（2021）02-0101-03

雙路電源冗余切換是保證持續(xù)可靠供電的有效手段[1]。正常狀態(tài)下，由一回進(jìn)線供電，當(dāng)一回進(jìn)線失電時(shí)，由雙電源切換裝置迅速完成切換為另一回進(jìn)線供電，保障設(shè)備持續(xù)運(yùn)行。目前電源冗余切換裝置根據(jù)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的不同，主要分為2類(lèi)，自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)電器（ATSE）和靜態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)（STS）[2]。ATSE 采用繼電器或者斷路器完成切換，STS則是采用可控硅、IGBT等電力電子器件完成切換，二者各有優(yōu)劣[3]，分別應(yīng)用于不同場(chǎng)合。其中，自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)電器（ATSE）主要適用于交流不超過(guò)1200V或直流不超過(guò)1500V的低壓緊急供電系統(tǒng)，用于兩路電源之間的切換[4]。三峽船閘采用的雙電源互投裝置屬于自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)電器（ATSE）類(lèi)型。

雙電源互投裝置運(yùn)用于三峽南北兩線船閘24個(gè)現(xiàn)地子站。其中，由變電所提供的兩回0.4kV交流電源，是本子站的主要電源動(dòng)力來(lái)源。兩回進(jìn)線電源通過(guò)雙電源自動(dòng)互投裝置進(jìn)行自動(dòng)投切，確保子站供電可靠。作為關(guān)鍵器件，雙電源自動(dòng)互投裝置目前已安全運(yùn)行十幾年正面臨器件老化、設(shè)備停產(chǎn)斷供的情況。根據(jù)設(shè)備運(yùn)行維保需求，針對(duì)三峽船閘的現(xiàn)場(chǎng)特點(diǎn)，本文進(jìn)行了雙電源互投裝置的選型研究。

1雙電源互投裝置介紹

1.1基本結(jié)構(gòu)組成

三峽船閘的雙電源互投裝置采用的是梅蘭日蘭公司的產(chǎn)品。裝置主要由2個(gè)塑殼斷路器Compact NS630和一套C801轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)組成。該系統(tǒng)額定工作電壓Ue=AC400V、額定工作電流Ie=800A、額定極限短路分?jǐn)嗄芰cu=70kA，最小轉(zhuǎn)換動(dòng)作時(shí)間不大于0.4S，具有兩段保護(hù)，長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)和瞬時(shí)保護(hù)，并帶有機(jī)械互鎖連桿，防止2個(gè)斷路器同時(shí)接入電路。

具體的系統(tǒng)組成包括BA控制器面板、IVE電氣聯(lián)鎖、ACP輔助控制板和開(kāi)關(guān)及機(jī)械套件，各控制組件之間采用控制排線連接。操作方式為電動(dòng)操作，控制器面板具有強(qiáng)制N段、強(qiáng)制R段、自動(dòng)和斷開(kāi)四個(gè)位置。

1.2在三峽船閘的應(yīng)用情況

雙電源互投轉(zhuǎn)換裝置安裝在三峽船閘子站機(jī)房三號(hào)柜中，三號(hào)柜的整體尺寸為800x2050x600mm，實(shí)際操作空間為800x1650x600mm。該套雙電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)于2000年投入使用，使用時(shí)間達(dá)到電氣設(shè)備使用年限20年，隨著雙電源互投技術(shù)的不斷發(fā)展，市場(chǎng)上該型號(hào)已被淘汰，無(wú)法購(gòu)買(mǎi)到用于三峽船閘子站配電系統(tǒng)維護(hù)更換的備件，且維護(hù)與更換耗時(shí)較長(zhǎng)，無(wú)法滿足現(xiàn)在日益增長(zhǎng)的通航要求，急需更換新型號(hào)。

以維修為例，現(xiàn)有雙電源互投裝置型號(hào)如果僅電操機(jī)構(gòu)壞損，更換電操機(jī)構(gòu)時(shí)長(zhǎng)約為1小時(shí)，并且需要變電所停電。斷路器本體一般不會(huì)故障，但一但故障更換流程及其復(fù)雜，斷路器本體上下端為銅排連接，更換時(shí)需拆解幾十顆螺栓，更換時(shí)長(zhǎng)約為3小時(shí)。兩種維修時(shí)長(zhǎng)均超過(guò)半小時(shí)，所以需提前申請(qǐng)停航時(shí)段進(jìn)行檢修，維修的時(shí)間、人力、礙航成本較大。

2選型需求分析

根據(jù)三峽船閘雙電源互投裝置的使用情況，本項(xiàng)目旨在市場(chǎng)上選擇一款性能穩(wěn)定、備件供應(yīng)可靠的雙電源互投裝置新型號(hào)，尺寸符合現(xiàn)場(chǎng)安裝要求，維護(hù)更換簡(jiǎn)單，具有良好的保護(hù)功能。

2.1安全可靠性

保證供電可靠，在I端進(jìn)線失電時(shí)能迅速切換至II段供電，有效保障船閘運(yùn)行的供電可靠性。同時(shí)有軟硬互鎖、機(jī)械連鎖避免兩回同時(shí)合閘造成短路。

2.2維保便捷性

確保設(shè)備維修保養(yǎng)便捷，維修更換不超過(guò)30分鐘。

2.3實(shí)施可行性

要因地制宜，充分考慮三峽船閘子站機(jī)柜現(xiàn)有布置情況，確保設(shè)備滿足現(xiàn)場(chǎng)安裝需求。

3雙電源互投裝置選型研究

根據(jù)雙電源互投裝置的市場(chǎng)情況，項(xiàng)目組選取多個(gè)設(shè)備品牌進(jìn)行廠內(nèi)調(diào)研考察，主要包括施耐德、常熟開(kāi)關(guān)廠、西門(mén)子等?，F(xiàn)根據(jù)考察情況，從國(guó)內(nèi)品牌、進(jìn)口品牌各選取一個(gè)進(jìn)行研究比選。

3.1國(guó)產(chǎn)設(shè)備考察選型

根據(jù)國(guó)產(chǎn)設(shè)備的市場(chǎng)情況，國(guó)產(chǎn)設(shè)備方案采用常熟開(kāi)關(guān)制造有限公司的最新產(chǎn)品，方案有兩種。

3.1.1基于萬(wàn)能式斷路器的CA1W大容量自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)電器，配合CW3系列智能型萬(wàn)能式斷路器

該自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)電器為CB級(jí)，由自動(dòng)轉(zhuǎn)換控制器、轉(zhuǎn)換器、控制電纜和智能型框架斷路器四部分組成，可選機(jī)械聯(lián)鎖配合使用。額定工作電流200A-6300A。具有兩路電源轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換解決方案，具有手動(dòng)、自投自復(fù)、自投不自復(fù)（互為備用）、強(qiáng)制等轉(zhuǎn)換模式，并可提供強(qiáng)制并聯(lián)轉(zhuǎn)換功能，滿足負(fù)載側(cè)不間斷供電的要求，控制器集成度高。過(guò)電壓類(lèi)別分為Ⅳ類(lèi)，沖擊耐受電壓為12kV，額定短路分?jǐn)?額定短路接通最大達(dá)100kA/220kV，滿足大容量變壓器電源斷需求。

根據(jù)三峽船閘現(xiàn)地設(shè)備技術(shù)需求，選用CA1W-2500殼架，其額定工作電流Ie為800A，額定工作電壓Ue為AC400V，機(jī)械壽命12500次，電氣壽命8000次?？刂破餍吞?hào)ZTF（智能通信自投自復(fù)型）。通過(guò)智能型框架斷路器比選，優(yōu)先選擇CW3-2500H智能型框架斷路器。該斷路器具有良好的擴(kuò)展性，為后期的通信等功能升級(jí)提供了可能性。

自動(dòng)轉(zhuǎn)換控制器ZTF安裝于開(kāi)關(guān)柜門(mén)板上，轉(zhuǎn)換器安裝于開(kāi)關(guān)柜安裝板上，控制器至轉(zhuǎn)換器、轉(zhuǎn)換器至斷路器由控制電纜連接接。目前三峽船閘子站機(jī)房機(jī)柜尺寸為800x2050x600mm，若兩臺(tái)智能型框架斷路器橫向并排安裝尺寸超過(guò)機(jī)柜寬度，所以采用上下并列安裝的方案，兩臺(tái)智能型框架斷路器采用抽屜式的安裝，整體尺寸為438x800x395mm，考慮到低壓母排安全距離，又涉及到銅排翻排的安全距離，600mm的柜深無(wú)法滿足施工要求，需要更換800x2050x800mm的電氣柜。

3.1.2采用CAP3-800b產(chǎn)品，配合iH5控制器

CAP3系列高性能自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)電器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為裝置）為PC級(jí)專(zhuān)用型自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)電器，主要用于交流50/60Hz，額定工作電壓AC230/240V、AC400/415V，額定工作電流16A至4000A的電源系統(tǒng)，因一路電源發(fā)生異常而進(jìn)行電源之間的切換，保證其供電的連續(xù)性和可靠性。CAP3-800b主要參數(shù)為：額定工作電流Ie為800A，額定工作電壓Ue為AC400/415V，額定短時(shí)耐受電流為85kA/1s，最小轉(zhuǎn)換動(dòng)作時(shí)間<100ms，電氣壽命6000次，機(jī)械壽命10000次。

本裝置尺寸為347x568x196.5mm，遠(yuǎn)小于現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜的可施工尺寸，通過(guò)下進(jìn)線的方式安裝母排，將抽屜式CAP3自動(dòng)電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)安裝于三號(hào)柜原雙電源系統(tǒng)位置，于柜門(mén)上開(kāi)孔，便于觀察和操作。

此系統(tǒng)安裝方便，且該裝置為一個(gè)整體，故障點(diǎn)少檢修方便;PC級(jí)自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換速度快;使用類(lèi)別高達(dá)AC-33A，可由斷路器作為SCPD，額定限制短路電流高;功能齊全、智能化程度高，可后期升級(jí)。

3.2進(jìn)口設(shè)備考察選型

根據(jù)進(jìn)口設(shè)備的市場(chǎng)情況，進(jìn)口設(shè)備方案采用施耐德電氣有限公司的最新產(chǎn)品，方案有兩種。

一是采用NS800H4P塑殼斷路器配合BA控制器的CB級(jí)產(chǎn)品;二是采用ATMT800H4P2A產(chǎn)品。

ATMT自動(dòng)電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由控制器、適配器和執(zhí)行斷路器構(gòu)成。執(zhí)行斷路器加裝適配器后通過(guò)控制連接線與適配器連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)供電電源的檢測(cè);控制器通過(guò)設(shè)定的程序自動(dòng)完成電源間的轉(zhuǎn)換。

ATMT自動(dòng)電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)具備電源電壓、頻率檢測(cè)功能，除常規(guī)的轉(zhuǎn)換功能外，還提供特殊需求的閉環(huán)控制功能（并聯(lián)轉(zhuǎn)換）。該系統(tǒng)具有良好的電電磁兼容性能力，保證自動(dòng)電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行;具備控制系統(tǒng)邏輯鎖，控制線路電氣聯(lián)鎖，執(zhí)行斷路器機(jī)械聯(lián)鎖保證了電力的安全轉(zhuǎn)換。該ATMT自動(dòng)電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)選用2B型控制器、2B進(jìn)線適配器和MT08H1b執(zhí)行斷路器。MT08H1b執(zhí)行斷路器為自動(dòng)電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)合斷電源，可選用連桿聯(lián)鎖或纜繩聯(lián)鎖對(duì)系統(tǒng)保護(hù)。

安裝方式為適配器與斷路器一同安裝，通過(guò)二次線分別與控制器相連，上下并列安裝于三號(hào)柜內(nèi)，柜門(mén)改為三段設(shè)計(jì)，下兩段門(mén)各開(kāi)一孔用于觀察斷路器情況，2BA控制器安裝于三號(hào)柜最上端的柜門(mén)板上，方便控制設(shè)備。

兩臺(tái)智能型框架斷路器采用抽屜式的安裝，整體尺寸為438x800x395mm，考慮到低壓母排安全距離，又涉及到銅排翻排的安全距離，600mm的柜深無(wú)法滿足施工要求，需要更換800x2050x800mm的電氣柜。

3.3設(shè)備比選

根據(jù)三峽船閘子站機(jī)房現(xiàn)用的自動(dòng)電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，新方案主要技術(shù)指標(biāo)為多段保護(hù)、轉(zhuǎn)換時(shí)間、使用壽命和安裝簡(jiǎn)易程度等。方案對(duì)比如表1所示。

4結(jié)論

根據(jù)方案對(duì)比，常熟開(kāi)關(guān)有限公司的CA1W-2500H和施耐德電氣有限公司的ATMT800兩個(gè)自動(dòng)電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)更為符合需求。

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