快速切換裝置在石化行業(yè)應(yīng)用存在的 問題及解決方案

曹 禎 董桂成 朱慶海 劉志雄 李俊鴻

（1. 西門子電力自動化有限公司，南京 211100； 2. 萬華化學(xué)集團(tuán)股份有限公司，山東 煙臺 264006）

0 引言

快速切換裝置（簡稱“快切”）最初源于發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)，現(xiàn)已在工業(yè)系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。石化連續(xù)性生產(chǎn)企業(yè)內(nèi)有大量電動機(jī)負(fù)荷，變壓器或者線路故障會造成電動機(jī)停止運(yùn)行，可能給企業(yè)帶來巨大的損失[1]。近年來，適用于工業(yè)企業(yè)變電站接線及運(yùn)行方式的快速切換裝置相繼問世，較之前采用的備自投和雙電源切換模塊，快速切換裝置大大提高了工業(yè)企業(yè)控制的自動化水平，運(yùn)行效果顯著[2]。

本文首先提出現(xiàn)階段快切在石油化工行業(yè)中應(yīng)用存在的幾個典型問題，在此基礎(chǔ)上，分析這些典型問題產(chǎn)生的原因及影響，并針對這些典型問題提出一系列解決方案。

1 快速切換技術(shù)原理

快速切換技術(shù)的應(yīng)用前提是母線上有大量的電動機(jī)感性負(fù)荷，當(dāng)工作母線失去供電電源時，電動機(jī)存儲的能量給母線反供電，在母線上形成殘壓，其變化趨勢如圖1所示?？焖偾袚Q裝置以備用電源為基準(zhǔn)，判斷母線失電后的母線殘壓與備用電源之間的頻率差、相位差和電壓差（相量差），當(dāng)頻率差、相位差和電壓差（相量差）滿足一定條件時，將失電母線切換到備用電源運(yùn)行。

圖1 母線失電殘壓曲線

目前，快速切換裝置常用的兩種切換模式為快速模式和同相切換模式[3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前快速切換常用的整定值頻率差為3Hz，相位差為20°，低電壓閉鎖為70%Un?，F(xiàn)場實(shí)踐表明，快速切換模式對電動機(jī)自起動極為有利，但是由于要求太高，切換成功率低。根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，快速模式成功率僅在10%～20%。同相切換常用的整定值頻率差為5Hz，相位差為5°～10°，電壓差為30%～40%左右。但是同相捕捉模式過度依賴相位，切換時母線失電已經(jīng)一段時間，再加上合閘延時，切換成功時母線電壓較低，容易導(dǎo)致電動機(jī)負(fù)荷停轉(zhuǎn)。

2 快切在石化企業(yè)的應(yīng)用及典型問題

石化企業(yè)中所帶的電動機(jī)負(fù)荷占70%左右，其供用電系統(tǒng)接線較為復(fù)雜，母線的出線分支較多，供配電系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生故障的概率較高。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，石化企業(yè)中母線電壓波動原因有以下幾種類型[4]： ①母線內(nèi)部故障，低壓饋線和用電設(shè)備發(fā)生故障導(dǎo)致母線電壓波動；②電動機(jī)起動，大容量電動機(jī)（或機(jī)群）起動時導(dǎo)致母線電壓下降；③外部故障，外部電網(wǎng)發(fā)生短路故障或者解列，導(dǎo)致供電電源中斷。

現(xiàn)階段快切在石化行業(yè)應(yīng)用中遇到的典型問題有以下幾個：

1）快速切換模式成功率低導(dǎo)致負(fù)載掉電時間較長，最終可能導(dǎo)致電動機(jī)負(fù)荷停轉(zhuǎn)。

2）母線內(nèi)部故障或大容量電動機(jī)（或機(jī)群）起動均會引起母線電壓波動，從而導(dǎo)致快切誤起動和誤切換。

3）大規(guī)?？烨醒b置在電力系統(tǒng)各電壓等級中應(yīng)用后帶來電動機(jī)群起問題，如備用電源進(jìn)線過電流保護(hù)誤動。

4）大量高壓電容器及同步發(fā)電機(jī)與快切配合 問題。

5）系統(tǒng)復(fù)雜度越來越高，多于三個斷路器的大型系統(tǒng)應(yīng)用越來越多，單個快切裝置難以滿足需求，往往需要多個快切裝置通過邏輯關(guān)聯(lián)共同完成，復(fù)雜度高且可維護(hù)性差。

3 典型問題解決方案探討

3.1 快速切換模式成功率低

現(xiàn)階段石化企業(yè)最大的困擾是快切成功率低，雖然投入了大量資金引進(jìn)快切產(chǎn)品，但很多情況下的實(shí)際動作并非快切模式，相當(dāng)于把快切當(dāng)作慢切用，導(dǎo)致負(fù)載掉電時間長，最終可能導(dǎo)致電動機(jī)負(fù)荷停轉(zhuǎn)。提高快切成功率的思路主要有兩個方面：整體系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)優(yōu)化和快切產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化。

1）整體系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)優(yōu)化

很多大型石化企業(yè)的110kV到400V電力系統(tǒng)都用到快切，當(dāng)高電壓等級的快切起動后會跳開高電壓母線的進(jìn)線電源開關(guān)，下一級母線也會因此失壓，進(jìn)而導(dǎo)致下一級快切失壓誤起動，因此對于異常情況下起動快切時需要考慮上下級快切的配合。

上下級配合最簡單的方案是在起動延時整定上做級差配合，越往下級快切起動延時越長，為保險(xiǎn)起見，往往會保證延時有足夠裕量，10kV及400V快切的起動延時可能會很長甚至超過1s，這樣就會使快速切換模式形同虛設(shè)，進(jìn)而導(dǎo)致切換直接進(jìn)入殘壓切換模式或者長延時切換模式。

更優(yōu)方案是通過上下級邏輯閉鎖來確保上一級快切起動時下一級快切不誤動?？烨猩舷录壆惓Ｆ饎优浜鲜疽鈭D如圖2所示。

圖2 快切上下級異常起動配合示意圖

上下級之間的邏輯閉鎖可以借助光差保護(hù)的光纖通道傳輸遠(yuǎn)傳信號，也可以通過電纜硬結(jié)點(diǎn)或者 面向通用對象的變電站事件（generic object oriented substation event, GOOSE）傳輸來實(shí)現(xiàn)。

在設(shè)計(jì)上下級聯(lián)閉鎖方案時，還需要考慮一些異常工況的處理，比如110kV快切裝置僅投入快速模式且快速模式開放時間為100ms左右，當(dāng)超出快速模式開放時間后，可認(rèn)定為切換失敗，或快速模式和同相模式都失敗則認(rèn)為切換失敗，此時需要解鎖下級快切。

除上下級聯(lián)閉鎖方案外，還有以下系統(tǒng)優(yōu)化可以在一定程度上提升快切成功率：

（1）對于斷路器選型，選取分合閘時間較短的斷路器，為快速切換模式爭取更多空間。

（2）對于快切起動條件，盡可能用快速跳閘的保護(hù)功能來起動快切，原則上只要配置快切就要差動保護(hù)跳閘來配合起動。

（3）減少中間環(huán)節(jié)的時間消耗，如少用出口繼 電器從而節(jié)省約20～30ms的跳合閘延時；如果用到GOOSE通信則盡可能選擇高性能數(shù)據(jù)傳輸，且要確保網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)安全及可靠性。

2）快切算法優(yōu)化

國內(nèi)常用的快切算法由快速切換和同相捕捉切換組成，其動作區(qū)域如圖3所示。理論上快速切換可以將母線上的電力中斷保持在最短的時間內(nèi)并能保證電動機(jī)及其負(fù)載不會受到過度的或累積的損害，所以優(yōu)選快速切換。如果快速切換的判據(jù)沒有得到滿足，失去快速切換的時機(jī)后同相捕捉切換將被起動，即同相捕捉切換是快速切換的后備[5]。

圖3 傳統(tǒng)快切動作區(qū)域

針對快速切換和同相捕捉切換的不足，通過深入研究母線殘壓特性和感應(yīng)電動機(jī)的靜態(tài)特性，并根據(jù)ANSI/NEMA C50.41—2012關(guān)于電動機(jī)母線快速切換的指導(dǎo)性原則（見圖4）對該算法進(jìn)行改進(jìn)。

圖4 ANSI/NEMA C50.41—2012關(guān)于電動機(jī) 母線快速切換的指導(dǎo)性原則

該原則指出合閘時刻，電動機(jī)母線殘壓與參考電源電壓之間的V/Hz相量差應(yīng)不超過1.33倍標(biāo)幺值且V/Hz相量相位差不超過90°，因此，新型的改進(jìn)算法引入母線失電后實(shí)時的電壓幅值、相位及頻率等，動態(tài)計(jì)算殘壓和備用電源之間的相位差變化率dφ/dt及電壓幅值變化率dU/dt，并預(yù)測V/Hz相量差，以確保合閘時刻的相關(guān)判據(jù)條件在定值之內(nèi)，同時對相位差進(jìn)行預(yù)測，使相位差在90°以內(nèi)，對負(fù)荷及電網(wǎng)的影響較小，實(shí)時快速切換的切換應(yīng)用區(qū)域如圖5所示。用戶無須因殘壓特性的改變而調(diào)整先前的設(shè)定，方便用戶進(jìn)行操作。該算法引入后快切區(qū)域采用快速和實(shí)時快速兩種模式，大大提高了快切成功率。

圖5 實(shí)時快速切換應(yīng)用區(qū)域

3.2 母線內(nèi)部故障或大容量電動機(jī)（或機(jī)群）起動導(dǎo)致快切誤切換

1）電動機(jī)起動識別

同母線失電類似，當(dāng)母線上有電動機(jī)起動時，均會引起電壓突降[6]。其電壓降落與電網(wǎng)的運(yùn)行方式、系統(tǒng)阻抗、電動機(jī)參數(shù)及電動機(jī)起動方式有密切關(guān)系[7-8]。仿真結(jié)果顯示，大功率異步電動機(jī)起動可能會造成母線電壓有效值下降20%以上。

實(shí)際應(yīng)用中部分用戶沒有進(jìn)線電流互感器接入快切裝置，無法通過進(jìn)線電流區(qū)分電動機(jī)起動和上一級母線失壓，因此需要僅依靠母線電壓特性對電動機(jī)起動進(jìn)行識別以避免誤起動快切。

與母線失電不同的是，電動機(jī)起動引起母線電壓突降后，電壓會逐漸趨于正常，而母線失電時殘壓會逐漸趨于0，圖6為電動機(jī)起動和電源失電的電壓特性對比?？烨醒b置需要根據(jù)母線電壓在電動機(jī)起動時和失電時突降后的不同變化趨勢，對兩種情況進(jìn)行區(qū)分，可有效預(yù)防在電動機(jī)起動時快切裝置誤動的現(xiàn)象。

圖6 電動機(jī)起動和電源失電的電壓特性對比

2）故障識別

異常起動方式均需在母線無故障的情況下起動。在工作母線故障時，快切裝置可迅速將母線切換到備用電源上，使備用電源變壓器遭受一次故障沖擊，同時對開關(guān)的沖擊非常大，擴(kuò)大事故的范圍；在無法收到保護(hù)閉鎖信號時，快切裝置需要通過判斷母線是否有壓識別三相故障，通過母線電壓是否包含零序分量或負(fù)序分量來識別不對稱故障[9]，如母線最大電壓小于一定值，或零序電壓大于一定值或負(fù)序電壓大于一定值，來識別母線及負(fù)荷支路故障，從而保證發(fā)生母線內(nèi)部故障時快切不會誤切換。

3.3 大規(guī)模快切應(yīng)用后帶來的電動機(jī)群起問題

快切在石化企業(yè)電力系統(tǒng)中應(yīng)用的數(shù)量越來越多，應(yīng)用的電壓等級也越來越高，國內(nèi)某些石化企業(yè)甚至將快切應(yīng)用在220kV電壓等級。隨之而來的電動機(jī)群起問題也越來越凸顯，最直接的影響就是造成備用電源短時過負(fù)荷，進(jìn)而造成保護(hù)誤動作導(dǎo)致全廠失電。

針對電動機(jī)群起問題，解決思路有如下兩個方向：

1）從系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度優(yōu)化

最有效的方案是從整體電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度考慮最大運(yùn)行工況，從而確保電源容量的設(shè)計(jì)裕量足夠大。提高系統(tǒng)裕量的措施可以通過多電源接入或者增設(shè)自備發(fā)電廠來實(shí)現(xiàn)。

另外，從整體快切方案角度需要考慮盡可能提升企業(yè)最高電壓等級進(jìn)線端的切換速率，確保切換過程中電動機(jī)不停轉(zhuǎn)，從而確保最終切換成功后系統(tǒng)的沖擊電流可控制在較低水平。具體可以通過參數(shù)整定和配置來實(shí)現(xiàn)，比如220kV及110kV的快切僅投入“快速切換模式”及“同相捕捉模式”，不允許投入“殘壓切換模式”及“長延時切換模式”。

2）從快切方案角度優(yōu)化

現(xiàn)階段市面上的快切產(chǎn)品在判斷切換條件時僅考慮了最基本的合閘條件，即待合斷路器兩端電壓差（相量差）、相位差、頻率差，而并未考慮系統(tǒng)運(yùn)行裕量。更優(yōu)的切換策略應(yīng)該從系統(tǒng)角度考慮運(yùn)行工況及系統(tǒng)裕量分布，從而在滿足最基本合閘條件的基礎(chǔ)上有選擇性地“分群分批”將電動機(jī)機(jī)群切換到最合適的電源上，根據(jù)負(fù)荷的優(yōu)先級制定策略，確保重要負(fù)荷能快速切換到備用電源上。

3.4 高壓電容器/同步電動機(jī)等設(shè)備應(yīng)用與快切的配合

1）高壓電容器的應(yīng)用

最常遇到的工程設(shè)計(jì)問題是在快切之前是否應(yīng)該把電容器切除，某些工程規(guī)范中明確指出需要在快切或者備自投切換之前將高壓電容器切除，以確保電容器不致因過電壓而損壞。

實(shí)際工程應(yīng)用中，也有很多帶著電容器完成切換的案例，但成功切換的前提需要確?？焖偾袚Q，至少是同相捕捉切換模式動作。在快切模式下，母線殘壓仍保持在較高水平，且母線殘壓和備用電源電壓之間的頻率差、相位差都被控制在較小范圍內(nèi)；在同相捕捉切換模式下，雖然母線殘壓幅值已經(jīng)有一定程度衰減，但相位差被嚴(yán)格控制在很小范圍內(nèi)，所以兩種切換都不會造成電容器過電壓。殘壓切換模式動作的情況下，由于殘壓幅值已經(jīng)降低到額定電壓的30%以下，所以電容器保護(hù)自帶的低電壓保護(hù)會提前將電容器從系統(tǒng)中切除。

2）同步機(jī)/異步電動機(jī)混用情況下的切換策略

現(xiàn)階段很多石化企業(yè)的10kV或6kV母線上混帶有同步機(jī)和異步電動機(jī)，同步機(jī)可能是同步電動機(jī)或者自備發(fā)電機(jī)。

同步發(fā)電機(jī)和異步電動機(jī)在失電后的動態(tài)模型存在巨大差異[10]。異步電動機(jī)可以在遠(yuǎn)離額定工況下，例如80%額定轉(zhuǎn)速，直接并網(wǎng)并達(dá)到額定運(yùn)行狀態(tài)。甚至部分小容量異步電動機(jī)，支持零轉(zhuǎn)速直接并網(wǎng)起動，即冷起動。經(jīng)典的快速切換理論基于異步電動機(jī)模型，可以保證在較寬區(qū)域（電壓差、頻率差、相位差等條件）安全并列到備用電源上并達(dá)到額定運(yùn)行狀態(tài)。而同步發(fā)電機(jī)由于獨(dú)立勵磁系統(tǒng)的存在，非同步條件下的合閘，同步過程會出現(xiàn)比較大且持續(xù)時間比較長的轉(zhuǎn)矩振蕩。

不正確的同期并列會造成系統(tǒng)振蕩，甚至造成同步機(jī)永久性損傷，所以同步發(fā)電機(jī)的操作規(guī)程明確禁止重合閘操作，快切操作則是未定義的灰色地帶。然而母線上同時存在同步發(fā)電機(jī)和異步電動機(jī)的場景，相關(guān)理論幾乎空白，如何處理同步發(fā)電 機(jī)、異步電動機(jī)混用情況下的快切切換策略需要 研究。

為確保切換過程中同步機(jī)和系統(tǒng)安全性，嚴(yán)格符合操作規(guī)定的策略是把同步發(fā)電機(jī)、異步電動機(jī)混用的切換分解為多個理論和實(shí)踐都較為成熟的操作：①異常識別起動快切，將母線從主電源系統(tǒng)中斷開；②在斷開主電源時，或者合于備用電源前，切除所有同步發(fā)電機(jī)；③按照純異步電動機(jī)母線切換策略，合于備用電源，完成異步電機(jī)群快切； ④待母線電壓穩(wěn)定后，將同步發(fā)電機(jī)調(diào)整到同期并列條件下，逐一完成并網(wǎng)。

上述方案最大缺點(diǎn)是同步發(fā)電機(jī)退出運(yùn)行時間較長，對相關(guān)功能影響較大，完成切換需要配合調(diào)頻調(diào)壓及同期并列裝置完成并網(wǎng)，操作周期較長，復(fù)雜度較大，不利于在保證安全的情況下提高成功率。因此，不切除同步發(fā)電機(jī)的切換策略可行性研究具有積極意義。

應(yīng)用案例中比較典型的是110kV母線經(jīng)過變壓器混帶有10kV異步電動機(jī)母線和10kV同步發(fā)電機(jī)母線，如此，110kV母線及以下元件組成的子系統(tǒng)可被認(rèn)為是帶有分布式電源的微網(wǎng)。通過PSCAD仿真可知，110kV子系統(tǒng)相比電動機(jī)機(jī)端母線，更容易達(dá)到功率平衡，電源斷開后頻率差、相位差等切換合閘的條件也更有利，不切除同步發(fā)電機(jī)的快切，不僅降低了操作復(fù)雜度，同時還提高了切換性能和成功率。進(jìn)一步研究在不同系統(tǒng)工況下，母線電壓是否有利于進(jìn)行切換，圖7為子系統(tǒng)額定發(fā)電功率與負(fù)荷功率比為100%和80%的母線電壓幅值變化趨勢。

根據(jù)圖7可知，在110kV側(cè)成功切換需要斷開后的子系統(tǒng)能快速達(dá)到功率平衡并且穩(wěn)定，所以需在如下兩個方面進(jìn)行限定：①在110kV母線一次設(shè)計(jì)時，額定工況下同步發(fā)電機(jī)容量應(yīng)近似等于負(fù)荷，考慮阻抗參數(shù)等損耗情況下應(yīng)略大于負(fù)荷；②使用調(diào)頻能力較強(qiáng)的發(fā)電機(jī)組，調(diào)頻調(diào)壓較快的自動控制系統(tǒng)?？烨衅饎雍蟛磺谐桨l(fā)電機(jī)，在110kV 母線進(jìn)行快切操作。為確保同步發(fā)電機(jī)的安全性，合閘時刻的電壓差、頻率差、相位差需參考同步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)條件，比如限定電壓差在5%Un以內(nèi)，頻率差在1Hz以內(nèi)，相位差在10°以內(nèi)。

圖7 母線電壓幅值變化對比

3.5 系統(tǒng)復(fù)雜度越來越高，多于三個斷路器的大型系統(tǒng)應(yīng)用越來越多

現(xiàn)階段單臺快切裝置適用的典型系統(tǒng)接線如圖8所示，包括單母分段雙進(jìn)線、單母雙進(jìn)線、單母三進(jìn)線。

圖8 單臺快切裝置適用典型系統(tǒng)

上述幾種典型系統(tǒng)接線包含的斷路器數(shù)量不超過三個，運(yùn)行工況和切換邏輯都相對簡單。但近些年隨著快切在110kV甚至220kV應(yīng)用的擴(kuò)展，快切邏輯需要考慮更加復(fù)雜的運(yùn)行工況，比如雙母雙分段及多電源接入的復(fù)雜系統(tǒng)接線[11]。圖9～圖11是幾種石化行業(yè)典型的大型應(yīng)用場景。針對圖9系統(tǒng)接線，通常需要三臺快切裝置通過硬結(jié)點(diǎn)連接或通過GOOSE傳輸互鎖信號來完成整體切換邏輯，類似解決方案對于圖10系統(tǒng)接線需要六臺快切裝置聯(lián)合完成，對于圖11系統(tǒng)接線需要更多臺快切。

圖9 三母三進(jìn)線接線方式

圖10 單母分段四進(jìn)線接線方式

圖11 雙母雙分段四進(jìn)線接線方式

此類解決方案復(fù)雜度非常高，對于用戶來說存在很多弊端：

1）整體方案的硬件成本昂貴。

2）設(shè)計(jì)、配置、接線、工程調(diào)試都非常復(fù)雜，且如果系統(tǒng)在后期有任何修改或擴(kuò)展，會帶來大量的硬件接線和實(shí)現(xiàn)邏輯的調(diào)整，費(fèi)時費(fèi)力，可操作性很低。

3）由于整體方案依賴硬結(jié)點(diǎn)連接或GOOSE傳輸，所以受電磁兼容（electro magnetic compatibility, EMC）干擾及通信數(shù)據(jù)干擾的影響較大。

4）故障錄波存于各裝置，遇到問題不便對快切過程有整體的分析。

更優(yōu)的解決方案應(yīng)該以實(shí)際應(yīng)用為中心，從以下幾個方面考慮提高易用性：

1）單臺裝置獨(dú)立完成全部快切邏輯，避免多臺裝置間開放互鎖邏輯，大大降低配置、接線、調(diào)試的復(fù)雜度，同時也可以規(guī)避EMC干擾及通信數(shù)據(jù)干擾帶來的影響。

2）配置簡單，化繁為簡。根據(jù)企業(yè)的實(shí)際運(yùn)行方式計(jì)劃實(shí)現(xiàn)最優(yōu)電源切換策略。

3）設(shè)置可視化接口。當(dāng)系統(tǒng)中有多個備用電源時，預(yù)定義切換優(yōu)先級，并實(shí)現(xiàn)客戶定制化服務(wù)。

4）軟硬件實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，后期擴(kuò)展簡單方便，從而確保在系統(tǒng)擴(kuò)展后原有接線及軟件邏輯均無需修改。

以圖10系統(tǒng)為例，其典型切換方向如圖12所示，在快切裝置中定義四個斷路器及三個切換方向?qū)?yīng)的斷路器，如所需方向有變化，只需更改或增加切換方向即可，無需二次接線。

圖12 單母分段四進(jìn)線典型切換方向

以上設(shè)計(jì)理念提供可視化的優(yōu)先級定義，如圖13所示，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)定義切換方向的優(yōu)先級，當(dāng)快切起動時即可自動按優(yōu)先級起動相應(yīng)的切換方向，從而避免復(fù)雜的閉鎖邏輯。

圖13 切換方向優(yōu)先級定義

4 結(jié)論

本文對快切裝置在石油化工企業(yè)應(yīng)用中的典型問題進(jìn)行了分析，針對快切裝置成功率低的問題，提出通過上下級配合的方案提高了快切成功率，采用對V/Hz相量進(jìn)行預(yù)測的切換模式提高了快切成功率；通過僅基于母線電壓的算法來識別電動機(jī)起動或母線故障從而避免快切誤起動；通過提高電源設(shè)計(jì)容量或電動機(jī)分群分批切換策略避免切換后保護(hù)誤動作的問題；提出了在同步機(jī)異步機(jī)混用時帶同步機(jī)切換的解決方案；應(yīng)用快切裝置自適應(yīng)于各種大型應(yīng)用場景的解決方案大大簡化了快切閉鎖邏輯，對快切應(yīng)用于石油化工行業(yè)的切換模式和整體解決方案具有積極的意義。