三電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)及其機(jī)械聯(lián)鎖

錢(qián) 清, 王鵬程, 周?chē)?guó)華, 張 斌, 童林杰

(1.杭州電力設(shè)備制造有限公司 蕭山欣美成套電氣制造分公司, 浙江 杭州 311217;2.國(guó)網(wǎng)浙江杭州市蕭山區(qū)供電有限公司, 浙江 杭州 311200)

0 引 言

隨著我國(guó)城市現(xiàn)代化的發(fā)展,電力作為驅(qū)動(dòng)城市日常運(yùn)轉(zhuǎn)的主要?jiǎng)恿υ?其中有消防控制系統(tǒng)、電梯、大型商場(chǎng)(大型人員聚散)的照明等用電設(shè)備,屬“一類(lèi)(重要)用電負(fù)荷”,按供配電設(shè)計(jì)規(guī)范,要求配備3個(gè)電源,以保障其供電可靠性、連續(xù)性,采用多個(gè)電源的冗余供電系統(tǒng),是一項(xiàng)主要的技術(shù)措施。

GB 50052—2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)用電設(shè)備對(duì)社會(huì)政治生活、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)影響嚴(yán)重性,將用電負(fù)荷劃分為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)。一級(jí)為重要負(fù)荷,應(yīng)由二個(gè)電源供電,當(dāng)一個(gè)電源故障時(shí),由另一個(gè)電源保障其供電[1]。雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)(ATSE)因運(yùn)而生,替代配電室值班人員,監(jiān)視二個(gè)電源狀況,當(dāng)一個(gè)電源故障時(shí),將重要負(fù)荷自動(dòng)轉(zhuǎn)換至另一個(gè)電源供電,保障其連續(xù)可靠運(yùn)行[2]。

一級(jí)重要用電負(fù)荷中,影響生命健康用電負(fù)荷,以及特別重要場(chǎng)所的用電負(fù)荷,視為特別重要負(fù)荷,設(shè)計(jì)規(guī)范要求采用三個(gè)相對(duì)獨(dú)立的電源系統(tǒng)冗余供電。工程中一般采用2個(gè)公共電網(wǎng)電源、1個(gè)發(fā)電機(jī)(和/或UPS)電源,如文獻(xiàn)[3]介紹了醫(yī)院發(fā)熱門(mén)診擴(kuò)建工程電氣設(shè)計(jì)方案,采用了3個(gè)電源的低壓配電系統(tǒng)。

另外,某些場(chǎng)所2個(gè)公共電網(wǎng)電源不足以滿足一級(jí)重要用電負(fù)荷的供電連續(xù)性等原因,也會(huì)配備發(fā)電機(jī)作應(yīng)急電源,如展覽館、劇場(chǎng)的低壓配電系統(tǒng)。

1 目前三電源的自動(dòng)轉(zhuǎn)換方式

1.1 母聯(lián)開(kāi)關(guān)+ATSE

由于3個(gè)交流電源的初相角偏差、頻率偏差、電壓偏差等因素的影響,不能并列供電,同一時(shí)刻只能由其中的某一個(gè)電源,對(duì)特別重要用電負(fù)荷供電。通常由電網(wǎng)電源(UⅠ)供電;當(dāng)UⅠ異常時(shí),切換至另一電網(wǎng)電源(UⅡ)供電;如果發(fā)生地震、強(qiáng)雷暴、強(qiáng)風(fēng)暴等緊急事態(tài),UⅡ、UⅠ2個(gè)公共電網(wǎng)停電時(shí),起動(dòng)發(fā)電機(jī)(UF)供電。上述過(guò)程中,電網(wǎng)電源(UⅠ)與電網(wǎng)電源(UⅠ)之間由值班人員操作母聯(lián)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換;電網(wǎng)電源與發(fā)電機(jī)之間的轉(zhuǎn)換由ATSE完成。

1.2 2臺(tái)ATSE

采用2臺(tái)ATSE實(shí)現(xiàn)三個(gè)電源之間自動(dòng)轉(zhuǎn)換的方案,其中1臺(tái)“電網(wǎng)Ⅰ-電網(wǎng)Ⅱ型ATSE”和1臺(tái)“電網(wǎng)-發(fā)電機(jī)型ATSE”。采用2臺(tái)雙電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的電路如圖1所示。

圖1 采用2臺(tái)雙電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的電路

簡(jiǎn)略工作原理(邏輯關(guān)系)如下:

(1)1號(hào)ATSE檢測(cè)到:電網(wǎng)Ⅰ正常、電網(wǎng)Ⅱ正常,優(yōu)選S1“合閘”;S2“分閘”鎖定。2號(hào)ATSE檢測(cè)到:電網(wǎng)側(cè)正?！x擇S3“合閘”;發(fā)電機(jī)側(cè)S2“分閘”鎖定。電網(wǎng)Ⅰ→S1→S3→負(fù)載。

(2)1號(hào)ATSE檢測(cè)到:電網(wǎng)Ⅰ異常、電網(wǎng)Ⅱ正常,選擇S2“合閘”;S1“分閘”鎖定。2號(hào)ATSE檢測(cè)到:電網(wǎng)側(cè)正常,選擇S3“合閘”;發(fā)電機(jī)側(cè)S2“分閘”鎖定。電網(wǎng)Ⅱ→S2→S3→負(fù)載。

(3)1號(hào)ATSE檢測(cè)到:電網(wǎng)Ⅰ、電網(wǎng)Ⅱ都異?！鷥?yōu)選S2、S1“分閘”。2號(hào)ATSE檢測(cè)到:電網(wǎng)側(cè)異常,S3“分閘”鎖定,起動(dòng)發(fā)電機(jī)S4“合閘”。(發(fā)電機(jī)→S4→負(fù)載)。1號(hào)ATSE檢測(cè)到:電網(wǎng)Ⅰ(和/或)電網(wǎng)Ⅱ恢復(fù)正常;回到a或b狀態(tài),并使發(fā)電機(jī)停止。

1.3 目前三電源轉(zhuǎn)換方式存在的問(wèn)題

母聯(lián)開(kāi)關(guān)+ATSE的問(wèn)題,母聯(lián)開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)換,需值班人員觀察2路電網(wǎng)電壓的狀態(tài),分析是否有過(guò)/欠壓、缺相等故障,判斷是電壓波動(dòng),還是持續(xù)故障之后再手動(dòng)操作母聯(lián)開(kāi)關(guān),完成電源轉(zhuǎn)換。整個(gè)過(guò)程時(shí)間較長(zhǎng),且受值班人員的工作經(jīng)驗(yàn)等因數(shù)的影響。

2臺(tái)ATSE存在的問(wèn)題:體積大,占用配電柜的空間多;性?xún)r(jià)比低,需2臺(tái)雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)投資,且安裝、接線繁瑣;轉(zhuǎn)換過(guò)程較長(zhǎng),且是串聯(lián)使用,故障概率增加1倍,可靠性較差。

2 三電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)

三電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的功能與雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)相似,需分別檢測(cè)三路電源的電壓偏差(或頻率偏差),自動(dòng)轉(zhuǎn)換至狀態(tài)正常的電源對(duì)特別重要用電負(fù)荷。如優(yōu)先選擇狀態(tài)正常的公共電網(wǎng)電源,對(duì)特別重要負(fù)荷供電,其中2個(gè)公共電網(wǎng)電源設(shè)置一常用一備用時(shí),優(yōu)先選擇常用電源,備用電源次之;設(shè)置互為備用時(shí),任選其一。當(dāng)2個(gè)公共電網(wǎng)電源異常時(shí),起動(dòng)發(fā)電機(jī)至電壓正常時(shí),自動(dòng)轉(zhuǎn)換至特別重要用電負(fù)荷供電。

三電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)用途,是替代上述2個(gè)雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān),實(shí)現(xiàn)3個(gè)電源間的自動(dòng)轉(zhuǎn)換,主要結(jié)構(gòu)是由3個(gè)開(kāi)關(guān)設(shè)備作主回路(其中包括三個(gè)檢測(cè)電路),分別與電源連接;一個(gè)控制器接收檢測(cè)電路的信息,判別電源狀態(tài)(正常/異常),按預(yù)定程序控制開(kāi)關(guān)設(shè)備切換電源。另外,3個(gè)開(kāi)關(guān)設(shè)備之間還有一套機(jī)械互鎖機(jī)構(gòu)和一套電氣互鎖電路,防止電源并列運(yùn)行,滿足文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]規(guī)定的電氣安全要求。

三電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的類(lèi)型為派生型CB級(jí)自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān),適用的電源類(lèi)型為電網(wǎng)-電網(wǎng)-發(fā)電機(jī)。

3 三電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)方案

3.1 選用塑殼斷路器作主回路開(kāi)關(guān)

本設(shè)計(jì)方案采用GF系列數(shù)智斷路器,具有DC 12 V的輔助電源輸出端口[4]。因此,省略了采用其他開(kāi)關(guān)電器時(shí),在其外部配備的電壓取樣電路,使三電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)整潔緊湊,電路簡(jiǎn)潔可靠。

3.2 控制器設(shè)計(jì)方案

控制器的工作電源由3臺(tái)數(shù)智斷路器的DC 12 V輔助電源輸出端口并聯(lián)供電,省略控制器的電源模塊部分的電路,減少發(fā)熱;不需要引入380 V電源,提高M(jìn)EC性能,安全可靠。

控制器的4個(gè)開(kāi)關(guān)量輸出端口,分別與3臺(tái)數(shù)智斷路器的開(kāi)關(guān)量遠(yuǎn)控端口、發(fā)電機(jī)遠(yuǎn)控端口連接。

控制器采用RS-485串口通信,與3臺(tái)數(shù)智斷路器雙向通信,接收斷路器檢測(cè)的電壓、過(guò)電壓、缺相等電源故障信息,根據(jù)3個(gè)電源的(故障/正常)狀況,按預(yù)定的優(yōu)先順序,命令3臺(tái)數(shù)智斷路器“分閘”、“合閘”。

默認(rèn)優(yōu)先順序如下:

(1)電網(wǎng)Ⅰ正常,電網(wǎng)Ⅱ正常,發(fā)電機(jī)停止。命令S2、S3“分閘”鎖定;S1“合閘”。電網(wǎng)Ⅰ,經(jīng)S1至負(fù)載。

(2)電網(wǎng)Ⅰ異常、電網(wǎng)Ⅱ正常、發(fā)電機(jī)停止。命令S1、S3“分閘”鎖定;S2“合閘”。電網(wǎng)Ⅱ經(jīng)S2至負(fù)載。

(3)電網(wǎng)Ⅰ異常,電網(wǎng)Ⅱ異常,發(fā)電機(jī)停止。控制器失電,其內(nèi)部的繼電器失壓動(dòng)作,常開(kāi)觸頭經(jīng)開(kāi)關(guān)量端口,起動(dòng)發(fā)電機(jī)至電壓正常;S3的DC 12 V使控制器恢復(fù)正常。命令S1、S2“分閘”鎖定;S3“合閘”(發(fā)電機(jī),S3至負(fù)載)。

(4)電網(wǎng)Ⅰ(和/或)電網(wǎng)Ⅱ恢復(fù)正常;回到(1)或(2)狀態(tài),并使發(fā)電機(jī)停止。

3.3 數(shù)智斷路器之間的電氣聯(lián)鎖、機(jī)械聯(lián)鎖

控制器和數(shù)智斷路器的開(kāi)關(guān)量控制端口中的“分閘”命令包含“鎖定”,是具有抗干擾能力的電氣聯(lián)鎖。電氣聯(lián)鎖還包括,當(dāng)產(chǎn)生錯(cuò)誤的控制命令,使其他兩路的斷路器也實(shí)行合閘操作時(shí),由于機(jī)械聯(lián)鎖的作用無(wú)法實(shí)現(xiàn)合閘,控制器可檢測(cè)到電機(jī)過(guò)載或者合閘時(shí)間超過(guò)規(guī)定值,發(fā)指令終止斷路器的合閘操作。

三電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)采用滑塊式機(jī)械機(jī)構(gòu),作3臺(tái)數(shù)智斷路器互鎖之用,整套機(jī)構(gòu)安裝在其正下方,3個(gè)六角軸分別插入數(shù)智斷路器操作件的六角孔,實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)。三電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的總體布置如圖2所示。

圖2 三電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的總體布置

滑塊式機(jī)械互鎖機(jī)構(gòu)原理圖如圖3所示。

圖2、圖3中,基體長(zhǎng)度L=斷路器安裝后的總寬+支架;有效滑道長(zhǎng)度L1=L2+3L3,其中L2為縱滑塊寬度,L3為大滑塊長(zhǎng)度,等于兩斷路器(安裝后)手柄中心線之間的寬度;小滑塊長(zhǎng)度L4=L3/3;空程長(zhǎng)度L5=L2/2。

圖3 滑塊式機(jī)械互鎖機(jī)構(gòu)原理圖

由圖2可見(jiàn),3臺(tái)數(shù)智斷路器都處于“分閘”狀態(tài)時(shí),與主觸頭關(guān)聯(lián)傳動(dòng)的操作件及凸輪處于下始點(diǎn)?；瑝K機(jī)構(gòu)的大滑塊(橫向)、小滑塊(橫向)受彈簧推力,對(duì)稱(chēng)分布于滑道中央。

其中任一數(shù)智斷路器(經(jīng)操作件轉(zhuǎn)動(dòng)180°)處于“合閘”時(shí),凸輪也轉(zhuǎn)動(dòng)至上終點(diǎn),推動(dòng)縱滑塊插入滑道。大滑塊(橫向)、小滑塊(橫向)分別向左、右移動(dòng)至滑道頂端,即長(zhǎng)度方向被填滿;其余2臺(tái)數(shù)智斷路器受其凸輪及縱滑塊的約束,被鎖定在“分閘”位置,達(dá)到“三選一”機(jī)械聯(lián)鎖的目的。

當(dāng)切換電源時(shí),根據(jù)控制器命令,處于“合閘”的數(shù)智斷路器先行退出至“分閘”,滑塊機(jī)構(gòu)恢復(fù)初始狀態(tài);之后另一臺(tái)數(shù)智斷路器“合閘”,完成電源切換過(guò)程。

4 結(jié) 語(yǔ)

本設(shè)計(jì)方案充分利用數(shù)智斷路器的性能,如電壓檢測(cè)、網(wǎng)絡(luò)通信、遠(yuǎn)程控制、輔助電源等,極大簡(jiǎn)化了電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的二次電路;控制器沒(méi)有引入電網(wǎng)電壓,減小了電磁干擾,安全可靠;采用的機(jī)械聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單;該產(chǎn)品開(kāi)發(fā)初期投資少,既可替代2臺(tái)雙電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān),又可節(jié)約配電柜占用空間。

在配有網(wǎng)絡(luò)通信的智能電網(wǎng)中,可以用上位機(jī)軟件中增加加本操作程序,取消本專(zhuān)用控制器,也可以達(dá)到三電源轉(zhuǎn)換功能。所以,三電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)裝置具有較高的性?xún)r(jià)比。