柴油發(fā)電機組應急電源自動投切低壓供電系統(tǒng)的研究

劉 義

(沈陽鋁鎂設計研究院有限公司,遼寧 沈陽 110001)

對于有色金屬冶煉廠和其他行業(yè)低壓供配電系統(tǒng)的一級負荷中特別重要的負荷,國家設計標準及規(guī)范對其供電可靠性均提出了強制要求?！豆┡潆娤到y(tǒng)設計規(guī)范》(GB50052)中將一級負荷中特別重要的負荷定義為:中斷供電將發(fā)生中毒、爆炸和火災等情況的負荷,以及特別重要場所不允許中斷供電的負荷。其供電應應符合以下要求:除應由雙重電源供電外,尚應增設應急電源,并嚴禁將其他負荷接入應急供電系統(tǒng);設備的供電電源切換時間,應滿足設備允許中斷供電的要求。

《有色金屬冶煉廠電力設計規(guī)范》(GB50673)中規(guī)定:一級負荷中,中斷供電將發(fā)生中毒、爆炸和火災危險等情況的用電,大型關鍵設備的保安用電以及重要計算機控制系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)等的用電,屬于一級負荷中特別重要的負荷。其供電應應符合以下規(guī)定:一級負荷應由兩個電源供電。當一個電源故障時,另一電源應能連續(xù)供電或在不超過負荷允許的中斷供電時間內(nèi)恢復供電。一級負荷中特別重要的負荷,除上述兩個電源外,尚應增設獨立于電力網(wǎng)的應急電源。應根據(jù)一級負荷允許中斷供電的時間,確定備用電源手動或自動方式投入。

由此可見,一級負荷中特別重要負荷的供電可靠性要求非常之高,否則將會造成特別重大的安全生產(chǎn)事故

1 典型供電系統(tǒng)分析研究

對于一級負荷中存在特別重要負荷的380/220 V電壓等級的供電系統(tǒng),特別重要的一級負荷除由兩個電源供電外,還應增設應急電源。典型的供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,該低壓供電系統(tǒng)采用單母線分段帶母聯(lián)的供電結(jié)構(gòu),設置兩段配電母線,每段母線設置一路電源進線作為工作電源,共兩路工作電源,分別引自電力網(wǎng);一段配電母線上設置一路獨立于電力網(wǎng)的應急電源,應急電源采用采用低壓柴油發(fā)電機組。

圖1 典型供電系統(tǒng)圖

這種典型的供電系統(tǒng)的運行方式為:兩路電源同時工作,進線開關處于閉合狀態(tài),母聯(lián)開關處于斷開狀態(tài),柴油發(fā)電機組應急電源饋線開關處于斷開狀態(tài)。

供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)的功能為:正常工作情況下,兩路電工作電源同時工作,柴油發(fā)電機組應急電源處于冷備用狀態(tài);當任意一路工作電源故障或退出運行時,剩余一路工作電源負責特別重要一級負荷的供電,柴油發(fā)電機組應急電源不需投入運行;當兩路工作電源全部失電,造成低壓配電系統(tǒng)兩段母線全部停電后,手動或自動起動柴油發(fā)電機組,應急電源自動投入運行,同時手動斷開兩路工作電源的進線開關,使其退出運行;當兩路工作電源中任意一路工作電源恢復供電后,手動合上對應的工作電源進線開關,使其投入運行,再手動停止柴油發(fā)電機組,應急電源退出運行。

由于這種操作模式某些操作環(huán)節(jié)采用手動控制方式,存在較大的人為因素,特別是在緊急情況下,由于操作人員緊張失誤,將對供電系統(tǒng)造成誤操作,影響供電系統(tǒng)的快速恢復;另一方面,由于柴油發(fā)電機組應急電源與正常工作電源之間存在短時并列運行的情況,這種情況下將對設備和人身安全造成威脅,存在一定的安全隱患。雖然也有采用微機保護監(jiān)控單元來實現(xiàn)兩路工作電源和低壓柴油發(fā)電機組應急電源間的自動切換,但由于其對供電系統(tǒng)的配置結(jié)構(gòu)及設備的裝備水平要求較高,造成一次投資較大;同時由于信號監(jiān)測數(shù)量較多,邏輯關系及接線復雜,容易發(fā)生拒動或誤動現(xiàn)象,使用效果并不理想。

2 自動投切供電系統(tǒng)研究

當采用柴油發(fā)電機組作為應急電源時,通過對上述典型的供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分析研究,確定最為可靠的供電方式為:正常工作情況下,柴油發(fā)電機組處于冷備用狀態(tài),當兩路工作電源全部失電,造成低壓配電系統(tǒng)兩段母線全部停電后,柴油發(fā)電機組應自動起動,應急電源應自動投入運行,同時為了防止應急電源向供電系統(tǒng)反送電,要求兩路工作電源的進線開關應處于斷開狀態(tài)退出運行;當兩路工作電源中的任意一路工作電源恢復供電后,該工作電源的進線開關應自動閉合投入運行。同時,為防止發(fā)生觸電安全事故,以及工作電源和應急電源的并列運行引起供電系統(tǒng)短路電流的增加而超出設備額定運行短路分斷能力,要求應急電源應立即自動退出運行,其饋線開關應處于斷開狀態(tài);即,應急電源與正常電源之間必須采取防止并列運行的措施。

為實現(xiàn)上述自動投切控制理念,通過研究開發(fā)出了低壓柴油發(fā)電機組應急電源自動投切供電系統(tǒng),這種自動投切供電系統(tǒng)設置兩路工作電源和兩段低壓配電母線,兩路工作電源進線處設置自動切換開關,自動切換開關輸出線上設置兩個交流接觸器;柴油發(fā)電機組作為應急電源,在應急電源出口斷路器輸出線上設置兩個交流接觸器;通過上述四個交流接觸器分別將1#、2#工作電源和應急電源接入兩段配電母線,通過PLC控制系統(tǒng)對兩組交流接觸器進行相互閉鎖控制,實現(xiàn)柴油發(fā)電機應急電源與兩路工作電源之間的自動切換。自動投切供電系統(tǒng)接線原理圖如圖2所示,其配置結(jié)構(gòu)如下:雙電源自

圖2 自動投切供電系統(tǒng)接線原理圖

動切換開關1用于連接兩路工作電源,實現(xiàn)兩路工作電源的自動切換操作。熔斷器2和熔斷器3用于控制回路的保護。電子監(jiān)視繼電器4用于兩路工作電源的電壓檢測,當兩路工作電源失電時,向PLC控制系統(tǒng)19輸入一個斷電信號,然后由PLC控制系統(tǒng)19控制柴油發(fā)電機17起動。轉(zhuǎn)換開關5用于選擇流接觸器13和交流接觸器14的自動或手動控制方式。轉(zhuǎn)換開關6用于選擇交流接觸器15和交流接觸器16的自動或手動控制方式。停止按鈕7用于手動控制方式下控制交流接觸器13和交流接觸器14斷電。停止按鈕8用于手動控制方式下控制交流接觸器15和交流接觸器16斷電。起動按鈕9用于手動控制方式下控制交流接觸器13和交流接觸器14通電。起動按鈕10用于手動控制方式下控制交流接觸器15和交流接觸器16通電。PLC控制輸出接點11用于自動控制方式下控制交流接觸器13和交流接觸器14的通電和斷電。PLC控制輸出接點12用于自動控制方式下控制交流接觸器15和交流接觸器16的通電和斷電。交流接觸器13和交流接觸器14用于連接自動切換開關1和配電母線20,通過其打開和閉合對配電母線20進行斷電和供電切換操作。交流接觸器15和交流接觸器16用于連接斷路器18和配電母線20,通過其打開和閉合對配電母線20進行斷電和供電切換操作。柴油發(fā)電機組17用于應急電源。斷路器18用于連接柴油發(fā)電機17和配電母線20,柴油發(fā)電機起動后閉合。PLC控制系統(tǒng)19用于柴油發(fā)電機應急電源與兩路工作電源之間的自動切換控制,PLC控制系統(tǒng)19分別對電子監(jiān)視繼電器4、轉(zhuǎn)換開關5、轉(zhuǎn)換開關6、交流接觸器13、交流接觸器14、交流接觸器15和交流接觸器16的運行狀態(tài)進行監(jiān)視。

這種自動投切供電系統(tǒng)的主要控制邏輯功能如下,控制邏輯圖如圖3所示。當1#、2#工作電源帶電工作時,自動切換開關出線側(cè)的兩個交流接觸器閉合,為配電系統(tǒng)提供供電電源,此時柴油發(fā)電機出口斷路器側(cè)的兩個交流接觸器處于斷開狀態(tài),柴油發(fā)電機處于冷備用狀態(tài)。當1#、2#工作電源失電停止工作時,通過PLC控制系統(tǒng)將柴油發(fā)電機自動啟動運行,自動切換開關出線側(cè)的兩個交流接觸器斷開,同時柴油發(fā)電機應急電源出口斷路器側(cè)的兩個交流接觸器閉合,將應急電源接入配電系統(tǒng),繼續(xù)為用電負荷提供供電電源。當任意一路工作電源恢復供電時,通過PLC控制系統(tǒng)將自動切換開關出線側(cè)的兩個交流接觸器閉合,同時將柴油發(fā)電機出口斷路器側(cè)的兩個交流接觸器斷開,柴油發(fā)電機停止運行,從而實現(xiàn)柴油發(fā)電機應急電源的自動投入和退出,保證重要一級負荷的可靠供電。

圖3 自動投切供電系統(tǒng)控制邏輯圖

3 具體實施方式

下面結(jié)合上圖2和圖3,對低壓柴油發(fā)電機組應急電源自動投切供電系統(tǒng)的具體實施方式說明如下。

當兩路工作電源中任意一路帶電時,柴油發(fā)電機處于備用停止狀態(tài),此時,電子監(jiān)視繼電器4的輔助接點帶電閉合、轉(zhuǎn)換開關5打到自動控制位置、PLC輸出接點11閉合,使交流接觸器13和交流接觸器14帶電閉合,PLC輸出接點12和交流接觸器13的常閉觸點斷開、使交流接觸器15和交流接觸器16斷電斷開并閉鎖,以此實現(xiàn)工作電源通過交流接觸器13和交流接觸器14接入配電母線20,為用電負荷提供供電電源。在此種情況下,如果發(fā)生交流接觸器15或交流接觸器16處于閉合狀態(tài),交流接觸器13或交流接觸器14處于斷開狀態(tài),則PLC控制系統(tǒng)19發(fā)出聲光報警信號通知操作人員。

當兩路工作電源全部失電時,電子監(jiān)視繼電器4的輔助接點失電斷開,PLC控制系統(tǒng)19立即起動柴油發(fā)電機17,斷路器18閉合,PLC輸出接點12閉合,使交流接觸器15和交流接觸器16帶電閉合,PLC輸出接點11和交流接觸器15的常閉觸點斷開,使交流接觸器13和交流接觸器14斷電斷開并閉鎖,以此實現(xiàn)柴油發(fā)電機應急電源通過交流接觸器15和交流接觸器16接入配電母線20,為用電負荷提供應急供電電源。在此種情況下,如果發(fā)生交流接觸器15或交流接觸器16處于斷開狀態(tài),交流接觸器13或交流接觸器14處于閉合狀態(tài),則PLC控制系統(tǒng)19發(fā)出聲光報警信號通知操作人員。

當兩路工作電源中任意一路恢復供電工作時,通過控制系統(tǒng),自動將該工作電源接入配電母線,同時自動切除柴油發(fā)電機應急電源,從而實現(xiàn)柴油發(fā)電機應急電源與兩路工作電源之間的自動切換。

4 結(jié) 語

綜上所述,通過對一級負荷中特別重要負荷的典型供電系統(tǒng)進行分析,針對運行可靠性方面存在的問題提出了解決方案,通過研發(fā)的低壓柴油發(fā)電機組自動投切供電系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)該負荷的兩路工作電源全停電時應急電源自動投入,當任一路工作電源恢復供電時,應急電源自動退出運行。

采用該技術方案后,能夠可靠實現(xiàn)柴油發(fā)電機組應急電源的自動投入和退出,避免了誤操作和存在的安全隱患等問題,是一種解決特別重要一級負荷的可靠供電的技術措施,還可以節(jié)省一次投資。這種自動投切供電系統(tǒng)更加符合企業(yè)安全可靠生產(chǎn)的需求,在新建、擴建和提高可靠性改造項目中具有十分明顯的應用優(yōu)勢。