雙電源快速切換事件過(guò)程仿真分析

付英杰，梁志珊

（1.大慶石化公司，黑龍江 大慶 163714；2.中國(guó)石油大學(xué) 自動(dòng)化系，北京 102249）

0 引 言

供電的連續(xù)可靠是各種用電設(shè)備安全運(yùn)行的基本條件［1］。因此，對(duì)供電可靠性要求較高的場(chǎng)合多配有兩路供電電源［2］，兩路電源間的成功切換是連續(xù)不間斷供電的關(guān)鍵。國(guó)內(nèi)石化工業(yè)供電系統(tǒng)的接線方式一般為分段結(jié)構(gòu)。為了保證電源的可靠性，2段母線都有獨(dú)立電源供電并裝有備用電源自動(dòng)投入裝置（BZT）［3］。因?yàn)槌Ｓ玫腂ZT切換裝置的延時(shí)性，且沒(méi)有檢測(cè)電源相位回路，這種切換的成功率低、沖擊電流大，造成6kV廠用電電源中斷的事故頻頻發(fā)生。由于每次晃電、停電事故，每次事故都造成了石油石化企業(yè)嚴(yán)重的損失。因此，研究電動(dòng)機(jī)容量大的雙電源切換問(wèn)題對(duì)石油石化供配電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行有重要意義。

對(duì)于具有電機(jī)負(fù)載的備用電源快速切換，如果切換時(shí)機(jī)掌握不當(dāng)［3］，很有可能造成保護(hù)動(dòng)作，同時(shí)由于電動(dòng)機(jī)成組自起動(dòng)電流很大，母線電壓將可能難以恢復(fù)，從而導(dǎo)致再起動(dòng)困難，因此，石油石化系統(tǒng)變電所必須使用快速切換裝置保證可靠供電?？焖偾袚Q裝置參數(shù)整定是非常重要的，而整定的參數(shù)可靠性無(wú)法得到驗(yàn)證，主要是由于在實(shí)際系統(tǒng)上做驗(yàn)證成本太高，而實(shí)際運(yùn)行電力系統(tǒng)由于化工過(guò)程工藝要求又不允許經(jīng)常做這樣的試驗(yàn)。因此，利用電力系統(tǒng)計(jì)算軟件，對(duì)實(shí)際系統(tǒng)發(fā)生的事故進(jìn)行仿真分析，根據(jù)母線殘壓的變化，分析研究事故過(guò)程中快速切換裝置的判據(jù)和機(jī)電保護(hù)動(dòng)作，再與實(shí)際電力系統(tǒng)變電所事故現(xiàn)場(chǎng)錄波數(shù)據(jù)對(duì)比，得出給定系統(tǒng)快速切換裝置的仿真分析結(jié)論。為實(shí)際電力系統(tǒng)快速切換裝置的參數(shù)整定和運(yùn)行提供可靠的理論依據(jù)。論文通過(guò)對(duì)變電所兩次事故的仿真分析，給出事故過(guò)程中快速切換裝置判據(jù)分析結(jié)論。

1 雙電源切換理論

1.1 快速切換過(guò)程中電動(dòng)機(jī)殘壓分析

圖1為某變電所具有雙電源快速切換裝置的電力系統(tǒng)［4］，進(jìn)線1和進(jìn)線2為雙電源，母線1帶4臺(tái)等效電機(jī)，等效負(fù)載為M1，母線2帶5臺(tái)電機(jī)，等效負(fù)載為M2，CB11和CB12為進(jìn)線1斷路器，CB21和CB22為進(jìn)線2斷路器，CB11和CB12具有光纖差動(dòng)保護(hù)，CB21和CB22具有光纖差動(dòng)保護(hù)，CB33為母聯(lián)斷路器，快速切換裝置被連接在雙電源系統(tǒng)中。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，進(jìn)線1和進(jìn)線2工作，母聯(lián)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。當(dāng)進(jìn)線1側(cè)發(fā)生故障或失壓，進(jìn)線1斷路器分閘，母聯(lián)開(kāi)關(guān)合閘，實(shí)現(xiàn)母線1負(fù)荷的不間斷供電。同理，當(dāng)進(jìn)線2側(cè)發(fā)生故障或失壓時(shí)，進(jìn)線2斷路器分閘，母聯(lián)開(kāi)關(guān)合閘，實(shí)現(xiàn)母線2負(fù)荷的不間斷供電。

當(dāng)母線失電時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)仍與母線側(cè)相連，在母線失電后，由于電動(dòng)機(jī)間電感能量的轉(zhuǎn)移，其機(jī)端電壓仍然存在，被稱為殘壓。殘壓的衰減程度與母線的負(fù)載特性有關(guān)。由于殘余電壓的存在，如果進(jìn)線開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后，母聯(lián)很快合閘，很可能會(huì)出現(xiàn)很大合閘沖擊電流。沖擊電流的大小與合閘瞬間電壓大小和相位決定。過(guò)大的沖擊電流會(huì)給電機(jī)或電源造成故障或合閘失敗。因此，必須對(duì)殘壓進(jìn)行分析研究［5-6］。

圖1 具有雙電源快速切換裝置的電力系統(tǒng)

電動(dòng)機(jī)切換電路的等值回路如圖2所示，由圖2可以看出，電源電壓和電動(dòng)機(jī)殘壓二者之間的夾角θ不同，對(duì)應(yīng)不同的ΔU值，如θ＝180°，ΔU最大，如果此時(shí)合上電源，對(duì)電動(dòng)機(jī)的沖擊最嚴(yán)重。

各變量的物理意義如下：Us—電源電壓；UD—母線上的電動(dòng)機(jī)的殘壓；Xs—電源等值電抗；Xm—母線上電動(dòng)機(jī)組和低壓負(fù)載的等值電抗；△U—電源電壓和殘壓之間的差拍電壓。

根據(jù)母線上成組電動(dòng)機(jī)的殘壓特性和電動(dòng)機(jī)耐受電流的能力，在極坐標(biāo)上可繪出殘壓曲線，如圖3。電動(dòng)機(jī)切換到電源時(shí)，電動(dòng)機(jī)上的電壓Um為：令Um等于電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的允許電壓，即為1.1倍電動(dòng)機(jī)額定電壓UDe，令如K＝0.67，計(jì)算得ΔU（%）＝1.64。圖3中，以A為圓心，以1.64為半徑繪出圖A′—A〞，其右側(cè)為備用電源合閘的安全區(qū)域。在殘壓曲線的AB段實(shí)現(xiàn)的電源切換稱為“快速切換”，即在圖中B點(diǎn)（0.3s）以前進(jìn)行切換，對(duì)電機(jī)是安全的。延時(shí)到C點(diǎn)后實(shí)現(xiàn)的切換稱為“慢速切換”，即在圖3中C點(diǎn)（約0.47s）以后進(jìn)行切換，對(duì)電機(jī)是安全的。等殘壓衰減到20%～40%時(shí)實(shí)現(xiàn)的切換，即通常稱之為“殘余電壓的切換”。延時(shí)切換和低電壓檢定切換統(tǒng)稱為“慢速切換”。

式（5）中的K值，與機(jī)組負(fù)荷有關(guān)，負(fù)荷輕時(shí)運(yùn)行電機(jī)數(shù)量少，運(yùn)行電動(dòng)機(jī)數(shù)量減少后，Xm增加，K值也增加，ΔU則減少，在圖3中小的ΔU（%）畫出的圓弧就向A′—A〞曲線右側(cè)移動(dòng)，如圖中的B′—B〞曲線。

1.2 切換判據(jù)

由以上分析可知，為減小沖擊，備用電源電壓Us與母線殘壓UD夾角較小時(shí)，實(shí)現(xiàn)切換是一比較好的切換；同樣當(dāng)母線殘壓UD旋轉(zhuǎn)一周后與備用電源電壓Us第1次同相時(shí)實(shí)現(xiàn)切換也是比較好的切換，但時(shí)間較長(zhǎng)；另外也可以在母線殘壓衰減到系統(tǒng)允許的范圍后或母線殘壓完全消失后進(jìn)行切換。上述的4種切換對(duì)應(yīng)4種切換方式：快速切換、首次同相切換、殘壓切換和長(zhǎng)延時(shí)切換。

（1）快速切換判據(jù) 動(dòng)作判據(jù)包括以下幾個(gè)條件：① 相角差指故障母線電壓和備用母線電壓之間的相角差，構(gòu)成同步判據(jù)的角差界值可根據(jù)超前或滯后母線電壓分別進(jìn)行調(diào)整，典型的值是±20°。② 母線電壓和備用電源電壓的頻率差，就切換過(guò)程而言，頻率差反映了用電設(shè)備及其動(dòng)態(tài)負(fù)荷斷電后的運(yùn)行特性并指示是否允許進(jìn)行切換，通常的界值是1Hz。③ 當(dāng)備用電源電壓存在時(shí)裝置方可執(zhí)行切換，通常被整定為正常電壓的80%；④母線電壓低于設(shè)定電壓值（U通常設(shè)定為正常電壓的70%），則不允許進(jìn)行切換。

（2）首次同期切換判據(jù) 動(dòng)作判據(jù)包括以下幾個(gè)條件：①備用電源電壓和母線殘壓的相位差要第一次同相。② 母線殘壓頻率的變化率要低于15Hz整定值。③ 備用電源電壓要存在，一般是正常電壓的80%。

（3）殘壓切換判據(jù) 動(dòng)作判據(jù)包括以下幾個(gè)條件：①當(dāng)母線殘壓衰減到低于設(shè)定值時(shí)合上備用電源，一般設(shè)定值為40%的額定電壓。② 備用電源電壓要大于設(shè)定值，設(shè)定值為正常電壓的80%。

（4）長(zhǎng)延時(shí)切換判據(jù) 動(dòng)作判據(jù)包括以下幾個(gè)條件：① 切換等待的時(shí)間要達(dá)到設(shè)定的時(shí)間。② 備用電源電壓要存在，一般設(shè)定為大于額定電壓80%。

2 故障仿真分析

2.1 進(jìn)線電纜三相短路現(xiàn)場(chǎng)錄波數(shù)據(jù)

進(jìn)線電纜三相短路故障錄波圖如圖4所示，橫軸：時(shí)間／毫秒；縱軸：開(kāi)關(guān)狀態(tài)量，Cb1CmdOp--斷路器1合閘命令、Cb1CmdCl--斷路器1分閘命令、Cb1DefOp--斷路器1合閘位置、Cb1DefCl--斷路器1分閘位置、CbbCmdOp--母聯(lián)斷路器分閘命令、CbbCmdCl--母聯(lián)斷路器合閘命令、CbbDefOp--母聯(lián)斷路器分閘位置、CbbDefCl--母聯(lián)斷路器合閘位置、StartXfer--快切啟動(dòng)信號(hào)、Protection1--進(jìn)線一段保護(hù)起動(dòng)。（1）在t＝0ms時(shí)刻，進(jìn)線1發(fā)生三相短路故障，光纖縱差保護(hù)裝置檢測(cè)到短路故障。（2）經(jīng)過(guò)20ms反應(yīng)時(shí)間，在t＝20ms時(shí)，光纖縱差保護(hù)裝置向進(jìn)線1斷路器CB1發(fā)出跳閘命令，同時(shí)向快速切換裝置發(fā)出光差啟動(dòng)信號(hào)。快速切換裝置啟動(dòng)。（3）經(jīng)過(guò)10ms反應(yīng)時(shí)間，在t＝30ms時(shí)快速切換裝置向CB1發(fā)出跳閘命令（但此次命令失效，因光纖縱差保護(hù)裝置已發(fā)過(guò)此命令），同時(shí)向母聯(lián)斷路器CBB發(fā)出合閘命令。CB1跳閘時(shí)間30 ms，CBB合閘時(shí)間40ms。（4）在t＝50ms時(shí)，CB1跳閘成功。（5）在t＝70ms時(shí)，CBB合閘成功。

圖4 “進(jìn)線電纜短路”故障錄波

2.2 事故仿真分析

（1）進(jìn)線1段母線殘壓曲線

極坐標(biāo)圖5顯示了饋線電源故障后母線殘壓的幅值、相角等信息，說(shuō)明在母線失壓后，由于負(fù)荷大多是感應(yīng)電機(jī)，母線電壓不會(huì)立刻為零，而需要一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間的衰減過(guò)程。

（2）進(jìn)線1段電纜三相短路母線殘壓

按照進(jìn)線電纜三相短路故障錄波圖4的時(shí)序進(jìn)行仿真。當(dāng)故障發(fā)生后，觀察故障段母線動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，其電壓幅值、頻率和角度是不斷變化的，極坐標(biāo)圖6為母線一段三相短路故障后殘壓特性圖，圖中分別顯示了幾個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，這些數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)鍵角度和關(guān)鍵時(shí)間，為快速切換裝置成功切換提供依據(jù)。在系統(tǒng)仿真過(guò)程中，仍考慮電網(wǎng)初始相角的基準(zhǔn)值，電網(wǎng)的初始角度為0度，故障段母線正常運(yùn)行初始相角-1.12度；0.500s時(shí)，一段母線電源三相短路故障，電壓幅值瞬間低于正常電壓幅值的5%，相角瞬間-46.41度；0.521s時(shí)，快速切換裝置接收到故障信號(hào)并啟動(dòng)，同時(shí)變電所微機(jī)保護(hù)裝置發(fā)出故障段電源斷路器斷開(kāi)指令，此時(shí)母線電壓幅值百分?jǐn)?shù)為2.95%，相角-55.04度；0.551s時(shí)，故障段斷路器保護(hù)斷開(kāi)，故障段電源切除后，由于母線上電機(jī)負(fù)荷的殘壓效應(yīng)，電壓繼續(xù)衰減。

（3）切換過(guò)程母線殘壓變化曲線

切換過(guò)程母線殘壓變化曲線如極坐標(biāo)圖7所示，根據(jù)快速切換判據(jù)分析可知，三相短路故障發(fā)生時(shí)，不滿足快速切換判據(jù)，系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)快速切換。

根據(jù)快速切換裝置工作原理，若快速切換條件不滿足，快速切換裝置立刻對(duì)首次同期切換判據(jù)和殘壓切換判據(jù)進(jìn)行并列判斷。當(dāng)故障發(fā)生20ms（0.521s）后，快速切換裝置開(kāi)始檢測(cè)切換判據(jù)，30ms（0.551s）后故障段電源斷路器斷開(kāi)。由圖6中數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)不滿足首次同期切換的相位差第一次同相的判據(jù)條件，不執(zhí)行首次同期切換。

而根據(jù)殘壓切換判據(jù)：① 母線殘壓衰減到低于設(shè)定值時(shí)合上備用電源，一般設(shè)定范圍為20%～55%的額定電壓，即Ubusbur≤（20%～55%）；② 備用電源電壓Ustand-by大于設(shè)定值，設(shè)定值為正常電壓的80%，即Ustand-by≥80%UNormal。

綜上所述，仿真研究表明，進(jìn)線電纜發(fā)生三相短路故障啟動(dòng)快速切換的原因是快速而不是“慢速”殘壓切換判據(jù)。與系統(tǒng)實(shí)際發(fā)生的過(guò)程相一致。

（4）電動(dòng)機(jī)電流曲線

選擇一段母線的兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)電流曲線如圖8所示，故障切換過(guò)程中，故障母線上電機(jī)負(fù)荷的電流兩次發(fā)生變化。故障后，電機(jī)電流迅速發(fā)生變化，當(dāng)母聯(lián)斷路器閉合后，電機(jī)所在母線電壓迅速恢復(fù)（如極坐標(biāo)圖7所示），電流瞬間上升，超過(guò)兩倍的額定電流值。但未達(dá)到保護(hù)整定值，因而電機(jī)保護(hù)未動(dòng)作。在雙電源快速切換過(guò)程中，故障段電機(jī)負(fù)荷保證了不間斷供電運(yùn)行，達(dá)到了快速切換裝置的應(yīng)用目的。

圖8 切換過(guò)程中電機(jī)電流

（5）快速切換時(shí)保護(hù)動(dòng)作分析

母聯(lián)開(kāi)關(guān)和電動(dòng)機(jī)保護(hù)的電流保護(hù)整定值及其母聯(lián)開(kāi)關(guān)合閘時(shí)的沖擊電流見(jiàn)表1。由表1數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)發(fā)生進(jìn)線電纜三相短路故障時(shí)，母聯(lián)開(kāi)關(guān)合閘時(shí)的母聯(lián)開(kāi)關(guān)和電動(dòng)機(jī)保護(hù)的沖擊電流不大于電流保護(hù)整定值。因此，母聯(lián)開(kāi)關(guān)合閘成功。說(shuō)明ETAP軟件仿真與實(shí)際系統(tǒng)發(fā)生過(guò)程相一致。

表1 母聯(lián)開(kāi)關(guān)和電動(dòng)機(jī)保護(hù)動(dòng)作分析

3 結(jié)束語(yǔ)

雙電源切換的快速性和可靠性對(duì)于現(xiàn)代化大型企業(yè)供電系統(tǒng)的運(yùn)行，尤其是事故工況下的快速切換，是極其重要的。雙電源切換成功可以縮短事故范圍，減少負(fù)荷損失，消除企業(yè)不安全隱患。論文通過(guò)對(duì)某變電所實(shí)際系統(tǒng)發(fā)生的進(jìn)線電纜三相短路故障的ETAP軟件雙電源快速切換仿真分析表明，在發(fā)生進(jìn)線電纜三相短路故障快速切換過(guò)程中，母聯(lián)開(kāi)關(guān)合閘時(shí)母聯(lián)開(kāi)關(guān)保護(hù)和電動(dòng)機(jī)保護(hù)的沖擊電流不大于電流保護(hù)整定值，但快速切換裝置的切換成功并不滿足快速切換的四個(gè)條件判據(jù)，母聯(lián)開(kāi)關(guān)合閘成功的原因是滿足因三相短路故障母線電壓迅速降低，即殘壓衰減快，而不是傳統(tǒng)認(rèn)為的“慢速”殘壓切換條件判據(jù)。同時(shí)表明，ETAP軟件能為快速切換裝置的參數(shù)整定提供可靠的理論依據(jù)。

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