基于快切技術(shù)的高壓電源投切系統(tǒng)的研究

周雪松，周金程，馬幼捷，楊亞光，崔立強(qiáng)

(天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(天津理工大學(xué))，天津300384)

基于快切技術(shù)的高壓電源投切系統(tǒng)的研究

周雪松，周金程，馬幼捷，楊亞光，崔立強(qiáng)

(天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(天津理工大學(xué))，天津300384)

針對(duì)備自投裝置已經(jīng)不能很好地保證大型企業(yè)負(fù)荷供電的連續(xù)可靠性，為了更好地滿足企業(yè)生產(chǎn)的要求，本文提出了應(yīng)用快切技術(shù)的必要性，分析了負(fù)荷電動(dòng)機(jī)沖擊電流產(chǎn)生的機(jī)理。結(jié)合天津石化供電系統(tǒng)利用電力系統(tǒng)綜合分析程序(PSASP)進(jìn)行實(shí)例仿真，通過對(duì)仿真結(jié)果的對(duì)比分析充分說明了快切技術(shù)在電源切換和保證供電連續(xù)可靠性方面的優(yōu)越性。

快切技術(shù);供電系統(tǒng);沖擊電流

1 引言

石化、冶金等大型工業(yè)企業(yè)，由于外部電網(wǎng)或內(nèi)部供電網(wǎng)絡(luò)故障或異常的原因，造成非正常停電、電壓大幅波動(dòng)或短時(shí)斷電的情況屢見不鮮。負(fù)荷供電的連續(xù)可靠性對(duì)石化等企業(yè)具有重要意義，為了保證負(fù)荷供電可靠性，企業(yè)采用的是備有電源自動(dòng)投入裝置(簡(jiǎn)稱備自投裝置)［1-5］。但是備自投裝置在電源切換過程中，動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)，沖擊電流大，往往會(huì)造成切換的失敗。

本文基于快切裝置的快切技術(shù)提出高壓電源切換方案，并將其應(yīng)用在企業(yè)供電系統(tǒng)，用切換動(dòng)態(tài)過程的機(jī)理分析了電源切換過程中負(fù)荷電機(jī)沖擊電流的產(chǎn)生，并對(duì)天津石化供電系統(tǒng)的實(shí)例進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了快切技術(shù)在企業(yè)供電系統(tǒng)中應(yīng)用的合理性與可靠性。

2 快速切換裝置的基本原理

當(dāng)工作電源由于某種故障而失去時(shí)，母線電壓幅值會(huì)逐漸下降，此時(shí)母線上所帶的部分電動(dòng)機(jī)就會(huì)由于低電壓而脫扣停止工作，為了解決這種情況，有的企業(yè)采用備用備自投裝置將故障線路切除，并將備用電源投上，但是此時(shí)由于連接在母線上運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)的定子電流和轉(zhuǎn)子電流都不會(huì)立即變?yōu)榱悖妱?dòng)機(jī)定子繞組將產(chǎn)生變頻反饋電壓，即母線存在殘壓［6-8］。由于殘壓的存在，備自投裝置又缺乏相頻檢測(cè)等技術(shù)，所以備自投只能等母線殘壓衰減到設(shè)定值時(shí)才能動(dòng)作，否則可能對(duì)電動(dòng)機(jī)和電網(wǎng)造成電沖擊，損壞生產(chǎn)設(shè)備，造成生產(chǎn)的中斷等嚴(yán)重后果［9-11］。為了改善備自投裝置的不足，從而快速投入備用電源，故將電源快速切換裝置應(yīng)用到企業(yè)中。圖1所示為極坐標(biāo)形式的6kV母線殘壓相量圖。

圖1 母線殘壓相量圖Fig．1 Bus residual voltage vector diagram

圖1中，US為備用電源電壓;UD為母線殘壓; ΔU為母線殘壓與備用電源之間的電壓差。

合上備用電源時(shí)，電動(dòng)機(jī)承受的電壓UM為:

式中，XM為母線上電動(dòng)機(jī)組和低壓負(fù)荷折算到高壓側(cè)的等效電抗;XS為電源的等效電抗。令，則UM=KΔU。由于電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電壓不超過機(jī)端電壓的1.1倍，則有 KΔU ＜1.1Ue，從而ΔU(%)＜1.1/K，如果K=0.67，則ΔU (%)＜1.64，如圖1中的弧線A'—A″，A'—A″的右側(cè)為切換的安全區(qū)，左側(cè)為不安全區(qū);如果 K= 0.95，則ΔU(%)＜1.15，弧線為圖1所示的 B'—B″。

圖1中AB段為允許合閘范圍，假定正常運(yùn)行時(shí)工作電源與備用電源同相，其電壓相量端點(diǎn)為A，母線失壓后殘壓相量端點(diǎn)將沿殘壓曲線由 A向 B方向移動(dòng)，如能在 AB段內(nèi)合上備用電源，則稱為“快速切換”。過 B點(diǎn)后為不安全區(qū)域，不允許切換。在C點(diǎn)后至D段，快切裝置通過實(shí)時(shí)跟蹤殘壓的頻差和相角差的變化，對(duì)母線相位變化進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算分析，并根據(jù)合閘所需時(shí)間，捕捉合閘時(shí)機(jī)，使得合閘完成時(shí)備用電源電壓與母線電壓的相位差接近零度，這稱為“同期切換”。而在同期切換條件不滿足且在固定時(shí)間內(nèi)母線電壓沒有恢復(fù)到正常水平的情況下，母線電壓衰減到額定值的20% ～40%時(shí)，快切裝置進(jìn)行切換，稱為“殘壓切換”?？烨醒b置通過負(fù)荷預(yù)測(cè)、頻率變化以及相角差變化等邏輯計(jì)算，適時(shí)地將備用電源投入，使工作母線的電壓降幅度最小，持續(xù)的時(shí)間也最短，從而對(duì)負(fù)荷造成的沖擊最小。

3 實(shí)例仿真

本文以天津石化電網(wǎng)降壓站系統(tǒng)為例進(jìn)行研究分析。天津石化分公司有一個(gè)110kV降壓站，為兩臺(tái)主變配置，高、低壓側(cè)均為單母線分段接線，其中# 1主變支路所連接的6kV 651母線和#2主變支路所連接的6kV 652母線為單母線分段形式，為了保證母線上負(fù)荷供電的可靠性，在兩段母線的分段斷路器支路上裝設(shè)有備自投裝置，但是此裝置動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)，沖擊電流大，經(jīng)常影響生產(chǎn)過程的連續(xù)性。為了更有效地保證6kV母線上負(fù)荷的供電可靠性，現(xiàn)在企業(yè)用快切裝置代替原來的備自投裝置。根據(jù)石化電網(wǎng)的具體結(jié)構(gòu)和實(shí)際參數(shù)，利用PSASP軟件建立仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。

由于企業(yè)負(fù)荷中大部分為電動(dòng)機(jī)負(fù)荷，其余多為照明和生活用電，故本文采用的是容量90%的異步電動(dòng)機(jī)和10%的恒定阻抗并聯(lián)的綜合負(fù)荷模型，異步電動(dòng)機(jī)負(fù)荷模型的具體參數(shù)見表1。

圖2 石化電網(wǎng)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig．2 Petrochemical grid simulation system structure

表1 異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)Tab．1 Asynchronous motor parameters

假設(shè)6kV 651工作母線在2s時(shí)因進(jìn)線支路故障而失去工作電源，備自投裝置4s后動(dòng)作，圖3和圖4分別為備自投切換方式下系統(tǒng)的沖擊電流和沖擊電壓示意圖。

圖3 備自投切換方式下的沖擊電流Fig．3 Impulse current of reserve-source autoput-in switching mode

圖4表明當(dāng)備自投動(dòng)作時(shí)，母線殘壓已經(jīng)很小，此時(shí)母線上大部分電機(jī)已經(jīng)被分批切除，影響了生產(chǎn)的連續(xù)性。由圖3和圖4可以看出在備自投裝置動(dòng)作的過程中，電機(jī)受到的沖擊電流和沖擊電壓都很大，峰值電流和電壓的標(biāo)么值分別為 1.80pu和1.38pu，而且持續(xù)時(shí)間也比較長(zhǎng)，這樣的沖擊有時(shí)會(huì)超過設(shè)備或線路的過電流保護(hù)設(shè)定值，使保護(hù)動(dòng)作，造成電源切換的失敗。

利用快切裝置的快切技術(shù)對(duì)降壓站電網(wǎng)進(jìn)行仿真，得到母線電壓和沖擊電流的變化曲線，如圖5～圖10所示。

圖4 備自投切換方式下的電壓變化Fig．4 Bus voltage changes of reserve-source autoput-in switching mode

圖5 快速切換方式下母線電壓變化Fig．5 Bus voltage changes of quick switching mode

圖6 快速切換方式下電流變化Fig．6 Current changes of quick switching mode

由圖5和圖6可知，在快速切換過程中工作電源側(cè)的651母線電壓最小衰減到0.875pu，最大沖擊至1.150pu，暫態(tài)持續(xù)時(shí)間約為250ms;備用電源側(cè)652母線沖擊電壓為1.116pu。655支路沖擊電流為1.423pu，#2主變支路的沖擊電流為1.176pu，兩者的暫態(tài)過程持續(xù)時(shí)間均約為370ms。此時(shí)母線殘壓下降比較小，沖擊電流持續(xù)時(shí)間最短，若此時(shí)切換成功對(duì)電機(jī)的影響較小，電機(jī)也不會(huì)停機(jī)。

圖7 同期切換方式下母線電壓變化Fig．7 Bus voltage changes of same period switching mode

圖8 同期切換方式下電流變化Fig．8 Current changes of same period switching mode

圖9 殘壓切換方式下母線電壓變化Fig．9 Bus voltage changes of bus residual switching mode

由圖7和圖8可知，在同期切換過程中工作電源側(cè)的651母線電壓最小衰減至0.709pu，最大沖擊至1.177pu，暫態(tài)持續(xù)時(shí)間約為710ms;備用電源側(cè)652母線沖擊電壓為1.145pu。655支路的沖擊電流峰值為1.124pu，#2主變支路的沖擊電流峰值為 0.965pu，兩者的暫態(tài)過程持續(xù)時(shí)間均約為470ms。雖然同期切換時(shí)支路的沖擊電流比快速切換時(shí)要略小，其主要原因?yàn)榍袚Q時(shí)失電母線和備用母線的電壓相位差接近0°，使系統(tǒng)造成的沖擊電流減小，但是此時(shí)母線殘壓下降的比較多，可能會(huì)對(duì)一些非重要電機(jī)的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生一定的影響。

圖10 殘壓切換方式下電流變化Fig．10 Current changes of bus residual switching mode

由圖9和圖10可知，在殘壓切換過程中工作電源側(cè)的651母線電壓最小衰減至0.40pu，最大沖擊至1.335pu，暫態(tài)持續(xù)時(shí)間約為1.84s;備用電源側(cè)652母線沖擊電壓為1.279pu。655支路的沖擊電流峰值為 1.515pu，#2主變支路的沖擊電流為1.310pu，兩者的暫態(tài)過程持續(xù)時(shí)間均約為920ms。此時(shí)母線殘壓衰減比較嚴(yán)重，殘壓值很小，部分非重要電機(jī)有可能已停機(jī)，并且支路沖擊電流和母線沖擊電壓都比前兩種方式下大，但是與備自投情況相比沖擊電流和母線沖擊要小很多。這表明隨著母線失電時(shí)間越長(zhǎng)，電壓跌落的越低，切換時(shí)對(duì)系統(tǒng)的沖擊也越大。

4 結(jié)論

石化等大型企業(yè)在電源切換過程中應(yīng)用備自投裝置，由于差拍電壓的存在，切換時(shí)會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成很大沖擊。而快切裝置可以提高企業(yè)重要負(fù)荷的供電連續(xù)性，防止負(fù)荷失電造成損失。將該裝置的快切技術(shù)應(yīng)用在企業(yè)的供電電網(wǎng)中，代替原來的備自投裝置，可以大大減小電源切換的時(shí)間，并通過實(shí)例仿真和分析，得出應(yīng)用快切技術(shù)后的切換時(shí)間要小于備自投裝置的投切時(shí)間，并且切換過程中產(chǎn)生的沖擊電流和沖擊電壓也比備自投裝置所產(chǎn)生的小，這樣既保證了高壓電源切換的快速性，又保證了企業(yè)負(fù)荷供電的連續(xù)可靠性，具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。

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Research of high voltage power supply cutting system based on fast cutting technology

ZHOU Xue-song，ZHOU Jin-cheng，MA You-jie，YANG Ya-guang，CUI Li-qiang
(Key Laboratory for Control Theory＆Applications in Complicated Systems，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China)

Most domestic enterprises used the auto-put-in device of reserve-source．While this device has a long action time，big impulse current，and can often cause the failure of switching power supply．Considering that the auto-put-in device of reserve-source can not guarantee the continuous and reliability of the enterprise＇s load power supply，this paper proposes the necessity of using the fast cutting technology in order to better meet the production requirements．The paper also analyzes the mechanism of production of the load motor impulse current．Combining with the power supply system of Tianjin petrochemical the paper uses the PSASP simulation software to do the simulation analysis．The simulation results show fully the superiority of fast cutting technology in power switching and capability of ensuring the power supply reliability．

fast cutting technology;power supply system;impulse current

TM72

:A

:1003-3076(2014)01-0066-05

2012-05-11

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50877053);天津石化公司科技攻關(guān)項(xiàng)目(G2144-1005-0012-ZSQT)

周雪松 (1964-)，男，江西籍，教授，研究方向?yàn)殡娏﹄娮雍碗娏ο到y(tǒng)分析與控制;周金程 (1986-)，男，河北籍，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮雍碗娏ο到y(tǒng)分析與控制。