快切與傳統(tǒng)備自投系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)分析

羅文新 崔春全 張宏達(dá) 楊連艷

摘 要：以SUE3000快切裝置為例，闡述了快切系統(tǒng)工作原理、使用條件，對(duì)比分析了傳統(tǒng)備用電源自投系統(tǒng)與快速切換裝置的優(yōu)缺點(diǎn)以及在化工企業(yè)連續(xù)生產(chǎn)裝置使用快切的必然趨勢(shì)，同時(shí)提出了快切裝置在使用中應(yīng)注意的事項(xiàng)。

關(guān) 鍵 詞：快速切換；備自投；單母線分段

中圖分類號(hào)：TE 624 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： M 文章編號(hào)： 1671-0460（2016）04-0856-04

Abstract： Taking SUE3000 fast switching as an example， the working principle and using conditions of the fast switching system were introduced. Advantages and disadvantages of traditional standby power source automatic switching system and the fast switching system were analyzed. Some attentions during using the fast switching device were put forward.

Key words： fast switching； standby power source automatic switch； single-bus section

煉化企業(yè)生產(chǎn)裝置對(duì)供電平穩(wěn)性要求很高，一般按二級(jí)負(fù)荷設(shè)計(jì)[1]，因此平穩(wěn)供能尤為重要。而供電過(guò)程中，高壓系統(tǒng)晃電是影響供電質(zhì)量的主要因素之一，電網(wǎng)波動(dòng)或瞬時(shí)失電均可能造成整個(gè)化工裝置生產(chǎn)波動(dòng)甚至是停車事故。目前，大部分生產(chǎn)裝置均采用傳統(tǒng)的備用電源自動(dòng)投入裝置（簡(jiǎn)稱備自投）來(lái)保證連續(xù)供能，經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行，逐步顯現(xiàn)出其啟動(dòng)速度慢、切換方式單一以及瞬間斷電等諸多缺點(diǎn)。遼陽(yáng)石化公司通過(guò)引進(jìn)ABB SUE3000快切裝置，完成了對(duì)原有母聯(lián)備自投裝置技術(shù)升級(jí)改造工作，在保留原有母聯(lián)備自投所有功能外，通過(guò)快切裝置，實(shí)現(xiàn)了在電網(wǎng)同步性的前提下，系統(tǒng)電源故障及晃電時(shí)還能真正實(shí)施快速有效的切換，保證了供電系統(tǒng)的連續(xù)性，也提高了供電系統(tǒng)的安全性，取得了良好的效果。

1 傳統(tǒng)備自投裝置介紹

1.1 自投保護(hù)啟動(dòng)

廠級(jí)變電所高壓一次系統(tǒng)主接線一般為單母線分段設(shè)置，母聯(lián)開(kāi)關(guān)設(shè)備自投裝置。系統(tǒng)正常運(yùn)行方式為：高壓進(jìn)線Ⅰ和進(jìn)線Ⅱ解列運(yùn)行，母聯(lián)開(kāi)關(guān)處于熱備用狀態(tài)。只有同時(shí)滿足以下基本條件后備自投保護(hù)才會(huì)啟動(dòng)：

（1）故障母線低電壓跳閘（80%UN以下，延時(shí)1.0 s左右，考慮上下級(jí)配合適當(dāng)調(diào)整）；

（2）兩段母線不能同時(shí)出現(xiàn)欠電壓（常規(guī)做法是兩母線電壓同時(shí)低于70%UN時(shí)，兩進(jìn)線電源低電壓保護(hù)均不動(dòng)作，閉鎖母聯(lián)備自投）；

（3）故障母線開(kāi)關(guān)為非過(guò)流保護(hù)動(dòng)作跳閘（任何一進(jìn)線開(kāi)關(guān)過(guò)電流保護(hù)跳閘，閉鎖母聯(lián)備自投）；

（4）故障段母線殘壓低于40%UN；

（5）備用饋線母線電壓不得低于90%UN。

啟動(dòng)后，切換順序?yàn)橄妊訒r(shí)跳開(kāi)故障段進(jìn)線開(kāi)關(guān)，后投入母聯(lián)開(kāi)關(guān)，動(dòng)作時(shí)間一般在1 000 ms以上，切換時(shí)間較長(zhǎng)，直接導(dǎo)致間斷供電現(xiàn)象。

1.2 傳統(tǒng)備自投系統(tǒng)技術(shù)分析

傳統(tǒng)備自投裝置的使用，可提高供電可靠性和連續(xù)性，在發(fā)生電網(wǎng)事故或線路故障時(shí)，保證供電的連續(xù)性，在化工生產(chǎn)裝置運(yùn)行中起到了積極的作用。但在實(shí)際運(yùn)行中，也存在以下缺陷：

首先，由于傳統(tǒng)備自投裝置無(wú)檢測(cè)相位、頻率等手段，無(wú)法檢測(cè)電源相位、頻率等運(yùn)行參數(shù)，只能通過(guò)檢測(cè)電壓幅值信號(hào)來(lái)判斷電源運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)電源出現(xiàn)故障，供電中斷時(shí)，故障母線殘壓逐步降低，高低壓電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電流增加，高壓電機(jī)低電壓或過(guò)流保護(hù)動(dòng)作跳閘，該段變壓器所帶低壓電動(dòng)機(jī)交流接觸器欠壓脫扣或變頻器斷電，使得電機(jī)停運(yùn)，故障段母線殘壓直線下降，此后備自投保護(hù)啟動(dòng)，先跳開(kāi)故障母線進(jìn)線開(kāi)關(guān)，后合母聯(lián)開(kāi)關(guān)，恢復(fù)故障段母線受電，過(guò)程中由于出現(xiàn)間斷供電，對(duì)生產(chǎn)造成較大波動(dòng)。

通過(guò)母聯(lián)將備用電源再投入時(shí)，由于化工生產(chǎn)裝置的電動(dòng)機(jī)均帶自啟動(dòng)功能，特別是大容量電機(jī)自啟動(dòng)電流遠(yuǎn)大于額定電流，大批量電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，容易拉低母線電壓，造成惡性循環(huán)，其結(jié)果是導(dǎo)致電機(jī)啟動(dòng)失敗，甚至使剛投入的母聯(lián)開(kāi)關(guān)由于大電流沖擊而保護(hù)跳閘；或由于供電回路電流瞬間增加，對(duì)于整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)形成沖擊，如廠變上級(jí)供電系統(tǒng)沒(méi)有及時(shí)調(diào)整，可能會(huì)造成上級(jí)供電系統(tǒng)電壓瞬時(shí)下降乃至瓦解，造成更大生產(chǎn)事故。

其次，傳統(tǒng)備自投系統(tǒng)線路接點(diǎn)過(guò)多，接線復(fù)雜，繼電器數(shù)量多，繼電器的狀態(tài)及接點(diǎn)正常與否不直觀，對(duì)備自投充電滿足條件不明確，發(fā)生故障時(shí)不易判斷處理，還存在某個(gè)繼電器或節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)容易造成拒動(dòng)或誤動(dòng)問(wèn)題。這些不利因素也制約著傳統(tǒng)備自投保護(hù)作用的發(fā)揮。

2 快切裝置SUE3000工作原理及使用

隨著科技的飛速發(fā)展，電氣技術(shù)創(chuàng)新取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，真空斷路器可以實(shí)現(xiàn)快速合分閘，使得快切技術(shù)得以應(yīng)用，較好地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)備自投裝置的缺點(diǎn)，迅速應(yīng)用于供電系統(tǒng)，為保證裝置平穩(wěn)供電提供了技術(shù)保障。

2.1 邏輯處理和高精度的模擬信號(hào)處理功能

主要表現(xiàn)在饋線狀態(tài)與操作特性兩個(gè)方面。邏輯量即三臺(tái)斷路器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)節(jié)點(diǎn)、位置節(jié)點(diǎn)、開(kāi)關(guān)儲(chǔ)能點(diǎn)等均進(jìn)入快切保護(hù)裝置，通過(guò)內(nèi)部PLC的編程實(shí)現(xiàn)各類邏輯聯(lián)鎖條件。模擬量通過(guò)CT、PT采集，采集后的電流和電壓的模擬量進(jìn)入接口電路， 進(jìn)入裝置的電流電壓信號(hào)通過(guò)內(nèi)部的數(shù)學(xué)模型計(jì)算，將電流分解成正序電流、負(fù)序電流、零序電流分量，根據(jù)故障狀態(tài)下各電流的分量達(dá)到整定值要求從而實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)、負(fù)序保護(hù)和接地保護(hù)等；進(jìn)入保護(hù)器的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換計(jì)算后，該裝置時(shí)刻比較兩母線電壓。經(jīng)邏輯判斷后實(shí)現(xiàn)欠壓轉(zhuǎn)換、過(guò)壓報(bào)警、系統(tǒng)閉鎖等功能。在比較被測(cè)電壓的幅值，頻率差和相角差等參數(shù)滿足條件后，快切裝置瞬時(shí)將負(fù)荷切換到正常運(yùn)行饋線上，以保證高壓電機(jī)、變壓器等負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行。

2.2 使用條件易滿足

一般供電系統(tǒng)，只要滿足以下條件，均可使用SUE3000快切裝置，保證平穩(wěn)供電：

（1）為實(shí)現(xiàn)不間斷的電源供電，高壓負(fù)荷應(yīng)至少由兩條同步且互相獨(dú)立的饋電線路供電。一般化工企業(yè)均自帶自備電廠，只要兩饋電線路來(lái)自于兩臺(tái)獨(dú)立的變壓器，并且滿足兩線路及兩臺(tái)主變（電源）的并列條件，即可滿足。

（2）具有分合閘動(dòng)作時(shí)間較短的斷路器。斷路器的分合閘動(dòng)作時(shí)間參數(shù)對(duì)整個(gè)快切動(dòng)作時(shí)間影響起決定性作用，快速切換時(shí)間應(yīng)在30～100 ms時(shí)間內(nèi)完成，大于100 ms交流接觸器等就會(huì)欠壓脫扣或過(guò)流保護(hù)動(dòng)作，快切將失去應(yīng)有的作用。目前常用的高壓斷路器，按其分合閘時(shí)間長(zhǎng)短排序?yàn)樯儆蛿嗦菲?，SF6斷路器，真空斷路器，一般與快切配套使用應(yīng)選用分合閘時(shí)間在80 ms以內(nèi)的真空斷路器[2]。

（3）用以控制啟動(dòng)快速切換裝置的繼電器應(yīng)選用快速繼電器。

2.3 SUE3000系統(tǒng)主要參數(shù)的設(shè)定

（1）相角差?Max 是指故障母線與備用饋線（兩饋線是互為備用的）之間的相角。以此作為是否具備同步的條件，臨界值可根據(jù)超前或滯后母線分別進(jìn)行調(diào)整。通常按±20°整定，理論上，一般為滿足實(shí)現(xiàn)母聯(lián)合閘的電壓差不大于1.1UN并且高壓電機(jī)及母聯(lián)開(kāi)關(guān)繼保不動(dòng)作的條件限制，其整定值可以是±30°[3]。

（3）UStand-by > UMin1 備用饋線電壓保持正常是進(jìn)行切換的必要條件。即只有當(dāng)饋線電壓存在并滿足整定值時(shí)方可實(shí)行切換。UMin1 一般按正常電壓 UN 的80%進(jìn)行整定。

（4）UBusbar > UMin2 母線電壓監(jiān)視來(lái)判斷快切是否可以正常進(jìn)行，它和相角及頻差一樣也被視為快切的一個(gè)條件。UMin2通常設(shè)定為正常電壓UN的70%，如母線電壓低于此值，切換時(shí)將會(huì)產(chǎn)生暫態(tài)效應(yīng)，不允許進(jìn)行切換。

2.4 SUE3000使用優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)備自投裝置比較，由于設(shè)置了檢測(cè)相位、頻率等元件，SUE3000不僅可檢測(cè)電壓幅值還可檢測(cè)相位、頻率等參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)供電的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。而且裝置轉(zhuǎn)換模式首選為快速切換方式。當(dāng)發(fā)生晃電時(shí)，主饋線和備用饋線的參數(shù)在限定值范圍以內(nèi)可進(jìn)行快速切換，同步發(fā)出母聯(lián)斷路器的合閘和進(jìn)線斷路器分閘命令。在此情形下的無(wú)電流的切換時(shí)間僅取決于斷路器合分閘的時(shí)間差。對(duì)于真空斷路器而言，以VD4為例，合閘時(shí)間約為55～67 ms，分閘時(shí)間約為33～45 ms，其固有合閘時(shí)間大于分閘時(shí)間，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)從系統(tǒng)發(fā)出觸發(fā)指令到切換完畢時(shí)間約90 ms。因此可認(rèn)為切換是在不斷電的情況下完成的，對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)擾動(dòng)較小。與傳統(tǒng)備自投相比較，可保證高低壓電動(dòng)機(jī)、變壓器等重要負(fù)荷在發(fā)生晃電等故障情況下保持運(yùn)行。從快速切換波形圖中可看出，其無(wú)電流切換時(shí)間在一個(gè)周波以內(nèi)完成，約為15 ms左右，如圖1所示。

其次，SUE3000快速切換裝置按實(shí)時(shí)微處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，相對(duì)傳統(tǒng)備自投裝置而言，快速切換裝置綜合考慮整個(gè)饋電系統(tǒng)運(yùn)行的綜合情況，除可實(shí)現(xiàn)快速切換外，還具有首次同相切換（時(shí)間250～500 ms）、殘壓切換（時(shí)間400～1 200 ms）、延時(shí)切換（時(shí)間>1 500 ms）多種后備切換方式，是對(duì)主切換保護(hù)的補(bǔ)充，它還集正常操作與故障切換于一體，提高了供電系統(tǒng)的安全性。

2.5 SUE3000使用優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)

與傳統(tǒng)備自投裝置（BZT）比較，SUE3000快速切換裝置具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

（1）在某一供電饋線電壓下降或完全斷電的情況下，通過(guò)快速切換到備用電源上，由于切換速度快，對(duì)于電動(dòng)機(jī)為電感性負(fù)荷，在切換過(guò)程失去工作電源后，母線電壓并不是立即下降為零，而是通過(guò)電動(dòng)機(jī)剩余的動(dòng)能及轉(zhuǎn)子剩磁轉(zhuǎn)入異步發(fā)電狀態(tài)，使負(fù)荷母線上呈現(xiàn)出連續(xù)的電壓與頻率的逐步衰減的殘壓，由于這個(gè)殘壓的存在，保證了在備用電源快速投入前大部分電動(dòng)機(jī)及其它負(fù)荷不被切除，備用電源快速投入后再次受電連續(xù)運(yùn)行，保證化工裝置生產(chǎn)的連續(xù)性。這是SUE3000快速切換裝置最顯著的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)。

（2）具有故障自診斷與自動(dòng)處理功能?？焖偾袚Q同時(shí)發(fā)出分合閘命令，切換時(shí)間很短，保證了不間斷供電，但是，如果驅(qū)動(dòng)進(jìn)線斷路器分閘出現(xiàn)故障，不能動(dòng)作跳閘，兩個(gè)饋線電源產(chǎn)生短時(shí)的并列，SUE3000能根據(jù)預(yù)先設(shè)定立即分開(kāi)分?jǐn)嗄嘎?lián)開(kāi)關(guān)自動(dòng)解列，以防止不允許的并列。

（3）手動(dòng)啟動(dòng)快切的功能可大大簡(jiǎn)化設(shè)備的操作。由于快切裝置可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)并列切換，即可以根據(jù)同期快切準(zhǔn)則，先合母聯(lián)分段開(kāi)關(guān)，再自動(dòng)跳開(kāi)進(jìn)線開(kāi)關(guān)，這就使系統(tǒng)負(fù)荷調(diào)整操作變得即簡(jiǎn)單又可靠，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方操作，省時(shí)省力，降低操作風(fēng)險(xiǎn)。

（4）SUE3000具有多種配置方案。快切裝置具有多種自由選擇的方案與參數(shù)選項(xiàng)，可以靈活方便地編程，實(shí)現(xiàn)各種邏輯控制需要，如特殊的閉鎖與解鎖功能，以及用電負(fù)荷的減載功能等。

（5）具有故障錄波功能，便于故障分析。其錄波時(shí)間范圍為1 000 ms到5 000 ms，錄波時(shí)間由故障前和故障后兩部分組成，可分別設(shè)置時(shí)間長(zhǎng)度，可以分析故障前后系統(tǒng)狀態(tài)。

（6）多種通訊方式可以選用，提供光纖、以太網(wǎng)、RS485接口等，滿足后臺(tái)監(jiān)控等各種要求。

2.6 SUE3000實(shí)際應(yīng)用效果

目前，在廠用變電所安裝了10套SUE3000快切裝置，主要采用快切裝置與線路光差保護(hù)（進(jìn)線線路出現(xiàn)短路故障啟動(dòng)光纖縱差保護(hù)，跳開(kāi)廠變進(jìn)線及廠變上級(jí)配出開(kāi)關(guān)，快速切除故障線路）配合方式。確保線路故障與供電電源波動(dòng)均能可靠地啟動(dòng)快切裝置。同時(shí)與光差保護(hù)裝置過(guò)流啟動(dòng)信號(hào)配合，以避免穿越性故障使光差保護(hù)誤動(dòng)作，造成快切裝置誤啟動(dòng)。為了解決快速切換過(guò)程中，低壓交流接觸器由于電壓波動(dòng)主觸點(diǎn)斷開(kāi)而停機(jī)問(wèn)題，配合以低壓交流接觸器加裝防晃電輔助模塊，合理設(shè)置延時(shí)脫扣時(shí)間，保證在“晃電”時(shí)交流接觸器不脫扣，切換瞬間，交流電動(dòng)機(jī)群處于異步發(fā)電狀態(tài)，又使母線保持了較高的殘壓，既避免了其它電氣設(shè)備停機(jī)，又解決了“晃電”時(shí)交流接觸器失壓機(jī)組群停，機(jī)群同時(shí)自起問(wèn)題[4]。

裝置投運(yùn)后經(jīng)受了2次進(jìn)線失電事故的考驗(yàn)，快切裝置按事先設(shè)計(jì)的方案正確動(dòng)作，未造成裝置大的波動(dòng)，至今未發(fā)生不正確動(dòng)作情況，應(yīng)用效果顯著。

3 快切裝置使用注意事項(xiàng)

目前，快速切換裝置主要應(yīng)用于廠用變電所，為了保證其可靠動(dòng)作，降低晃電對(duì)廠用電設(shè)備及供電系統(tǒng)影響，對(duì)于快切裝置使用還應(yīng)注意以下事項(xiàng)。

（1）應(yīng)保證雙回線負(fù)荷每一回線容量滿足帶全負(fù)荷條件，上級(jí)負(fù)荷保護(hù)與功率匹配滿足要求。如果由于技術(shù)原因與供電負(fù)荷容量原因，需要對(duì)一些電機(jī)進(jìn)行減載，在毎次啟動(dòng)快切的同時(shí)，發(fā)出一個(gè)分閘命令去分相應(yīng)電機(jī)斷路器。

（2）兩高壓進(jìn)線斷路器除快切過(guò)流保護(hù)外配有單獨(dú)過(guò)電流保護(hù)時(shí)，應(yīng)將過(guò)電流保護(hù)動(dòng)作信號(hào)送至快切裝置，閉鎖低電壓?jiǎn)?dòng)快切信號(hào)，避免誤切造成故障擴(kuò)大。

（3）三臺(tái)主斷路器輔助狀態(tài)節(jié)點(diǎn)在數(shù)量滿足的前提下，應(yīng)冗余使用，禁用中間繼電器轉(zhuǎn)換后用于快切控制，避免影響動(dòng)作速度，甚至發(fā)生誤動(dòng)作故障。

（4）系統(tǒng)應(yīng)可靠接地，在高壓系統(tǒng)二次回路應(yīng)用過(guò)多的電子元件或電氣保護(hù)裝置時(shí)，系統(tǒng)接地電阻應(yīng)按防靜電接地電阻值標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)，確保接地電阻值小于1歐姆，具備條件時(shí)最好使用單獨(dú)接地網(wǎng)，以有效避免電磁干擾。

（5）設(shè)置PT斷線閉鎖功能，配有PT二次微型斷路器應(yīng)配有輔助接點(diǎn)，微型斷路器跳閘閉鎖保護(hù)動(dòng)作，以避免因假低電壓信號(hào)發(fā)生誤動(dòng)作。

（6）應(yīng)盡量避免出現(xiàn)耦合狀態(tài)。由于進(jìn)行快速切換時(shí)，分合閘指令是同時(shí)發(fā)出的，如果開(kāi)關(guān)分閘動(dòng)作時(shí)間大于合閘動(dòng)作時(shí)間，由于這個(gè)原因，某一時(shí)間段內(nèi)，保護(hù)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)斷路器處于同時(shí)合閘狀態(tài)，兩進(jìn)線中將產(chǎn)生一段耦合時(shí)間，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)實(shí)際動(dòng)作時(shí)間，合理設(shè)置裝置去耦合時(shí)間，避免出現(xiàn)快切失敗，甚至影響供電系統(tǒng)。

（7）系統(tǒng)施工后調(diào)試應(yīng)全面，尤其在帶負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)，對(duì)三個(gè)斷路器在試驗(yàn)與運(yùn)行位各種配合調(diào)試應(yīng)充分考慮，確保裝置可靠動(dòng)作，同時(shí)避免反送電現(xiàn)象的發(fā)生。

4 結(jié) 語(yǔ)

SUE3000快速切換裝置相比傳統(tǒng)備自投裝置，應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯，在易燃易爆的重要化工企業(yè)不僅大大地提高了設(shè)備的可用性，而且可有效降低由于電源波動(dòng)造成頻繁開(kāi)停車所發(fā)生的物耗和能耗，即一次成功的快速切換，可保證裝置的連續(xù)安全運(yùn)行，節(jié)省了大量重新開(kāi)車費(fèi)用，由此可補(bǔ)償整個(gè)快速切換裝置的投資費(fèi)。國(guó)內(nèi)的煉化企業(yè)一般建廠時(shí)間較長(zhǎng)，重要的化工裝置供電大部分還使用傳統(tǒng)的備自投系統(tǒng)，在滿足相應(yīng)切換條件的前提下，由快速切換裝置替代原有備自投系統(tǒng)是必然趨勢(shì)。

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