工業(yè)企業(yè)供電切換技術的分析探索構架

黃俊亮

（江西銅業(yè)集團德興銅礦，江西 上饒334224）

1 引言

在我國電力系統(tǒng)中，110 kV及以下電壓等級的供電系統(tǒng)中，一般都設置有一用一備兩個獨立電源。在正常情況下，系統(tǒng)主要依靠工作電源供電，而當工作電源出現故障，或者需要進行檢修維護時，為了避免供電的中斷，需要及時切換為備用電源。供電切換技術在很多大型工業(yè)企業(yè)中得到了應用，不過從實際情況分析，技術本身有著一定的適用性，在部分場合并不能取得理想效果，因為其會受到系統(tǒng)網絡結構、負荷特性以及運行方式等的影響，需要技術人員做好優(yōu)化和改進[1]。

2 供電切換技術的基本原理

結合110kV供電系統(tǒng)接線圖分析（見圖1），2條進線代表了2個獨立電源，這里將進線1作為正常工作電源，進線2作為備用電源。

圖1 110 kV供電系統(tǒng)接線圖

若系統(tǒng)中的工作電源出現故障或者需要維護，則進線1中的1QF斷路器斷開，2QF斷路器以及3QF母聯斷路器閉合。在這種情況下，進線1的所有負荷會被轉移到進線2，以此來實現供電切換。

依照不同的切換判據，可以將供電切換的形式分為3種：

1）殘壓切換，其判據是工作電源運行線路存在的殘壓幅值，當工作電源斷開后，線路殘壓幅值會逐漸減小，而當其小于20%~40%的設定值時，控制系統(tǒng)就會自動實施供電切換；

2）快速切換，指在安全區(qū)域內，將頻率與相位差的變化作為投切依據，當其變化小于設定值時，就會自動切換，可以保證電機轉速的相對穩(wěn)定性，減輕沖擊力度；

3）首次同相切換，判據是母線殘壓和備用電源的相角差。當切斷工作電源后，母線殘壓頻率與相位角會逐漸發(fā)生變化，而備用電源的平頻率和相位角則基本保持固定，所謂首次同相切換，就是工作電源斷開后，殘壓和備用電源電壓第一次出現同相位時，進行供電切換[2]。

3 工業(yè)企業(yè)供電切換技術的分析探索

在實施供電切換的過程中，應該關注2個方面的問題：

1）必須保證供電切換的時效性。無論是維護還是故障，只要工作電源切斷，備用電源就需要快速切換，切換的時間應控制在0.8~1.0 s，這樣才能保證電力系統(tǒng)供電的可靠性和連續(xù)性，避免對工業(yè)企業(yè)生產活動造成負面影響。

2）必須保證供電切換的穩(wěn)定性。穩(wěn)定性指在工作電源與備用電源切換時，必須盡量減少對于供電系統(tǒng)的沖擊，保障系統(tǒng)運行安全。從工業(yè)企業(yè)的角度，在對供電切換技術進行探索和應用的過程中，需要對自身的負荷特性進行科學分析，確保供電切換技術的優(yōu)勢能夠得到充分發(fā)揮[3]。

3.1 企業(yè)負荷特性分析

當前，供電切換技術主要被用于電網企業(yè)和大型工業(yè)企業(yè)，電網企業(yè)的負荷包含了旋轉負荷、恒功率負荷以及恒阻抗負荷，三者在電動機負荷中的占比為3∶3∶4；工業(yè)企業(yè)中，以旋轉負荷的占比達到90%以上，從保障生產安全的角度，大型工業(yè)企業(yè)還會自備電廠，不過因為電廠規(guī)模和容量相對有限，一般只能夠帶動部分重要負荷，無法為全部負荷提供電力支持。

3.2 供電切換技術分析

系統(tǒng)工作電源斷開后，旋轉負荷數量以及自備電廠等因素會在一定程度上影響系統(tǒng)母線中的殘壓幅值和頻率、相位等，繼而影響供電切換的判據，導致供電切換無法順利實施?；诖?，需要結合不同系統(tǒng)的特點，制訂具備良好可行性的供電切換方案。對于一些大型工業(yè)企業(yè)，一般都會設置自備電廠，當主電源切斷后，備用電廠雖然無法帶動企業(yè)的全部負荷，但是能夠減緩母線電壓幅值與相位的變化速度，適當延長滿足供電切換判據的時間。在這種情況下，無論是殘壓切換還是首次同相切換，都無法很好地滿足企業(yè)供電切換對于時效性的要求，因此，一般會選擇快速切換的方式。

供電切換會受到很多因素的影響，其中又以系統(tǒng)運行方式和負荷特性的影響最大。若系統(tǒng)中只有少量旋轉負荷，供電切換時可以選擇殘壓切換或者首次同相切換；若系統(tǒng)中的旋轉負荷較多，可以分為兩種情況：一是企業(yè)自備電廠停運，應該選擇首次同相切換；二是企業(yè)自備電廠投運，應該選擇快速切換。

4 仿真計算

4.1 殘壓切換

在針對殘壓切換進行仿真計算的過程中，需要考慮2種不同的情況：（1）旋轉負荷小，沒有發(fā)電機；（2）旋轉負荷大，有發(fā)電機。對照相應的仿真曲線分析，第一種情況在工作電源失壓后，母線電壓幅值迅速下降，在很短的時間內就會達到設定值，仿真模擬顯示，若工作電源在2.0 s附近失壓，則0.68 s后，供電切換完成?；诖?，對于旋轉負荷小且沒有發(fā)電機的供電系統(tǒng)，可以借助殘壓切換的方式完成供電切換。第二種情況中因為旋轉負荷較大，工作電源試壓后，母線電壓幅值的下降速度較慢，需要經過接近5 s的時間，才能夠滿足殘壓切換的判據，但這個切換時間顯然無法滿足供電切換對于時效性的要求?；诖?，殘壓切換僅適用于存在少量旋轉負荷且沒有發(fā)電機的供電系統(tǒng)[4]。

4.2 快速切換

如果供電系統(tǒng)中存在有自備電廠，則無論是殘壓切換還是首次同相切換，都無法很好地滿足供電切換的需求，在這種情況下，就需要采用快速切換的方法。當供電系統(tǒng)中同時存在有大量旋轉負荷以及自備電廠時，受發(fā)電機的影響，工作電源母線電壓的變化速度會減緩，借助快速切換實現電源斷電后，需要對系統(tǒng)相差和頻差進行分析，在斷電后迅速完成供電切換，避免了其對于供電系統(tǒng)的影響。

4.3 首次同相切換

對于存在大量旋轉負荷，同時沒有設置發(fā)電機的供電系統(tǒng)，工作電源斷開后，母線電壓相位會在很短的時間內，實現與備用電源電壓同相，然后經過約0.4 s完成供電切換，切換時因為二者同相，基本不會引發(fā)大的沖擊。而對于存在大量負荷同時又設置有發(fā)電機的供電系統(tǒng)，工作電源斷開后，因為發(fā)電機的影響，母線電壓相位下降較慢，供電切換的時間會延長到0.85 s，這樣會導致電源投切時效性的下降，無法很好地滿足供電切換需求。因此，對旋轉負荷較大的供電系統(tǒng)而言，可以采用首次同相切換的方式，保證電源投切的效果。但是，如果系統(tǒng)中有發(fā)電機，則首次同相時間會延長，需要將發(fā)電機的容量以及運行狀態(tài)考慮在內，做好仿真計算，看首次同相切換是否能夠滿足供電切換的要求[5]。

5 結論

1）殘壓切換適用于存在少量旋轉負荷的供電系統(tǒng)，若系統(tǒng)中旋轉負荷較大，或者存在發(fā)電機，這種切換方式無法滿足實際需求。

2）首次同相切換可以很好地適應大旋轉負荷系統(tǒng)的需求。但是，在面對存在有發(fā)電機或者自備電廠的供電系統(tǒng)時，存在時效性不足的問題。

3）快速切換能夠很好地滿足不同特性負荷系統(tǒng)的供電切換需求，適用于存在大量旋轉負荷且設置有自備電廠的供電系統(tǒng)，有著其他兩種切換方式無法比擬的優(yōu)點。