快切裝置與UPS在同步電機(jī)勵(lì)磁電源供電系統(tǒng)中的配合使用

劉世英

前言

在鋼鐵企業(yè)中為高爐送風(fēng)的風(fēng)機(jī)采用同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，為了保證高爐運(yùn)行的穩(wěn)定，高爐風(fēng)機(jī)同步電機(jī)勵(lì)磁電源要求較高，允許電壓波動(dòng)在200 ms以?xún)?nèi)。因此為了保證勵(lì)磁電源波動(dòng)小，湘鋼選用ABB SUE3000電源快速切換裝置。

1　快切裝置對(duì)供電系統(tǒng)的要求

供電線(xiàn)路中快速切換裝置為不間斷供電提供了保證。通過(guò)快速自動(dòng)切換到備用電源，保證了不間斷的供電，避免了輔機(jī)因電源瞬時(shí)波動(dòng)造成的停機(jī)。在此系統(tǒng)中為實(shí)現(xiàn)不間斷的供電，應(yīng)保證至少有兩個(gè)同步且相互獨(dú)立的供電電源。即：雙電源加母聯(lián)的配置方式（雙電源均合閘，母聯(lián)備用），故障時(shí)故障斷路器分閘，母聯(lián)合閘。

快切裝置對(duì)電源及設(shè)備的要求如下：

（1）2個(gè)在正常狀態(tài)下相互獨(dú)立且同步的電源電源。

（2）具有3臺(tái)短操作時(shí)間的斷路器（＜50 ms）。

圖1　系統(tǒng)狀態(tài)示意圖

（3）負(fù)荷適合于快速切換，電源短時(shí)切換對(duì)負(fù)載無(wú)影響。

2　快切裝置在供電系統(tǒng)中的切換模式

ABB SUE3000快切裝置提供了4種基本切換模式：

（1）快速切換，（2）首次同相切換，（3）剩余電壓切換，（4）延時(shí)切換。

4種切換方式的優(yōu)先級(jí)順序?yàn)椋嚎焖偾袚Q＞首次同相切換＞剩余電壓切換＞延時(shí)切換。

2.1　延時(shí)切換

延時(shí)切換是作為保證安全的措施，一般發(fā)生在因進(jìn)線(xiàn)電源跳閘電壓降低，SUE3000快切裝置運(yùn)行一個(gè)設(shè)定延時(shí)的啟動(dòng)，在一個(gè)固定的時(shí)間內(nèi)備用電源合閘。湘鋼延時(shí)設(shè)定為10 s。因此，延時(shí)切換方式僅作為安全備用方式。延時(shí)切換在華菱湘鋼公司安裝使用SUE3000快切裝置后一直沒(méi)有發(fā)生過(guò)。

2.2　剩余電壓切換方式

剩余電壓切換方式是只有當(dāng)母線(xiàn)電壓下降到足夠低的殘壓值，才可合上備用電源，這樣切換后的暫態(tài)過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響（暫態(tài)振蕩，電流重新升高，電壓下降）。合閘時(shí)不判斷相角或頻率差，這是不同步的切換方式。

湘鋼使用SUE3000快切裝置后發(fā)生過(guò)多次剩余電壓切換方式，因線(xiàn)路中故障不同，若線(xiàn)路中發(fā)生相間間斷拉弧，造成電壓波動(dòng)但是電源開(kāi)關(guān)沒(méi)有及時(shí)跳閘這樣將影響SUE3000快切裝置的判斷造成合閘時(shí)間延長(zhǎng)，當(dāng)動(dòng)作時(shí)間大于200 ms時(shí)就不能滿(mǎn)足勵(lì)磁電源的要求，引起電動(dòng)風(fēng)機(jī)停機(jī)。若動(dòng)作時(shí)間小于200 ms時(shí)通過(guò)勵(lì)磁裝置自動(dòng)調(diào)整，同步電機(jī)還可恢復(fù)同步運(yùn)行，不會(huì)引起電動(dòng)風(fēng)機(jī)停機(jī)。

剩余電壓切換動(dòng)作曲線(xiàn)圖和本場(chǎng)剩余電壓切換時(shí)間見(jiàn)圖2。

圖2　剩余電壓切換動(dòng)作曲線(xiàn)圖和本場(chǎng)剩余電壓切換時(shí)間

2.3　首次同相切換

首次同相切換中有故障的電源應(yīng)立即分閘，與其相聯(lián)的用電設(shè)備上的電壓將按其固有的特性曲線(xiàn)衰減。此時(shí)母線(xiàn)電壓向量繞備用電源電壓向量旋轉(zhuǎn)，在備用電源和母線(xiàn)電壓差值第一次到達(dá)最小值時(shí)發(fā)出合閘命令，即相角差為零時(shí)實(shí)現(xiàn)切換。為補(bǔ)償電力設(shè)備固有時(shí)間，合閘命令是在實(shí)際最小值到達(dá)之前發(fā)出的，與此相關(guān)的時(shí)間允許誤差是在裝置中設(shè)定好的。但是首次同相切換總動(dòng)作時(shí)間大于80 ms，小于200 ms，在同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足同步電機(jī)運(yùn)行要求。

圖3　勵(lì)磁系統(tǒng)向量圖和曲線(xiàn)圖

2.4　快速切換

快速切換是SUE3000快切裝置最常用和最重要的切換方式。在故障發(fā)生時(shí)切換啟動(dòng)瞬間，如主故障電源和備用電源之間的相角差、頻差在定值范圍之內(nèi)。此時(shí)快切裝置就會(huì)同步發(fā)出斷路器的分、合閘命令。這種情況下的無(wú)電流切換時(shí)間只取決于斷路器分、合閘的時(shí)間差。斷路器（Emax系列使用SACE PR21/P脫扣器）分、合閘時(shí)間在數(shù)毫秒內(nèi)，其無(wú)電流切換時(shí)間約為10～20 ms，因此可認(rèn)為電源切換是在不斷電的情況下實(shí)現(xiàn)的。因此快速切換方式完全滿(mǎn)足同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足同步電機(jī)運(yùn)行要求，同時(shí)對(duì)所帶的接觸器負(fù)載沒(méi)有任何擾動(dòng)，能夠適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)要求。

圖4為2015年1月快切裝置動(dòng)作曲線(xiàn)圖和切換時(shí)間。

圖4　裝置實(shí)際動(dòng)作曲線(xiàn)和狀態(tài)顯示

SUE3000快切裝置根據(jù)系統(tǒng)的物理狀態(tài)選擇最優(yōu)的切換模式。在同步電機(jī)勵(lì)磁電源供電系統(tǒng)中在故障時(shí)為使電源斷電時(shí)間最短，快速切換方式是最優(yōu)的切換方式。如果電網(wǎng)狀態(tài)不允許這種切換方式，則選擇其他速度稍慢的切換方式。

但是為了保證同步電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，需為同步電機(jī)勵(lì)磁電源供電系統(tǒng)提供良好的環(huán)境，保證勵(lì)磁電源電纜及斷路器運(yùn)行穩(wěn)定，避免造成因故障點(diǎn)拉弧造成SUE3000快切裝置快速切換模式啟動(dòng)滯后，延長(zhǎng)動(dòng)作時(shí)間造成同步電機(jī)因勵(lì)磁電源間斷時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而停機(jī)。

3　快切裝置關(guān)鍵參數(shù)設(shè)定

SUE3000快切裝置的一個(gè)特別重要的特性是連續(xù)跟蹤計(jì)算同步判據(jù)的條件，每時(shí)每刻比較母線(xiàn)電壓和備用電源的電壓，因此在收到啟動(dòng)命令的同時(shí)，切換的模式已得到確定，這意味著快切成功的概率大大提高。

該裝置對(duì)被測(cè)電壓的相角差、頻率差和幅值具有以下同步判據(jù)：

（1）相角差：φ＜φmax

相角差指母線(xiàn)電壓和備用電源電壓之間相角之間的差。構(gòu)成同步判據(jù)的相角差臨界值可根據(jù)超前或滯后的母線(xiàn)電壓分別進(jìn)行調(diào)整。本廠(chǎng)裝置設(shè)定φmax=±10 dg。

（2）頻率差：Δf＜Δfmax

頻率指母線(xiàn)電壓和備用電源電壓的頻率之間的差。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)轉(zhuǎn)特性并指示是否允許切換。本廠(chǎng)裝置設(shè)定Δfmax=2 Hz。

（3）備用電源電壓：UStand-by＞Umin1

只有當(dāng)備用電源電壓存在時(shí)SUE3000方可執(zhí)行切換。本廠(chǎng)裝置設(shè)定Umin1被整定為正常電壓的80%，母線(xiàn)電壓 UBusbar＞Umin2。

如果母線(xiàn)電壓值低于設(shè)定電壓值U（本廠(chǎng)裝置設(shè)定U為正常電壓值的63%），則不允許進(jìn)行切換。

4　快切裝置的操作與維護(hù)

正常運(yùn)行中快切裝置一直處于“Ready”狀態(tài)，如果出現(xiàn)快切裝置動(dòng)作的情況，在快切裝置面板上將會(huì)出現(xiàn)“紅色”指示燈報(bào)警，同時(shí)監(jiān)控畫(huà)面中開(kāi)關(guān)狀態(tài)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。如果動(dòng)作成功，可以在“事件”菜單中查看切換的模式以及切換的時(shí)間，可在“報(bào)警”菜單中查看相應(yīng)的報(bào)警情況，如果故障處理完畢電源恢復(fù)正常狀態(tài)，則所有的報(bào)警將可在“復(fù)歸”菜單中復(fù)歸（復(fù)歸時(shí)，每條報(bào)警逐一復(fù)歸）；若切換失敗則引起相應(yīng)段母線(xiàn)失電，造成本段運(yùn)行設(shè)備停機(jī)可能造成同步電機(jī)失磁，同步電動(dòng)機(jī)停機(jī)。

在電源恢復(fù)正常后可直接在SUE 3000快切裝置上操作，可在“命令”菜單總選擇相應(yīng)的運(yùn)行方式即可恢復(fù)原運(yùn)行方式。

正常運(yùn)行中此裝置運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性高，維護(hù)量很小，只要按正常的點(diǎn)巡檢周期查看裝置的運(yùn)行狀態(tài)和各電源電壓，電流指示即可。

5　結(jié)束語(yǔ)

在現(xiàn)場(chǎng)的使用中，多次出現(xiàn)了電源撤回的情況，快切裝置都啟動(dòng)了剩余電壓切換模式，并且切換時(shí)間大都小于200 ms，沒(méi)有影響同步電機(jī)的正常運(yùn)行，沒(méi)有影響高爐風(fēng)機(jī)的運(yùn)行，因此安裝SUE3000快切裝置基本能夠滿(mǎn)足同步電機(jī)勵(lì)磁電源的運(yùn)行要求，可為現(xiàn)場(chǎng)電動(dòng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行提供保證。