淺談廠用電切換技術(shù)的原理及影響因素

劉建成

摘 要：廠用電對工廠的安全生產(chǎn)、穩(wěn)定運(yùn)行十分重要。本文對廠用電切換的概念及切換方法進(jìn)行了分析；指出目前該領(lǐng)域的某些誤解及不足。闡述了廠用電切換的基本原理及切換方式；提出了新形勢下廠用電切換模式。

關(guān)鍵詞：廠用電切換；快速切換；電機(jī)；低電壓

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.20.197

0 引言

廠用電系統(tǒng)對工廠生產(chǎn)運(yùn)行安全十分重要，而廠用電切換是其中的重要環(huán)節(jié)，其目的是當(dāng)廠用工作電源故障時，及時退出工作電源并投入備用電源，維持連續(xù)性生產(chǎn)。目前市場上個別廠家在廠用電切換問題上大談并聯(lián)、串聯(lián)，并聯(lián)半自動等混淆視聽的概念問題，讓廣大用戶目不暇接，無所適從。本文將在切換原理、切換方式等方面系統(tǒng)闡述；同時結(jié)合筆者在工程實(shí)踐中的體會，就串、并聯(lián)切換，系統(tǒng)閉鎖條件等用戶關(guān)心的問題談?wù)勛陨淼挠^點(diǎn)，以供有關(guān)人員參考。

1 切換原理

當(dāng)廠用電斷電以后，旋轉(zhuǎn)負(fù)載的轉(zhuǎn)速不能突變，將在短時間內(nèi)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，并將轉(zhuǎn)動的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。由于各旋轉(zhuǎn)負(fù)載的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動勢能等參數(shù)不一致，此時部分異步電機(jī)轉(zhuǎn)入異步發(fā)電機(jī)運(yùn)行工況，因此廠用母線的電壓實(shí)際上是所有負(fù)載反饋電壓的合成，稱為母線殘壓，母線殘壓的幅值和頻率將隨時間逐漸衰減，殘壓和備用電源電壓間的相位差將逐漸增大。為了清楚的表示出殘壓相位的變化情況，用極坐標(biāo)形式畫出殘壓相量圖（見圖1）。

圖1中，以A為圓心，以1.64（單位長度為1）為半徑繪出弧線，其右側(cè)為備用電源合閘的安全區(qū)域。在殘壓曲線的段，實(shí)現(xiàn)的切換稱之為快速切換；BC段為切換的不安全區(qū)域，不允許切換，CD段允許切換，而在整個CD段中，與的交點(diǎn)處，ΔU最小，我們把在該處合上備用電源的切換稱為首次同相切換；母線殘壓經(jīng)過第一次同相點(diǎn)后，繼續(xù)下降，當(dāng)殘壓衰減到20%～40%時實(shí)現(xiàn)的切換稱為殘壓切換；母線電壓進(jìn)一步衰減經(jīng)過殘壓切換點(diǎn)后，延時一定時間，確保母線無壓后執(zhí)行的切換稱為延時切換。

1.1 切換選擇方式的分析

廠用電切換有3種切換選擇方式分別是串聯(lián)切換，并聯(lián)切換及同時切換；下面分析下3種切換選擇方式：

串聯(lián)切換：指先分工作進(jìn)線斷路器，確認(rèn)該斷路器分閘后，再合備用電源斷路器，串聯(lián)切換存在有以下不足：

第一：切換過程時間長，切換時間T =T1+T2+T3++T5+T2+T4+T5>190ms，已失去最好的切換時機(jī)，有可能轉(zhuǎn)至最不利的切換區(qū)間，即使切換成功，其切換質(zhì)量也不可觀。

T1 保護(hù)繼電器故障檢測時間 （約45ms）

T2快切裝置的動作時間 （約10ms）

T3 斷路器分閘時間 （約45ms）

T4 斷路器合閘時間 （約60ms）

T5 斷路器輔助接點(diǎn)響應(yīng)時間 （約10ms）

第二：母線掉電時間過長，母線掉電時間T=T5+T2+T4>80ms

第三：整個切換過程環(huán)環(huán)相扣，任何一個環(huán)節(jié)的延誤或失敗都影響切換效果，比如：切換過程與斷路器輔助接點(diǎn)動作可靠性密切相關(guān)。

并聯(lián)切換：指先合備用電源斷路器，確認(rèn)備用電源斷路器合閘后，再分工作進(jìn)線斷路器；并聯(lián)切換主要有以下限制及風(fēng)險：

在切換過程中，廠用電系統(tǒng)短路容量增大，如在并聯(lián)過程中，系統(tǒng)發(fā)生電氣故障，將造成嚴(yán)重后果。且由于系統(tǒng)接線方式和運(yùn)行方式?jīng)Q定了正常運(yùn)行時廠用母線電壓與備用電源電壓間的初始相角，若該初始角較大，并聯(lián)切換會因環(huán)流過大而不能執(zhí)行切換；即便執(zhí)行切換也面臨設(shè)備損壞事故的風(fēng)險。

同時切換：同時發(fā)出分、合閘指令去分工作以及合備用電源斷路器，同時切換其實(shí)就是真正的快速切換，闡述如下：

決定切換模式的關(guān)鍵是切換啟動瞬間的系統(tǒng)狀態(tài)，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)選擇最優(yōu)切換模式。同時切換可以在最短的時間切斷故障電源以及恢復(fù)系統(tǒng)供電，保證系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行及設(shè)備安全，是最優(yōu)的切換模式。隨著國內(nèi)電力市場的發(fā)展，國家在廠網(wǎng)建設(shè)方面的大力投資已及國外新設(shè)備、新技術(shù)的涌入，目前國內(nèi)開關(guān)行業(yè)日新月異的發(fā)展水平；斷路器的可靠性已大為提高，將以往斷路器的拒動概率應(yīng)用在今天是不合理的。如果輔以全面的閉鎖條件，比如回路監(jiān)視等，將斷路器拒動的情況限制在機(jī)構(gòu)問題上，幾率就很小了。再考慮到故障同時率，即在切換的過程中同時出現(xiàn)斷路器機(jī)構(gòu)故障的概率就更小了。國外走在我們前面的廠用電切換早已鄙棄切換對機(jī)組帶來沖擊，增長母線斷電時間的串聯(lián)切換。而我們由于過時規(guī)程、過時技術(shù)的影響，還在無原則的全面繼承“備自投”時期的串聯(lián)切換理念，將它嫁接在如今的快速切換上。如果斷路器機(jī)構(gòu)在切換過程中發(fā)生故障，我們可以采用快速自動解耦合操作將備用斷路器分閘即可；這時斷路器在并聯(lián)時間在50ms～100ms以內(nèi)，這對系統(tǒng)是安全的，因?yàn)樵O(shè)備的故障耐受時間設(shè)計為3000ms～4000ms。

關(guān)于并聯(lián)切換，這種方式存在切換過程中增大系統(tǒng)短路容量的潛在風(fēng)險。因此并聯(lián)時間應(yīng)越短越好。當(dāng)前國內(nèi)有的快切廠家鼓吹的所謂“并聯(lián)半自動”：正常切換允許自動并列合上備用斷路器后，再人工去跳閘另一個斷路器是尤其不可取的。這種操作就是BZT時期“同期合閘，人為分閘”的簡單沿襲。用在如今的快切時代，可以說是一種設(shè)計思想的倒退。

2 幾個關(guān)鍵的數(shù)據(jù)

廠用電切換是系統(tǒng)工程，它涉及到保護(hù)、斷路器、快切裝置的設(shè)計及選擇，系統(tǒng)配置及裝置運(yùn)行方式的研究，繼電保護(hù)與快切整定的配合。實(shí)際工程中，需要工程設(shè)計、安裝施工、設(shè)備調(diào)試、定值整定、使用維護(hù)的多方配合。任何無根據(jù)的選擇或相關(guān)配合失誤都是危險的。下面就幾個關(guān)鍵問題進(jìn)行闡述。

2.1 全面、系統(tǒng)的閉鎖條件

由于快速切換整體切換完成時間在100ms內(nèi)，傳統(tǒng)的BZT切換完成時間在1500ms以上。因此，很多BZT適用的閉鎖條件已經(jīng)不適用于切換速度比其快100倍以上的快速切換。比如在低電壓啟動切換中時，引入過流啟動信號來閉鎖母線故障情況下的低電壓啟動外，還有以下閉鎖條件需要考慮：

（1）分、合閘回路監(jiān)視。引入全工況的分、合閘回路監(jiān)視可以時刻了解斷路器分、合閘控制回路情況，同時結(jié)合輔助電壓完好監(jiān)視，斷路器手車位置監(jiān)視、斷路器彈簧儲能監(jiān)視等將斷路器的拒動原因降低到其機(jī)構(gòu)問題上。

（2）PT回路斷線閉鎖。靈活應(yīng)用低電壓啟動切換，可以解決許多諸如“晃電”等電源質(zhì)量問題。全面、系統(tǒng)的PT回路斷線閉鎖包括PT手車位置、PT熔絲完好情況、PT二次空開監(jiān)視等。

2.2 廠用電切換與減載功能的結(jié)合

對于不要求自啟動和不能自啟動的負(fù)載應(yīng)該切除，同時結(jié)合考慮在切換中哪些負(fù)載電流最大、最不安全，以及自啟動時輔機(jī)恢復(fù)快慢情況等。減載功能主要應(yīng)用在以下兩方面：

（1）在切換啟動的瞬間，此時切去一些不重要的負(fù)載或者是容量較小的負(fù)載以減緩母線電壓的下降速率。這種減載功能還可以用在啟備變?nèi)萘吭谠O(shè)計時不足的場合，比如幾段母線同時故障，廠用電通過快速切換同時切換到啟備變上，而啟備變?nèi)萘坑植蛔愕那闆r。

（2）在慢速切換時，比如首次同相切換時，此時母線掉電時間約為0.6s，母線電壓衰減至70%左右，電機(jī)轉(zhuǎn)速急速下降。這時通過減掉一些負(fù)載，減緩母線電壓的下降，確保重要負(fù)載繼續(xù)運(yùn)行。

2.3 首次同相切換時的注意事項(xiàng)

首次同相切換是在系統(tǒng)失去快速切換時機(jī)后，在母線電壓變幅值、變頻率、變角度的情況下，裝置捕捉母線電壓與備用電源的第一個同相點(diǎn)時進(jìn)行的切換。它是快速切換的有力后備。此時，相角差θ=3600，裝置提前一個合閘時間窗發(fā)出備用斷路器合閘命令。首次同相切換時應(yīng)注意以下2點(diǎn)。

（1） 斷路器操作時間的設(shè)定。廠用電快速切換需要具有短操作時間的斷路器，應(yīng)盡量選擇相同廠家、相同型號的斷路器。才能保證工作電源斷路器分閘快于備用電源斷路器合閘操作，而系統(tǒng)斷電時間也不至太長（一般在15s～20ms）。

由于斷路器分、合閘時間具有一定離散性；還需要較準(zhǔn)確設(shè)定斷路器的分、合閘時間。如果分、合閘時間設(shè)定不準(zhǔn)確，將導(dǎo)致首次同相切換時不能合閘到θ=3600附近。由于斷路器操作時間隨輔助電源電壓的高低而不同，在鄙棄串聯(lián)切換的情況下，應(yīng)設(shè)置輔助電源電壓100%情況下對應(yīng)的斷路器分、合閘操作時間。必要時，可在現(xiàn)場調(diào)試時，通過錄波測定斷路器的操作時間。

（2） 滑差閉鎖。首次同相切換僅檢驗(yàn)?zāi)妇€電壓與備用電源的相角差是不夠的。對于母線殘壓下降迅速，在θ=3600附近，電壓幅值可能遠(yuǎn)低于70%，在較大情況下，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降迅速且此時轉(zhuǎn)速也遠(yuǎn)低于正常運(yùn)行轉(zhuǎn)速。此時執(zhí)行首次同相切換，即使合閘時的相角差很小，但此時電動機(jī)需經(jīng)歷一個較長的暫態(tài)過程才能進(jìn)入同步運(yùn)行狀態(tài)，對電機(jī)、系統(tǒng)造成很大沖擊。故此時應(yīng)閉鎖首次同相切換的啟動。

3 結(jié)論

伴隨著計算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)的發(fā)展，微機(jī)型繼電保護(hù)裝置迅猛發(fā)展；同時隨著斷路器生產(chǎn)技術(shù)的提高。我們應(yīng)該摒棄舊觀念，只要系統(tǒng)組快切區(qū)域內(nèi)，切換時間越短，則切換質(zhì)量越好。通過全面、系統(tǒng)的工程設(shè)計、精細(xì)的安裝施工、設(shè)備調(diào)試、完善定值整定配合；新型的快速切換在保證高質(zhì)量的動作成功率下，還能方便用戶的操作使用、減少設(shè)備維護(hù)量；降低系統(tǒng)操作過電壓，對確保電廠的安全生產(chǎn)，減少事故危害都有著重要作用。

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