巨型水電機(jī)組動(dòng)力柜電源切換裝置探究與設(shè)計(jì)

于遠(yuǎn)航，艾遠(yuǎn)高，王本紅，周立成

（中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌443133）

雙路電源冗余切換是保證持續(xù)可靠供電的有效手段，其供電方式為：采用兩路獨(dú)立電源，正常狀態(tài)下兩路電源各自承擔(dān)部分負(fù)荷，當(dāng)其中任一路電源發(fā)生故障時(shí)，電源冗余切換裝置迅速進(jìn)行切換，由另一路通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)擔(dān)負(fù)起所有負(fù)荷，保證設(shè)備的持續(xù)正常運(yùn)行[1]。

目前電源冗余切換裝置根據(jù)轉(zhuǎn)換開關(guān)的不同，主要分為2類，自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)電器（ATSE）和靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)（STS）[2]。ATSE采用繼電器或者斷路器完成切換，STS則是采用可控硅、IGBT等電力電子器件完成切換，二者各有優(yōu)劣[3]，分別應(yīng)用于不同場(chǎng)合。

水電站巨型水電機(jī)組動(dòng)力柜為機(jī)組主要設(shè)備提供電源及控制，本文對(duì)比各類雙路電源切換原理，設(shè)計(jì)一款應(yīng)用于巨型水電機(jī)組動(dòng)力柜的新型切換裝置，并優(yōu)化裝置硬件配置與控制邏輯，提高供電可靠性。

1 設(shè)計(jì)原理探究

研究對(duì)比常見的電源切換原理，根據(jù)邏輯執(zhí)行元件的差異主要有如下幾種：

（1）電源監(jiān)視器與電磁繼電器的組合回路

切換原理示意圖如圖1所示，電源監(jiān)視器監(jiān)視雙路電源狀態(tài)，通過電源監(jiān)視器與中間繼電器接點(diǎn)的邏輯配合動(dòng)作電源進(jìn)線斷路器與母聯(lián)斷路器，實(shí)現(xiàn)電源冗余切換。

圖1 電源監(jiān)視器與繼電器雙路電源切換示意圖

（2）邏輯控制器與繼電器組合回路

采用小型PLC與電源監(jiān)視繼電器、中間繼電器的組合回路完成控制功能[4]：

原理示意圖如圖2所示，由電源監(jiān)視繼電器檢測(cè)雙路電源狀態(tài)，PLC進(jìn)行邏輯判斷并通過開出接點(diǎn)分合電源進(jìn)線斷路器與母聯(lián)斷路器，實(shí)現(xiàn)電源切換。

（3）單片機(jī)與繼電器的組合回路

單片機(jī)與繼電器的組合回路可實(shí)現(xiàn)智能型雙路電源切換[5]，單片機(jī)體積小巧便于封裝且可開發(fā)程度高，但單片機(jī)抗干擾能力及驅(qū)動(dòng)能力較弱，需要較多外圍設(shè)備配合。

圖2 PLC與繼電器組合雙路電源切換示意圖

2 裝置設(shè)計(jì)

2.1 裝置特點(diǎn)

（1）裝置具有電源監(jiān)視、開關(guān)狀態(tài)監(jiān)視、分合閘指令輸出、故障報(bào)警、可視化顯示、手動(dòng)/自動(dòng)模式切換等功能。

（2）硬件可靠耐用，控制邏輯能實(shí)現(xiàn)雙路電源有效快速切換且可避開由進(jìn)線電源瞬時(shí)波動(dòng)造成的斷路器頻繁分合閘。

（3）適用性強(qiáng)，無(wú)需其他設(shè)備配合，只需將裝置接入一次回路即可實(shí)現(xiàn)上述功能。

2.2 硬件回路設(shè)計(jì)

邏輯控制器是切換裝置的核心元件。綜合考慮控制器的尺寸、輸入輸出通道數(shù)量和容量要求等因素，選取西門子LOGO!小型PLC作為裝置的邏輯控制器。

切換裝置設(shè)計(jì)如圖3所示，電源監(jiān)視繼電器實(shí)現(xiàn)電源監(jiān)視功能，并將信號(hào)送至控制器輸入點(diǎn)；開關(guān)狀態(tài)監(jiān)視端子監(jiān)視各斷路器狀態(tài)；合閘、分閘指令輸出和故障報(bào)警功能由控制器進(jìn)行邏輯判斷后通過輸出接點(diǎn)開出[6]。

圖3 裝置內(nèi)部回路圖

2.3 切換邏輯設(shè)計(jì)

（1）電源進(jìn)線斷路器QF01、QF02控制邏輯（以QF01為例）

進(jìn)線斷路器控制邏輯如圖4所示：當(dāng)?shù)?路電源不正常時(shí)（欠壓、過壓或缺相），只要未收到合閘指令，QF01立即分閘。QF02和QF03均處于合閘狀態(tài)時(shí)將閉鎖QF01合閘。

當(dāng)QF02處于合閘狀態(tài)，第1路電源恢復(fù)正常，且母聯(lián)斷路器已分閘，引入延時(shí)1s后（防止第1路進(jìn)線電壓瞬時(shí)波動(dòng)造成斷路器頻繁分合閘）QF01合閘。

當(dāng)?shù)?路進(jìn)線開關(guān)QF02分閘時(shí)，無(wú)論母聯(lián)斷路器處于何種狀態(tài)，一旦第1路電源恢復(fù)正常，立即合QF01，保證有一路供電。

圖4 電源進(jìn)線斷路器QF01、QF02控制邏輯

（2）母聯(lián)斷路器QF03控制邏輯

母聯(lián)斷路器QF03的分合閘邏輯如圖5所示，當(dāng)進(jìn)線電源一路正常，另一路故障，且故障線路進(jìn)線斷路器已分閘，引入延時(shí)1s（防止故障線路電壓瞬時(shí)波動(dòng)造成斷路器頻繁分合），合QF03，將所有負(fù)荷轉(zhuǎn)移至正常路電源。

2路進(jìn)線開關(guān)QF01、QF02同時(shí)處于合閘狀態(tài)可閉鎖QF03合閘。

當(dāng)兩路進(jìn)線電源同時(shí)恢復(fù)正?；蛲瑫r(shí)發(fā)生故障時(shí)，QF03分閘。

圖5 母聯(lián)斷路器QF03控制邏輯

（3）故障報(bào)警邏輯

裝置在以下2種情況下開出故障報(bào)警信號(hào)：

1）電源監(jiān)視繼電器檢測(cè)到進(jìn)線電源故障。

2）進(jìn)線電源正常，但該路進(jìn)線斷路器始終不合閘（可能為斷路器脫扣、損壞或裝置內(nèi)部故障導(dǎo)致）。

通過邏輯設(shè)計(jì)可減少1對(duì)斷路器故障反饋接點(diǎn)接入裝置，簡(jiǎn)化了硬件回路，同時(shí)可較為全面地反映電源與回路的故障情況。

2.4 操作顯示界面

裝置操作顯示功能采用小型觸摸屏實(shí)現(xiàn)，通過以太網(wǎng)接口與LOGO! PLC進(jìn)行通信，顯示電源及開關(guān)狀態(tài)，同時(shí)可切換裝置的操作模式，通過觸摸屏操作控制開關(guān)分合閘。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以某水電站巨型水電機(jī)組動(dòng)力柜雙路電源切換回路為例設(shè)計(jì)一種雙路電源冗余切換控制裝置，該裝置硬件上注重通用性和可靠性，邏輯上注重可靠性與時(shí)序配合，具有適用性廣，便于根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合自主設(shè)計(jì)與制造的特點(diǎn)。保證了設(shè)備的安全可靠供電，同時(shí)對(duì)裝置本身的維修維護(hù)也帶來了較大便利與可行性。