備自投裝置在工礦企業中的應用

摘 要:電力系統的許多生產裝置都要求不間斷的連續運行，大部分以電動機為裝置的關鍵負荷，若電動機停電則裝置停車，這樣將會給我們的企業帶來巨大的損失。當為裝置供電的工作電源停電時，備用電源能否自動投入至關重要，由于電氣配電系統中備用電源自動投入不成功引起的裝置停車事故并不少見。目前常用的自投方式多為殘壓切換，這種切換方式的弊病甚多，如果采用更為先進的同期捕捉切換方式，將會全面降低電機再啟動對電氣系統的沖擊，有利于生產裝置的安全穩定運行。

關鍵詞:備自投 電力系統 應用

中圖分類號:TM76文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)01(b)-0085-02

隨著自備電廠單機容量的不斷增加，新的控制技術不斷的出現，不僅使用電的容量同步增長，而且對用電的安全可靠性要求也越來越高，備用電源自動投入時的切換已成為大家日益關注的一個問題。自從美國20世紀50年代開始推出廠用電源快速切換方式以后，快速切換裝置以其明顯的優越性在配電系統中得到了普遍的應用。近年來，隨著我國計算機技術在工業自動化中的應用發展和開關制造技術的提高，在配電源切換的設計中也引入了快速切換的理論。《火力發電廠廠用電設計技術規定》對中高壓廠用電源的切換提出了明確的要求，當斷路器具有快速合閘性能(固有合閘時間小于5個周波)時，宜采用快速切換方式。快速切換方式不同于傳統的切換設計思想和實現方法，它使得電源間的切換具有更好的穩定性、可靠性和快速性，較好的解決了生產裝置運行工況穩定性和廠用電動機沖擊電流的問題。

1 傳統的廠用電源自動切換技術

為了提高工廠供電系統的可靠性，保證重要負荷不間斷供電，在供電中常采用備用電源自動投入裝置。

備用電源自動投入是在具有兩個獨立電源供電的變配電所中裝上備用電源自動投入裝置(APD)后，如果其中正在工作的電源不論何種原因失去電壓跳閘后，備用電源都能夠在極短的時間內自動投入已恢復供電。

傳統的備用電源自動投入裝置結構簡單、運行維護方便，在事故情況下實現自投的成功率還是較高的。具體的切換方式有以下幾種:

（1）以工作電源斷路器輔助接點直接啟動備用電源投入。這種方式在安全性上要取決于廠用母線電壓與備用電源電壓的初始相位角及開關動作時間，若初相角較大或開關動作時間較長，則合閘瞬間廠用母線的反饋電壓與備用電源電壓之間相角差很大。

（2）合閘回路中增加延時來躲過180°反向合閘點。母線反饋電壓與備用電源電壓間的相角差達到180°的時間不是固定不變的，因它將受系統運行方式、廠用符合分布、故障類型等許多因素的影響。

（3）在合閘回路中串接同期檢查繼電器，目的是保證合閘命令發出時刻其相角、頻差滿足要求。

（4）在合閘回路中加入殘壓檢定環節，實現殘壓切換。一般時間在1s以上，殘壓整定值一般在20%至40%額定電壓。

2 備用電源快速切換的安全性

配電系統的任何設備不能由于廠用電源切換而承受不必要的過載和沖擊。任何設備主要是指電動機和斷路器，它們不因受到過大的應力而損壞。當工作電源故障跳閘的瞬間，備用電源并不會馬上投入，總會有零點幾秒的時間延時。此時廠用母線失去工作電源提供的電壓，電動機變為異步發電機惰性運行，母線電壓為多臺電動機提供的反饋電壓，即殘壓。殘壓的頻率和幅值將會逐漸衰減。如果備用電源合到母線上時，母線殘壓與備用電源之間相角差180°，則將產生很大的沖擊電流，一般情況下，斷路器能夠承受這種沖擊，其危害關鍵在于對電動機產生的沖擊力，當電動機受到很大的沖擊時將造成繞組從槽楔中移位而損壞和轉軸受到扭曲變形。

圖1中，以極坐標的形式繪制出母線殘壓特性示意圖。UD為母線殘壓，US為備用電源電壓，ΔU為備用電源電壓與母線殘壓的差拍電壓。

合入備用電源后，母線上電動機所承受的電壓UM為:

UM=[XM/(XS+XM)]ΔU

式中，XM——母線上電動機組和低壓其他負荷折算到高壓廠用電壓后的等值電抗;

XS——電源的等值電抗。

令K=XM/(XS+XM)

則UM=KΔU

為了保證電動機安全自啟動，UM應該小于電動機的啟動允許電壓，一般設為1.1倍的額定電壓UD，則有

KΔU＜1.1UD

ΔU%＜1.1/K

設K=0.67，則ΔU%＜1.64，在圖1中，以A為圓心，1.64為半徑繪出弧線ＥＦ，則ＥＦ的右側為備用電源允許合閘自投的安全區，左側為不安全區域。若取K=0.95，則ΔU%＜1.15，圖中為弧線MN，MN左側均為不安全區域。

弧線EF的右側為允許合閘自投的安全區域，左側為不安全區域。假設正常運行時工作電源與備用電源同相，其電壓向量端點為A，則母線失電后殘壓向量端點將沿殘壓曲線由A向B方向運動。如果能在AB段內和尚備用電源，則既能保證電動機的安全，又能不至于使電動機轉速降低的太多，這就是所謂的快速切換。

快切時間一般來講小于0.2s，實際上應由B點的相角來界定，如60°，考慮到合閘回路固有時間，合閘命令發出時的角度應小于60°，即應有一定的提前量，提前量的大小取決于頻差和合閘時間，如果在固有時間內平均頻差為1Hz，合閘時間為100ms，則提前量約為36°。

快切的整定值有兩個，頻差和相角差，在裝置發出合閘命令前瞬間將實測值與整定值進行比較，判斷是否滿足條件。由于快切總是在啟動后瞬間進行，因此頻差和相角差定值可取較小值。

當母線殘壓曲線過B點后，BC段為不安全區域，不允許切換。在C點后至CD段實現的切換以前通常稱為延時切換或短延時切換。用固定延時的方法并不可靠，最好的辦法是實時跟蹤殘壓的頻差和相角差的變化，盡量做到在反饋電壓和備用電源電壓向量第一次相位重合時合閘，這就是同期捕捉切換。所謂的同期實際上是指相位的同步，并不包含電壓、頻率的相同。同期捕捉切換時間約為0.6s，對于反饋電壓衰減較快的情況，該時間要縮短許多。如果能實現同期捕捉合閘，特別是同相位合閘，對電動機自啟動將十分有利，此時的母線電壓衰減到65%～70%左右，電機的轉速不至于下降很大，且備用電源投入時沖擊很小。

3 切換方式的比較

備用電源自動切換可以分為快速切換、同期捕捉切換和殘壓切換。目前使用的大都是殘壓切換。帶來的問題是切換時間較長，電動機電壓恢復慢，對系統的沖擊較大。

3.1 殘壓切換

殘壓切換就是待母線電壓衰減到安全值以下實現切換并進行電動機再啟動，此時電動機的殘壓已經衰減到允許值以下(20%～40%額定值)，轉速下降到很低，無疑是安全的切換方式，但是電動機的再啟動也將會變得很困難，再啟動電流將達到或接近全部啟動電流，母線壓降很大，形成沖擊。在實際工作中，為了降低自投后電機再啟動對電壓的影響，一般采用分批再啟動電機。這樣某些重要的負荷的恢復時間往往會達到5s甚至更長，會嚴重影響工藝的質量、溫度、壓力等重要參數，對生產的恢復帶來一定的困難，所以常常會面臨工藝對再啟動電機的批次、容量、時間與電氣系統之間的矛盾。某大型企業就曾經發生過在總變進線處失電，引起多個裝置同時進行備自投同時切換和大電機同時再啟動，由于沖擊電流過高引起全廠性大面積停電，直接經濟損失達千萬人民幣以上。由此可以看出，殘壓切換存在一定弊端。

3.2 快速切換

快切要求工作電源與備用電源同相位，在母線失壓跳閘后的很短時間(即母線殘壓特性圖1中的AB段時間內)合入備用電源，這樣既能保證電動機的安全，又能使電動機仍具有較高轉速，一般來講切換時間小于0.2s。

由于快切是搶在正常電源失壓跳閘后母線殘壓與備用電源的頻差、相角差開始變化且在其允許的范圍內進行切換，因此不可能做到頻差、相角差完全一致，也就是說當備用電源合閘時仍會有一定的沖擊電流。快切的相角差一般在20°～30°左右，快切能否實現，一方面取決于斷路器的合閘速度，另一方面取決于系統的允許運行方式和接線方式。快切對于工作電源與備用電源的初相角的要求也比較嚴格，一般不允許超過20°，否則難以保證事故時快且成功，而且有可能使設備損壞。

3.3 同期捕捉切換

同期捕捉切換的指導思想是實時跟蹤母線電壓的相角差，在反饋電壓與備用電源電壓向量反向后的第一次相位重合時合閘(即母線殘壓特性圖上的CD段)，一般時間在0.4s～0.6s，母線殘壓在65%～70%左右，此時電機的轉速下降不是很大，且備用電源投入時沖擊電力最小。

母線失電后，電動機相當于異步發電機狀態運行，其定子磁場已經由原來的同步磁場轉化為異步磁場，而電動機轉子不存在外加動力和外加勵磁電流，因此備用電源合閘時，如果相角差不大，即使存在一些頻差和壓差，電動機的定子磁場也將會很快恢復同步，電機也將很快恢復到正常運行。

同期捕捉切換無須要求失電前兩路電源必須同相位，因此能夠廣泛應用于各種運行方式下。0.4～0.6s的切換時間和65%～70%左右的母線殘壓，對于失電的檢測和判斷十分有利，能可靠的對各種故障引起的失電情況做出正確的判斷。因此同期捕捉切換能夠滿足各行業中高可靠性供電的要求。

4 結論

(1)各種備用電源切換的特點如表1所示;

(2)同期捕捉的主要優點就是對系統的沖擊電流小，對電動機再啟動十分有利，對系統的安全可靠運行有一定積極的作用。同期捕捉切換在時間及電動機殘壓上完全能夠滿足大型電力裝置的需求，其合閘相角差可以控制在±10°，同期性好于快速切換，對系統的沖擊電流最小。因此推薦采用快切和同期捕捉為主，殘壓切換為輔的備自投方式，當快切和同期捕捉均不成功時，采用殘壓切換作為后備方式。

參考文獻

[1]第二版編輯委員會主編.電氣工程師手冊[M].北京:機械工業出版社.

[2]卓樂友.電氣工程電氣設計200例[M].北京:中國電力出版社.

[3]戈東方.電力工程電氣設計手冊[M].北京:水利電氣出版社.

[4]趙彩虹.自備電廠[M].北京:化學工業出版社.