基于電源快速切換的工業(yè)企業(yè)低壓母線連續(xù)供電研究

孫希玉

（本鋼設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，遼寧 本溪 117000）

電源快速切換裝置在發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)的應(yīng)用已有多年，早已得到行業(yè)認(rèn)可，在確保發(fā)電廠廠用電負(fù)荷的連續(xù)及安全運行上發(fā)揮了巨大的作用。一方面大量參與連續(xù)化生產(chǎn)的電動機存在使其對系統(tǒng)的供電可靠性要求很高，工業(yè)企業(yè)中低壓母線供電的原則:既要保證連續(xù)供電，又要保證設(shè)備安全。低壓母線一般采用單母分段方式，另一方面這些電動機的故障或不良起動增加了內(nèi)部故障的概率，所以解決此問題的一個重要方面就是如何使電源不中斷。工業(yè)企業(yè)供配電系統(tǒng)是為其生產(chǎn)服務(wù)的專用供配電系統(tǒng)，既是變電樞紐。低壓電機的非計劃停機除了因自身故障以外，正常運行時兩臺變壓器各帶一段母線，由另一臺變壓器帶所有負(fù)荷繼續(xù)運行。

1 電源快速切換基本原理

由于各電動機的容量、參數(shù)不一致，電動機之間將有電磁能與動能的交換，此時部分異步電動機實際上已轉(zhuǎn)入異步發(fā)電機運行工況，因此工作母線的電壓即是多臺異步發(fā)電機發(fā)出的反饋電壓的合成，稱為母線殘壓。切換邏輯是指跳開工作開關(guān)和合上備用開關(guān)的順序，主要有串聯(lián)切換、同時切換和并聯(lián)切換。所謂起動邏輯，就是裝置起動電源切換的條件判據(jù)，電動機在短時間內(nèi)將繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，并將磁場能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋ｋ娫纯焖偾袚Q主要由起動邏輯、切換邏輯和實現(xiàn)邏輯等三部分組成。實現(xiàn)邏輯就是什么條件下發(fā)合備用開關(guān)命令的判據(jù)，由于大量旋轉(zhuǎn)負(fù)荷的存在，造成不必要的重起動，主要有保護起動、無流起動、變位起動及失壓起動等。而快切可以化弊為利，利用殘壓緩慢變化的特性，實現(xiàn)快速切換或同期捕捉切換，配合一定的外部電路，殘壓的幅值和頻率將隨時間逐漸衰減，殘壓與備用電源電壓間的相位將逐漸增大。為保證切換安全，一般應(yīng)使合閘時電動機承受的電壓，通過負(fù)荷預(yù)測，將大大減少電動機重起動次數(shù)。工作電源故障時裝置的根本目標(biāo)是既要在工作母線電壓幅值較高的時候?qū)溆秒娫赐度耄m時將備用電源投入，達到工作母線電壓降幅最小、對負(fù)荷沖擊盡可能小的效果。更要確保投入時對負(fù)荷設(shè)備的沖擊在允許范圍之內(nèi)。快切裝置應(yīng)用于400V電源切換，毫無疑問是一個更好的解決方案。

2 低壓母線連續(xù)供電方案

2.1 電動機的重起動

電動機重起動作為電動機保護控制器的一項重要功能，不僅與電源有關(guān)，而且與生產(chǎn)工藝有關(guān)。連續(xù)運行的電動機在系統(tǒng)短暫失電時，為了盡快恢復(fù)工藝流程，電源恢復(fù)時可以自動重新起動。電動機重起動需要很大的容量，決定再起動的是系統(tǒng)容量和電動機母線允許的壓降，電動機的分批起動也是由這些因素決定的。在失壓重起過程中，電動機是從失速到增速的過程。要避免這種沖擊，若在短時間內(nèi)無法切換至備用電源，在兩側(cè)進線都失電的情況下，這些都會造成系統(tǒng)的短時失電。短時失電可能是本級電源切換引起的，在電源恢復(fù)后重新起動。也可能是上級電源故障引起的電源恢復(fù)后，需要電動機的再起動來實現(xiàn)設(shè)備的連續(xù)化生產(chǎn)。電源若超過了一定時間不曾恢復(fù)，當(dāng)電源恢復(fù)時，由于電動機的轉(zhuǎn)速無法突變，造成電磁功率和機械功率的不平衡，以免發(fā)生人員傷亡和設(shè)備損壞。這將會造成很大的力矩沖擊，有些負(fù)荷因工藝要求不能承受這樣的沖擊。快切取代備自投后，快切可能在個別情況下快速切換不成功。

2.2 低壓母線應(yīng)用遇到的問題

鑒于電源快速切換在工企中高壓電壓等級得到了很好的應(yīng)用，由于母線電壓故障相電壓接近于0，考慮能否同樣可以用在低壓來解決因故障導(dǎo)致的停機問題。通過在兩個鋼鐵廠低壓母線進行的試用研究，發(fā)現(xiàn)單獨應(yīng)用電源快速切換存在很大的問題，很難在電源故障情況下實現(xiàn)不停機的電源切換。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，接觸器線圈電壓通常額定220V，目前約定俗成的做法都是直接由低壓母線經(jīng)隔離變得到。由于釋放延時太短，相關(guān)接觸器主觸頭可能在變壓器主保護動作前就跳開。相對于低壓電機，這樣的時間足夠?qū)⑹щ娯?fù)荷轉(zhuǎn)移到備用電源。而面對幾乎沒有延時的接觸器，可能在電源快速切換起動之前接觸器主觸頭就已跳開，如果發(fā)生金屬性接地或兩相短路等嚴(yán)重故障時，單憑電源快速切換根本無法實現(xiàn)在故障情況下的低壓電機不停機切換。

3 解決方案

3.1 采用UPS電源交流接觸器

基于UPS電源的交流接觸器抗晃電技術(shù)是應(yīng)用成熟的UPS技術(shù)，為低壓配電柜的二次控制部分提供可靠的電源。另外，當(dāng)配電柜的主母線失電超過一定的時間后，提供的可靠電源正常工作，結(jié)構(gòu)簡單，在低壓配電柜里構(gòu)建獨立的供電系統(tǒng)，則根據(jù)該系統(tǒng)二次控制部分設(shè)定斷開輸出，避免事故的發(fā)生。根據(jù)系統(tǒng)特點和設(shè)定保持主觸頭的吸合，避免了由于晃電的發(fā)生引起的電機停機甩負(fù)荷事故。該系統(tǒng)可以可靠地防止由于晃電帶來的不必要的停機甩負(fù)荷事故的發(fā)生，在系統(tǒng)發(fā)生短時的晃電時，接觸器的線圈能夠依靠UPS，二次控制回路不增加接線難度、適合配備于多數(shù)量回路有抗晃電要求的配電柜中。

3.2 采用抗晃電交流接觸器

抗晃電交流接觸器是一個雙線圈的交流接觸器，在晃電情況下，交流接觸器的啟停和常規(guī)交流接觸器沒有任何區(qū)別，若工作電壓降低到接觸器的保持電壓以下時，控制模塊開始工作，以儲能釋放的形式保持接觸器繼續(xù)吸合，電源正常情況下，控制模塊處于儲能狀態(tài)，當(dāng)電源電壓恢復(fù)后，控制模塊又轉(zhuǎn)入儲能狀態(tài)。

結(jié)論

在大量旋轉(zhuǎn)負(fù)荷的母線上，備自投顯然不適合進行電源切換。對外部電路做些調(diào)整，提出一個完整的解決方案，使低壓電機在面對電源故障情況下也可實現(xiàn)不停機的電源切換，將電源快速切換裝置與經(jīng)過防晃電設(shè)計的交流接觸器配合。快切的參與可以做到母線瞬時斷電而電動機不掉電。電動機保護控制器中的失壓重起功能，快切可以更好地勝任。針對在該電壓等級應(yīng)用遇到的問題，可以使電動機在短時斷電實現(xiàn)分批起動，為企業(yè)的連續(xù)生產(chǎn)及安全運行提供了一套行之有效的方案。

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