三電源供電系統快速切換方案與仿真分析研究

陶國彬，薄大宇

（東北石油大學電氣信息工程學院，黑龍江大慶163318）

三電源供電系統快速切換方案與仿真分析研究

陶國彬，薄大宇

（東北石油大學電氣信息工程學院，黑龍江大慶163318）

摘要：快速切換裝置是保證連續生產企業供電系統供電連續可靠性的重要措施。提出了三電源供電系統帶有保安電源的特殊性和重要性，分析了該三電源系統的備自投切換方式，并提出快速切換方案。介紹了快切裝置的基本原理與判據，并對三電源供電系統切換過程進行了仿真分析。仿真結果驗證了快速切換裝置對三電源系統連續供電的可行性。

關鍵詞：三電源供電系統；快速切換方案；仿真分析

1　引言

供電系統不間斷供電對于國民經濟各個領域有著極其重要的意義，尤其對于發電、礦山、煉鋼、石油化工等連續生產的企業，連續供電就顯得更加重要。供電系統中備用電源自動投入裝置的應用就是為了解決供電連續性問題，要求主備電源之間的切換必須安全可靠。傳統的備用電源自動投入裝置由于沒有同期捕捉功能，如果是無殘壓切換時間就較長，有殘壓切換容易造成備用電源與失電母線殘壓反向切換產生過壓沖擊，較長的切換時間電動機停機連續生產被破壞，甚至出現電動機群啟大電流低電壓系統崩潰。近些年，國內外研制開發出的備用電源快速切換裝置技術和產品質量具有較高的科技水平，并且在發電廠廠用電工作電源與備用電源切換中得到廣泛的應用，而且在石油化工、礦山等連續生產的雙電源供電系統中也得到越來越多的應用。快速切換裝置的優點是可避免備用電源電壓與失電母線殘壓在相角、頻率相差過大時合閘而對電機造成沖擊，工作電源被切除時能及時投入另一電源，更重要的是立足于用戶的生產流程不被破壞。隨著真空及SF6快速開關的廣泛使用，快速切換裝置在廠用電源、雙電源的切換中得到廣泛應用。對于具有大容量保安負荷的三電源6（10）kV系統，目前國內外還沒有開發出新型快速切換裝置，本文基于雙電源快速切換裝置，對具有保安電源的三段母線系統快速切換建模并進行仿真分析研究，提出了三電源6（10）kV供電系統的快速切換可行性方案。

2　快切基本原理及應用

2．1快切基本原理

對于發電廠用電負荷及石油化工生產用電負荷主要是高低壓異步電動機組成。有電動機的負荷母線電壓衰減速度與電動機數量、容量及其拖動的機械特性有關，且失電后的電動機通過其剩余的動能及轉子剩磁轉入異步發電狀態，使負荷母線上呈現出一個電壓幅值和頻率逐漸衰減的殘壓。如圖1所示為母線切換時電動機的等值電路圖和向量圖。

圖1　電動機重新接通電源時的等值電路圖和相量圖

圖1中Us為電源電壓；Ud為母線上電動機的殘壓；Xs為電源等值電抗；Xm為母線上電動機組和低壓負載的等值電抗（折算到高壓廠用電壓）；△U為電源電壓與殘壓之間的差拍電壓。由圖1可以看出，對應不同的△U值，當θ＝180°時，△U值最大，如果此時重新合上電源，對電動機的沖擊最嚴重。根據母線上成組電動機的殘壓特性和電動機耐受電壓的能力，在極坐標上可繪出其殘壓曲線。如圖2所示為電動機的殘壓特性曲線和電動機耐受的沖擊電壓確定的允許極限。電動機重新合上電源時，電動機上的電壓為：

式中：Xm為母線上電動機組和低壓負荷折算到高壓廠用電壓后的等值電抗；Xs為電源的等值電抗；△U為電源電壓和殘壓之間的差拍電壓。

令Um等于電動機起動時的允許電壓，即為1．1倍電動機的額定電壓UDe：

則：

令：

則：

假設K＝0．67，計算得到△U（%）＝1．64。在圖2中，以點為圓心，以1．64為半徑繪出A′－A″圓弧，其右側為電廠備用電源合閘的安全區域。在殘壓特性曲線的AB段，實現的電源切換稱為“快速切換”即在圖2中B點（0．3 s）以前進行的切換，對電機是安全的。延時至點（s）以后進行同期判別實現的切換稱為“同期判別切換”，此時對電機也是安全的。等殘壓衰減到20%－40%時實現的切換，即為“殘壓切換”。為確保切換成功，當事故切換開始時，裝置自動起動“長延時切換”作為事故切換的總后備。

圖2　電動機的殘壓特性曲線和電動機耐受的沖擊電壓確定的允許極限

2．2快切目前的應用領域

2．2．1發電廠廠用電快速切換應用

如圖3所示為發電廠廠用電系統，正常運行時廠用母線電源由發電機端經廠高變T2提供，備用電源由啟備用變T3提供，斷路器1DL合閘帶母線負荷運行，2DL分閘處于熱備用狀態，KQ是快速切換裝置。當發變組保護動作或工作電源側故障時，并且KQ檢測非廠用母線或者饋出分支短路故障，在跳開斷路器1DL的同時，接著發出斷路器2DL合閘信號，備用電源投入工作實現快速切換或者耐受電壓、第一次同期捕捉切換等。此種為常見廠用電快切應用，因為快切裝置切換的特點保證發電廠用電電動機組殘壓不會下降太多導致機組停轉、停產。

圖3　發電廠廠用電系統接線圖

2．2．2工廠雙電源分段快速切換應用

如圖4所示為常用的雙電源單母線分段供電系統接線圖。正常工況下斷路器1DL、2DL合閘，分別帶Ⅰ、Ⅱ段母線負荷運行，母聯斷路器3DL分閘熱備用，KQ是快速切換裝置。假設1號進線故障時，繼電保護發出跳閘信號的同時給快切裝置KQ信號，或者KQ檢測進線失電，KQ裝置發出1DL跳閘信號的同時，向3DL發出合閘信號，實現快速切換或者耐受電壓、第一次同期捕捉切換等。同樣，當2＃電源發生故障時，也可以實現2DL與3DL的同時切換。這里需要強調，當母線或者饋出分支短路故障時，閉鎖快速切換裝置不動作。

圖4　常用的雙電源單母線分段供電系統接線圖

3　三電源母線供電系統及切換

3．1三段母線帶有后備保安電源系統及運行方式

如圖5所示為雙電源帶有保安電源的三段母線6（10）kV供電系統接線圖。系統正常運行方式：1＃電源受電斷路器1DL合閘帶Ⅰ段母線，2＃電源受電2DL斷路器合閘帶Ⅱ段母線，保安電源受電3DL分閘處于備自投熱備，Ⅰ－Ⅱ段母聯4DL分閘備自投熱備，Ⅱ－Ⅲ段母聯5DL合閘，即2＃電源帶Ⅱ、Ⅲ段母線運行。傳統的備自投（BZT）切換采用微機保護長延時切換，切換時間一般設置1s－3s范圍內。

圖5　雙電源帶有保安電源的三段母線6（10）kV供電系統接線圖

3．2三段母線系統BZT切換方式

（1）1＃電源失電運行方式

1DL跳閘，無過流閉鎖時Ⅰ－Ⅱ段母聯4DL備自投合閘，2＃電源帶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段母線運行，3DL分閘處于備自投熱備狀態。當2＃電源也失電，2DL、4DL、5DL跳閘，3DL備自投合閘，保安電源只帶Ⅲ段母線保安負荷。2＃電源失電運行方式同理。

（2）1＃、2＃電源同時失電運行方式

1DL、2DL、4DL、5DL跳閘，3DL備自投合閘，保安電源只帶Ⅲ段母線保安負荷。

3．3快速切換裝置的配置方案及切換方式

3．3．1快切裝置的配置方案

在1＃電源與2＃電源之間配置快切裝置KQ1，配置原則相當于上述的雙電源單母線分段快切方案，KQ1監測Ⅰ段母線和Ⅱ段母線電壓、相角、頻率。1＃、2＃電源與保安電源之間配置快切裝置KQ2，配置原則相當于上述的廠用電工作電源與備用電源快切方案，KQ2監測Ⅲ段母線和保安電源側電壓、相角、頻率，同時檢測Ⅰ段母線電壓作為KQ2裝置閉鎖與開放邏輯條件。

3．3．2快切控制母線切換方式

（1）當1＃電源或者2＃電源其中一路電源失電，KQ1裝置發指令給1DL或者2DL跳閘，KQ1裝置按照邏輯關系控制閉合4DL實現切換。KQ1監測工作電源失電，備用電源電壓不能低于額定電壓的80%，否則閉鎖切換。2＃電源失電情況下，此時如Ⅰ段母線電源電壓在80%以上，閉鎖KQ2裝置不動作。

（2）4DL閉合后，如2＃電源或者1＃電源又失電，KQ1裝置發指令給2DL或者1DL，裝置按照邏輯控制跳開4DL、5DL，Ⅲ段母線失電。此時Ⅰ段母線電源電壓在80%以下，開放KQ2裝置。KQ2裝置監測保安電源電壓在80%以上，跳5DL同時合3DL斷路器，Ⅲ段母線由保安電源供電，其它兩段母線停電。

（3）當1＃電源和2＃電源同時失電，KQ1裝置發指令給1DL和2DL跳閘，同時也將跳閘指令送給KQ2裝置，KQ1裝置監測Ⅰ段母線和Ⅱ段母線電源電壓都同時低于70%以下，KQ1控制4DL、5DL跳閘。KQ2裝置監測保安電源電壓在80%以上，跳5DL同時合3DL，Ⅲ段母線由保安電源供電，其它兩段母線停電。

3．3．3快切控制母線切換時序

假設斷路器1DL偷跳，接著斷路器2DL差動保護跳閘，分析快速切換的時序關系。這里以ABB VD4斷路器為例，VD4出廠固有合閘時間范圍50－70ms，固有分閘時間范圍33－45ms。如圖6所示為以固有分、合閘最長時間為基準分析的時序關系。

（1）第一階段在10ms時發出1DL偷跳TT信號，1DL延遲45ms分閘，此時6B1電壓開始下降，殘壓衰減。KQ1接收偷跳信號后，檢測6B2母線有電，同時切換延遲20ms之后發出4DL合閘信號，延遲70ms后4DL合閘，此時6B1切換到6B2母線電壓恢復。

（2）第二階段2DL上側差動保護動作，差動保護動作分閘2DL的同時，向KQ1與KQ2同時發送信號，KQ1接受信號后也向2DL、4DL發送分閘信號，延遲45ms斷開2DL與4DL，此時6B1、6B2與6B3電壓開始下降。KQ2接收到差動保護信號也延遲45ms斷開5DL，KQ2監測保安電源進線是否有電，同時切換延遲30ms發出3DL合閘信號，延遲70ms后3DL合閘，此時切換到保安電源帶6B3段母線電壓恢復，6B1、6B2失電電壓下降至零。

4　三段母線快速切換仿真分析

圖6　快切控制切換時序圖

4．1系統建模

本文供電系統建模暫態分析是應用美國電力系統設計和仿真分析軟件（Paladin DesignBase Programs）5．0版本，如圖7所示為三電源供電網絡建立構架、錄入參數建模后的系統圖。三段6B1、6B2、6B3母線分別掛載3．35MW三組異步電動機負載。電動機組的數據皆為主要影響快速切換的現場參考值。

4．2快速切換裝置判據

（1）快速切換判據：①相角差指故障母線電壓和備用母線電壓之間的相角差，典型的值是±20°。②母線電壓和備用電源電壓的頻率差，通常的界值是1Hz。③備用電源電壓通常被整定為正常電壓的80%。④母線電壓低于設定電壓值（U通常設定為正常電壓的70%），則不允許進行切換。⑤同時切換延時范圍20－40ms。

（2）耐受電壓切換：①耐受電壓準則判據中的允許頻率差整定值2Hz。②母線低電壓閉鎖切換電壓值是正常電壓的70%。③電機的耐受電壓定值1．1U。

（3）首次同期切換判據：①備用電源電壓和母線殘壓的相位差要第一次同相。②母線與目標電源頻率差整定值5－6Hz。③備用電源電壓一般是正常電壓的80%。

4．3按上述第一階段時序仿真分析

（1）軟件設定在55ms時刻斷路器1DL偷跳（TT）斷開，如圖8所示為6B1母線殘壓下降圖，1DL斷開前6B1母線電壓6290V、相角－30°、頻率50Hz。大約2s殘壓降為零。

圖7　三段母線建模后系統圖

圖8　 6B1母線殘壓下降圖

（2）由于斷路器分合閘固有時間的限制，KQ1發信號跳1DL，同時切換延時20ms發信號合4DL，6B1最短失壓失電時間是45ms，加上軟件的設定時間55ms，則為100ms以上的殘壓下降特性。如圖9所示為在110ms合上4DL前6B1母線電壓暫態圖。此時，6B1母線電壓5788V、相角－40．8°、頻率49．59Hz，滿足快速切換判據。

圖9　合上4DL前6B1母線電壓暫態圖

圖10　第二階段開始系統狀態圖

4．4按上述第二階段時序仿真分析

（1）第二階段仿真系統以第一階段末尾仿真系統的開關狀態為起始狀態，此時1DL斷開，4DL母聯閉合，時間從0ms開始仿真測試，如圖10所示。0s時刻差動保護動作跳2DL，2DL、4DL、5DL同時接收到分閘信號，斷路器固有分閘時間45ms后2DL、4DL、5DL分閘，6B1、6B2、6B3母線殘壓開始下降。如圖11所示為0．045s時刻2DL、4DL、5DL斷開后三段母線暫態電壓衰減曲線。

圖11　三段母線暫態電壓衰減曲線

（2）差動保護跳2DL、5DL時，同時切換延時30ms 后KQ2發信號3DL合閘，由于斷路器固有分合閘時間的限制，5DL分閘到3DL合閘，6B3母線殘壓衰減時間最短是55ms，因此是在100ms時合上3DL，如圖12所示為在合上3DL時刻前6B3母線殘壓特性曲線，6B3母線電壓5545V、相角－46．6°、頻率49．40Hz，滿足快速切換判據。合3DL之后6B1、6B2電壓繼續衰減至零。

圖12　合上3DL時刻前6B3母線暫態電壓衰減曲線

5　結束語

本文首先介紹了快速切換的基本原理，以及目前快速切換裝置的應用領域，接著對三電源供電系統傳統備自投（BZT）切換進行了簡單描述。就目前

國內外還未開發出三電源快速切換裝置的實際，基于發電廠廠用電主、備電源及常用的雙電源分段快速切換裝置，對三電源母線供電系統快速切換進行組合配置設計，通過快切時序分析、建模仿真暫態分析研究，驗證了三電源母線供電系統快速切換的可行性。本文重在引導讀者了解三電源供電系統帶有保安電源的特殊性和重要性，以及對三電源供電系統快速切換分析研究的認識，起到拋磚引玉的作用。

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中圖分類號：TM621．3

文獻標識碼：A

文章編號：1005—7277（2015）03—0001—06

作者簡介：

薄大宇，工程碩士，就讀于東北石油大學電氣信息工程學院，研究方向為電力系統與自動化。

收稿日期：2015－01－05

Research on fast switching scheme and simulation analysis of three power supply system

TAO Guo－bin，BO Da－yu

（College of Electrical and Information Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing 163318，China）

Abstract：The fast switching device is an important measurement to ensure continuous reliability of the production enterprise power supply system．The importance and particularity of three power supply system with emergency power supply are put forward，and the BZT switching mode of three power supply system is analyzed．The fast switching scheme is also proposed．The basic principles and criteria of fast switching device are introduced，and the simulation analysis of switching process is carried out．The simulation results verify the feasibility of fast switching device for three uninterruptible power system．

Key words：three power supply system；fast switching scheme；simulation and analysis