快速切換裝置切換過程及原理分析

摘 要：論述了母線殘壓變化過程，并對母線殘壓和備用電源間的向量關系進行了分析。介紹了快速切換裝置的切換原理、切換方式及各切換方式的安全切換區間。結合具體的切換實例和數據，對切換過程進行了分析和計算。

關鍵詞：母線殘壓；備用電源；切換原理；快速切換

0 引言

在很多大型工業企業，如石化、鋼鐵等企業，供電的可靠性、連續性對企業具有非常重要的意義。這些企業的用電設備一般以電動機為主，供電系統一般都有兩個獨立的供電電源，兩路電源間可互為備用，也可一路工作、一路備用，當一路電源故障時，需要將負荷安全、快速地切換到另一路電源供電，以保證生產的連續性。如何快速安全的在兩路電源間切換，就顯得尤為重要，快速切換裝置正是為滿足這一特殊要求而設計生產的。

1 切換原理分析

要想實現安全、快速切換，必須分析切換中的物理量變化過程和實現原理。兩路電源間切換時，切換時間不能太長，不能長時間中斷供電，否則即使切到備用電源供電，由于中斷供電時間較長，設備已停止運轉，生產將不能連續。這對連續性要求很高的生產裝置來說，沒有多少實際意義。而且，切換時必須考慮母線殘壓和備用電源間的相位、頻差等關系。若切換時殘壓和備用電源間的相位差較大，合閘時兩者間的相角差剛好為180?，則合閘瞬間產生的合成電壓很大，從而在電動機上產生非常大的轉矩，可能造成電動機、聯軸器、機械負載等設備損壞，這是我們不愿發生的。

當外部電源因故中斷后，假設母線上僅有一臺電動機，外部輸入這臺電動機定子的電流將為零，轉子電流將逐漸衰減，由于轉子和負載的慣性以及電機磁場中儲存的能量，轉子轉速將從斷電前的運行速度逐漸減小，轉子電流在定子繞組中反方向感應出電動勢，形成反饋電壓。當定子繞組和母線相連時，反饋電壓就會反饋到母線上。當多臺電動機形成電動機群連接在同一段母線上時，由于各臺電機容量、慣性、負載等情況不一樣，在“惰行”運轉時，一部分電機將表現出發電機特性，而另一部分電機表現出電動機特性，整個電動機群將在母線上形成合成電壓，這就是我們常說的母線殘壓。它具有動態的頻率、幅值、相位，其特性與電機類型、負載特性、負載慣性等很多因素有關。具體而言，母線上電動機負載的慣性越大，斷電后母線頻率衰減越慢，這對殘壓相位變化程度有直接影響。負載慣性越小，母線頻率衰減越快，引起相位變化越快，母線殘壓和正常電源的頻差增加越迅速。對全是異步電動機負載的母線而言，電動機容量越大，殘壓頻率和幅值衰減速度越慢，衰減過程持續時間越長。若母線上同時運行有異步電動機和同步電動機，切換期間同步電動機將試圖維持母線上的電壓。轉換期間，若電動機負載越重，母線頻率衰減越快。

為了說明母線殘壓和備用電源間的關系，引入壓頻比這一概念。壓頻比既電壓和頻率的比值，一般以電動機或系統的額定電壓與額定頻率之比作為標幺值的基準值。例如，對10KV系統，假設二次側線電壓為100V，可取基準值為57.7V/50Hz = 1PU （標幺值）。母線殘壓和備用電源電壓的向量關系如圖一所示，根據向量合成原理有

式中，ES是備用電源系統額定壓頻比，標幺值，

EM是母線殘壓的壓頻比，標幺值，

ER是備用電源電壓和母線殘壓的合成向量，標幺值，

θ是備有電源電壓向量和母線殘壓向量的夾角，

根據ANSI/IEEE C50.41-2000規定，安全切換的一個重要條件是切換合閘的瞬間ER ≤ 1.33 PU。

2 切換方式分析

快速切換裝置一般配備以下幾種切換方式：快速切換、首次同期捕捉切換、殘壓切換、延時切換、并聯熱切。并聯熱切屬于閉環轉換模式，采用“先合后分”原理，切換過程中會將兩路電源并列，負載不會瞬時斷電，一般是有計劃的人為正常切換；快速切換、首次同期捕捉切換、殘壓切換、延時切換則屬于開環轉換模式，采用“先分后和”原理，切換時不會并列兩路電源，但負載有一個短時中斷供電的過程?？焖偾袚Q和首次同期捕捉切換速度很快，過程較短；而殘壓切換和延時切換的過程則相對較長，一般會造成負載停止運行，不能保證工藝生產連續。

快速切換、首次同期捕捉切換、殘壓切換、延時切換四種切換方式在切換過程中的時區如圖二所示。發生切換時，在10個波形周期內是快速切換的安全區，這也符合ANSI/ IEEE C50.41-2000對快速轉換的要求。隨著時間推移，母線殘壓與備用電源的相位差逐漸增大，退出快速切換的安全區域，當相位差第一次接近360?時，進入首次同期捕捉安全區域，并在母線殘壓與備用電源電壓向量第一次重合時合閘，合閘命令是在跟蹤殘壓變化的基礎上結合斷路器固有合閘時間提前發出的。當母線殘壓降低到額定的20%～40%以下后，進入殘壓切換和延時切換區域。在這兩種方式下，斷電時間比較長，母線殘壓衰減比較多，根據向量合成原理，若備用電源ES = 1PU，則只要EM < 0.33PU，無論兩者相角差θ為多少，肯定滿足ER ≤ 1.33 PU。

3 切換時序分析

除了有不同切換方式外，快速自切裝置一般還有兩種切換類型可選擇：串聯順序切換和 同時切換。這兩種類型下，快速切換、首次同期捕捉切換、殘壓切換等幾種切換方式的啟動時間和發出分合閘命令的時序等是不一樣的。對美國BECKWITH公司生產的快速切換裝置M4272而言，在串聯順序切換中，轉換觸發后延時10ms，裝置發出跳閘命令，等待斷路器跳閘、狀態反饋回裝置，裝置延時4ms確認斷路器已跳閘，然后同時啟動快速切換、首次同期捕捉切換、殘壓切換三種方式，再經過30個周波的延時，啟動延時切換方式。若相位、頻差不滿足快速切換的設定范圍，快速切換不成功，將自動進入首次同期捕捉切換，若也不成功，將自動進入殘壓切換，再不成功，則進入延時切換。在同時切換中，轉換觸發后延時10ms，裝置發出跳閘命令，同一時刻快速切換、首次同期捕捉切換、殘壓切換三種方式同時啟動，不待斷路器跳閘，也不待斷路器狀態反饋。但是，斷路器狀態反饋回裝置后，裝置延時30ms才啟動延時切換方式。這個過程中，若母線殘壓和備用電源的相位滿足快速切換的參數設定，裝置發出跳閘命令的同時發出合閘命令。

4 切換實例及結論

在某次電源故障引起的自動切換中，M4272快速切換方式觸發并切換成功。切換過程中裝置自動錄波并采集了數據，根據設定，裝置在75%低電壓并延時40ms后啟動，啟動時相角差約為-7?，頻差約為-0.02Hz。從裝置啟動到出口命令繼電器動作（同時切換類型，同時發分合閘命令）用時約T1=5ms，從裝置啟動到工作電源斷路器分閘，用時約T2=55ms，從裝置啟動到備用電源斷路器合閘，整個切換過程用時約T3=67.4ms。合閘瞬間，母線殘壓降至71.2%（41.1V），相角差為 -12.7?，頻差為 -0.78Hz。因為該母線上存在大容量同步電動機，所以電壓、頻率等參量波動都比較小，在切換過程中，裝置自動減載功能根據設定自動切除了部分負荷。從中也可計算，該型斷路器分閘時間約T4=55-5=50ms，合閘時間約T5=67.4-5=62.4ms，既斷路器的固有分閘時間比固有合閘時間短。合閘瞬間的電壓向量

由此可見，快速切換裝置不僅能實現快速切換、滿足連續性生產的需要，而且還能保證切換過程中不對設備造成損壞，滿足了實際生產的需要，提高了企業供電的可靠性，能為企業帶來合理的經濟效益。

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作者簡介

喻勇斌（1977-），男，漢，湖北省京山縣人，本科，高級工程師，電氣主管，主要從事高、低壓電氣設備的運行維護、瘠薄啊試驗等方面的管理工作。