快切與傳統備自投系統優缺點分析

羅文新 崔春全 張宏達 楊連艷

摘 要：以SUE3000快切裝置為例，闡述了快切系統工作原理、使用條件，對比分析了傳統備用電源自投系統與快速切換裝置的優缺點以及在化工企業連續生產裝置使用快切的必然趨勢，同時提出了快切裝置在使用中應注意的事項。

關 鍵 詞：快速切換；備自投；單母線分段

中圖分類號：TE 624 文獻標識碼： M 文章編號： 1671-0460（2016）04-0856-04

Abstract： Taking SUE3000 fast switching as an example， the working principle and using conditions of the fast switching system were introduced. Advantages and disadvantages of traditional standby power source automatic switching system and the fast switching system were analyzed. Some attentions during using the fast switching device were put forward.

Key words： fast switching； standby power source automatic switch； single-bus section

煉化企業生產裝置對供電平穩性要求很高，一般按二級負荷設計[1]，因此平穩供能尤為重要。而供電過程中，高壓系統晃電是影響供電質量的主要因素之一，電網波動或瞬時失電均可能造成整個化工裝置生產波動甚至是停車事故。目前，大部分生產裝置均采用傳統的備用電源自動投入裝置（簡稱備自投）來保證連續供能，經過多年的運行，逐步顯現出其啟動速度慢、切換方式單一以及瞬間斷電等諸多缺點。遼陽石化公司通過引進ABB SUE3000快切裝置，完成了對原有母聯備自投裝置技術升級改造工作，在保留原有母聯備自投所有功能外，通過快切裝置，實現了在電網同步性的前提下，系統電源故障及晃電時還能真正實施快速有效的切換，保證了供電系統的連續性，也提高了供電系統的安全性，取得了良好的效果。

1 傳統備自投裝置介紹

1.1 自投保護啟動

廠級變電所高壓一次系統主接線一般為單母線分段設置，母聯開關設備自投裝置。系統正常運行方式為：高壓進線Ⅰ和進線Ⅱ解列運行，母聯開關處于熱備用狀態。只有同時滿足以下基本條件后備自投保護才會啟動：

（1）故障母線低電壓跳閘（80%UN以下，延時1.0 s左右，考慮上下級配合適當調整）；

（2）兩段母線不能同時出現欠電壓（常規做法是兩母線電壓同時低于70%UN時，兩進線電源低電壓保護均不動作，閉鎖母聯備自投）；

（3）故障母線開關為非過流保護動作跳閘（任何一進線開關過電流保護跳閘，閉鎖母聯備自投）；

（4）故障段母線殘壓低于40%UN；

（5）備用饋線母線電壓不得低于90%UN。

啟動后，切換順序為先延時跳開故障段進線開關，后投入母聯開關，動作時間一般在1 000 ms以上，切換時間較長，直接導致間斷供電現象。

1.2 傳統備自投系統技術分析

傳統備自投裝置的使用，可提高供電可靠性和連續性，在發生電網事故或線路故障時，保證供電的連續性，在化工生產裝置運行中起到了積極的作用。但在實際運行中，也存在以下缺陷：

首先，由于傳統備自投裝置無檢測相位、頻率等手段，無法檢測電源相位、頻率等運行參數，只能通過檢測電壓幅值信號來判斷電源運行狀態。當電源出現故障，供電中斷時，故障母線殘壓逐步降低，高低壓電動機運行電流增加，高壓電機低電壓或過流保護動作跳閘，該段變壓器所帶低壓電動機交流接觸器欠壓脫扣或變頻器斷電，使得電機停運，故障段母線殘壓直線下降，此后備自投保護啟動，先跳開故障母線進線開關，后合母聯開關，恢復故障段母線受電，過程中由于出現間斷供電，對生產造成較大波動。

通過母聯將備用電源再投入時，由于化工生產裝置的電動機均帶自啟動功能，特別是大容量電機自啟動電流遠大于額定電流，大批量電動機啟動，容易拉低母線電壓，造成惡性循環，其結果是導致電機啟動失敗，甚至使剛投入的母聯開關由于大電流沖擊而保護跳閘；或由于供電回路電流瞬間增加，對于整個電網系統形成沖擊，如廠變上級供電系統沒有及時調整，可能會造成上級供電系統電壓瞬時下降乃至瓦解，造成更大生產事故。

其次，傳統備自投系統線路接點過多，接線復雜，繼電器數量多，繼電器的狀態及接點正常與否不直觀，對備自投充電滿足條件不明確，發生故障時不易判斷處理，還存在某個繼電器或節點發生故障時容易造成拒動或誤動問題。這些不利因素也制約著傳統備自投保護作用的發揮。

2 快切裝置SUE3000工作原理及使用

隨著科技的飛速發展，電氣技術創新取得了長足的進步，真空斷路器可以實現快速合分閘，使得快切技術得以應用，較好地彌補了傳統備自投裝置的缺點，迅速應用于供電系統，為保證裝置平穩供電提供了技術保障。

2.1 邏輯處理和高精度的模擬信號處理功能

主要表現在饋線狀態與操作特性兩個方面。邏輯量即三臺斷路器的開關狀態節點、位置節點、開關儲能點等均進入快切保護裝置，通過內部PLC的編程實現各類邏輯聯鎖條件。模擬量通過CT、PT采集，采集后的電流和電壓的模擬量進入接口電路， 進入裝置的電流電壓信號通過內部的數學模型計算，將電流分解成正序電流、負序電流、零序電流分量，根據故障狀態下各電流的分量達到整定值要求從而實現短路保護、負序保護和接地保護等；進入保護器的電壓信號經過模數轉換計算后，該裝置時刻比較兩母線電壓。經邏輯判斷后實現欠壓轉換、過壓報警、系統閉鎖等功能。在比較被測電壓的幅值，頻率差和相角差等參數滿足條件后，快切裝置瞬時將負荷切換到正常運行饋線上，以保證高壓電機、變壓器等負荷連續運行。

2.2 使用條件易滿足

一般供電系統，只要滿足以下條件，均可使用SUE3000快切裝置，保證平穩供電：

（1）為實現不間斷的電源供電，高壓負荷應至少由兩條同步且互相獨立的饋電線路供電。一般化工企業均自帶自備電廠，只要兩饋電線路來自于兩臺獨立的變壓器，并且滿足兩線路及兩臺主變（電源）的并列條件，即可滿足。

（2）具有分合閘動作時間較短的斷路器。斷路器的分合閘動作時間參數對整個快切動作時間影響起決定性作用，快速切換時間應在30～100 ms時間內完成，大于100 ms交流接觸器等就會欠壓脫扣或過流保護動作，快切將失去應有的作用。目前常用的高壓斷路器，按其分合閘時間長短排序為少油斷路器，SF6斷路器，真空斷路器，一般與快切配套使用應選用分合閘時間在80 ms以內的真空斷路器[2]。

（3）用以控制啟動快速切換裝置的繼電器應選用快速繼電器。

2.3 SUE3000系統主要參數的設定

（1）相角差?Max 是指故障母線與備用饋線（兩饋線是互為備用的）之間的相角。以此作為是否具備同步的條件，臨界值可根據超前或滯后母線分別進行調整。通常按±20°整定，理論上，一般為滿足實現母聯合閘的電壓差不大于1.1UN并且高壓電機及母聯開關繼保不動作的條件限制，其整定值可以是±30°[3]。

（3）UStand-by > UMin1 備用饋線電壓保持正常是進行切換的必要條件。即只有當饋線電壓存在并滿足整定值時方可實行切換。UMin1 一般按正常電壓 UN 的80%進行整定。

（4）UBusbar > UMin2 母線電壓監視來判斷快切是否可以正常進行，它和相角及頻差一樣也被視為快切的一個條件。UMin2通常設定為正常電壓UN的70%，如母線電壓低于此值，切換時將會產生暫態效應，不允許進行切換。

2.4 SUE3000使用優勢

與傳統備自投裝置比較，由于設置了檢測相位、頻率等元件，SUE3000不僅可檢測電壓幅值還可檢測相位、頻率等參數，可實現供電的狀態監測。而且裝置轉換模式首選為快速切換方式。當發生晃電時，主饋線和備用饋線的參數在限定值范圍以內可進行快速切換，同步發出母聯斷路器的合閘和進線斷路器分閘命令。在此情形下的無電流的切換時間僅取決于斷路器合分閘的時間差。對于真空斷路器而言，以VD4為例，合閘時間約為55～67 ms，分閘時間約為33～45 ms，其固有合閘時間大于分閘時間，經現場試驗從系統發出觸發指令到切換完畢時間約90 ms。因此可認為切換是在不斷電的情況下完成的，對電網系統擾動較小。與傳統備自投相比較，可保證高低壓電動機、變壓器等重要負荷在發生晃電等故障情況下保持運行。從快速切換波形圖中可看出，其無電流切換時間在一個周波以內完成，約為15 ms左右，如圖1所示。

其次，SUE3000快速切換裝置按實時微處理系統設計，相對傳統備自投裝置而言，快速切換裝置綜合考慮整個饋電系統運行的綜合情況，除可實現快速切換外，還具有首次同相切換（時間250～500 ms）、殘壓切換（時間400～1 200 ms）、延時切換（時間>1 500 ms）多種后備切換方式，是對主切換保護的補充，它還集正常操作與故障切換于一體，提高了供電系統的安全性。

2.5 SUE3000使用優勢特點

與傳統備自投裝置（BZT）比較，SUE3000快速切換裝置具有明顯的優勢。

（1）在某一供電饋線電壓下降或完全斷電的情況下，通過快速切換到備用電源上，由于切換速度快，對于電動機為電感性負荷，在切換過程失去工作電源后，母線電壓并不是立即下降為零，而是通過電動機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連續的電壓與頻率的逐步衰減的殘壓，由于這個殘壓的存在，保證了在備用電源快速投入前大部分電動機及其它負荷不被切除，備用電源快速投入后再次受電連續運行，保證化工裝置生產的連續性。這是SUE3000快速切換裝置最顯著的優勢特點。

（2）具有故障自診斷與自動處理功能。快速切換同時發出分合閘命令，切換時間很短，保證了不間斷供電，但是，如果驅動進線斷路器分閘出現故障，不能動作跳閘，兩個饋線電源產生短時的并列，SUE3000能根據預先設定立即分開分斷母聯開關自動解列，以防止不允許的并列。

（3）手動啟動快切的功能可大大簡化設備的操作。由于快切裝置可以實現手動并列切換，即可以根據同期快切準則，先合母聯分段開關，再自動跳開進線開關，這就使系統負荷調整操作變得即簡單又可靠，可以實現遠方操作，省時省力，降低操作風險。

（4）SUE3000具有多種配置方案。快切裝置具有多種自由選擇的方案與參數選項，可以靈活方便地編程，實現各種邏輯控制需要，如特殊的閉鎖與解鎖功能，以及用電負荷的減載功能等。

（5）具有故障錄波功能，便于故障分析。其錄波時間范圍為1 000 ms到5 000 ms，錄波時間由故障前和故障后兩部分組成，可分別設置時間長度，可以分析故障前后系統狀態。

（6）多種通訊方式可以選用，提供光纖、以太網、RS485接口等，滿足后臺監控等各種要求。

2.6 SUE3000實際應用效果

目前，在廠用變電所安裝了10套SUE3000快切裝置，主要采用快切裝置與線路光差保護（進線線路出現短路故障啟動光纖縱差保護，跳開廠變進線及廠變上級配出開關，快速切除故障線路）配合方式。確保線路故障與供電電源波動均能可靠地啟動快切裝置。同時與光差保護裝置過流啟動信號配合，以避免穿越性故障使光差保護誤動作，造成快切裝置誤啟動。為了解決快速切換過程中，低壓交流接觸器由于電壓波動主觸點斷開而停機問題，配合以低壓交流接觸器加裝防晃電輔助模塊，合理設置延時脫扣時間，保證在“晃電”時交流接觸器不脫扣，切換瞬間，交流電動機群處于異步發電狀態，又使母線保持了較高的殘壓，既避免了其它電氣設備停機，又解決了“晃電”時交流接觸器失壓機組群停，機群同時自起問題[4]。

裝置投運后經受了2次進線失電事故的考驗，快切裝置按事先設計的方案正確動作，未造成裝置大的波動，至今未發生不正確動作情況，應用效果顯著。

3 快切裝置使用注意事項

目前，快速切換裝置主要應用于廠用變電所，為了保證其可靠動作，降低晃電對廠用電設備及供電系統影響，對于快切裝置使用還應注意以下事項。

（1）應保證雙回線負荷每一回線容量滿足帶全負荷條件，上級負荷保護與功率匹配滿足要求。如果由于技術原因與供電負荷容量原因，需要對一些電機進行減載，在毎次啟動快切的同時，發出一個分閘命令去分相應電機斷路器。

（2）兩高壓進線斷路器除快切過流保護外配有單獨過電流保護時，應將過電流保護動作信號送至快切裝置，閉鎖低電壓啟動快切信號，避免誤切造成故障擴大。

（3）三臺主斷路器輔助狀態節點在數量滿足的前提下，應冗余使用，禁用中間繼電器轉換后用于快切控制，避免影響動作速度，甚至發生誤動作故障。

（4）系統應可靠接地，在高壓系統二次回路應用過多的電子元件或電氣保護裝置時，系統接地電阻應按防靜電接地電阻值標準試驗，確保接地電阻值小于1歐姆，具備條件時最好使用單獨接地網，以有效避免電磁干擾。

（5）設置PT斷線閉鎖功能，配有PT二次微型斷路器應配有輔助接點，微型斷路器跳閘閉鎖保護動作，以避免因假低電壓信號發生誤動作。

（6）應盡量避免出現耦合狀態。由于進行快速切換時，分合閘指令是同時發出的，如果開關分閘動作時間大于合閘動作時間，由于這個原因，某一時間段內，保護驅動兩個斷路器處于同時合閘狀態，兩進線中將產生一段耦合時間，應根據現場保護驅動開關實際動作時間，合理設置裝置去耦合時間，避免出現快切失敗，甚至影響供電系統。

（7）系統施工后調試應全面，尤其在帶負荷試驗時，對三個斷路器在試驗與運行位各種配合調試應充分考慮，確保裝置可靠動作，同時避免反送電現象的發生。

4 結 語

SUE3000快速切換裝置相比傳統備自投裝置，應用優勢明顯，在易燃易爆的重要化工企業不僅大大地提高了設備的可用性，而且可有效降低由于電源波動造成頻繁開停車所發生的物耗和能耗，即一次成功的快速切換，可保證裝置的連續安全運行，節省了大量重新開車費用，由此可補償整個快速切換裝置的投資費。國內的煉化企業一般建廠時間較長，重要的化工裝置供電大部分還使用傳統的備自投系統，在滿足相應切換條件的前提下，由快速切換裝置替代原有備自投系統是必然趨勢。

參考文獻：

[1]GB50052-2009供配電系統設計規范 [S].

[2]姚元尚.快切裝置在電廠中的應用[J].科學與財，2015（6）：216-216.

[3]付英杰，梁智珊，夏鵬程. 雙電源快速切換裝置相位差整定仿真分析[J].電氣應用，2013（7）：45-50.

[4]吳杰.快切裝置替代備自投裝置提高供電系統可靠性[J].電力通用機械，2015（3）：70-71.