淺談廠用電切換技術的原理及影響因素

劉建成

摘 要：廠用電對工廠的安全生產、穩定運行十分重要。本文對廠用電切換的概念及切換方法進行了分析；指出目前該領域的某些誤解及不足。闡述了廠用電切換的基本原理及切換方式；提出了新形勢下廠用電切換模式。

關鍵詞：廠用電切換；快速切換；電機；低電壓

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.20.197

0 引言

廠用電系統對工廠生產運行安全十分重要，而廠用電切換是其中的重要環節，其目的是當廠用工作電源故障時，及時退出工作電源并投入備用電源，維持連續性生產。目前市場上個別廠家在廠用電切換問題上大談并聯、串聯，并聯半自動等混淆視聽的概念問題，讓廣大用戶目不暇接，無所適從。本文將在切換原理、切換方式等方面系統闡述；同時結合筆者在工程實踐中的體會，就串、并聯切換，系統閉鎖條件等用戶關心的問題談談自身的觀點，以供有關人員參考。

1 切換原理

當廠用電斷電以后，旋轉負載的轉速不能突變，將在短時間內繼續旋轉，并將轉動的機械能轉變為電能。由于各旋轉負載的轉速、轉動勢能等參數不一致，此時部分異步電機轉入異步發電機運行工況，因此廠用母線的電壓實際上是所有負載反饋電壓的合成，稱為母線殘壓，母線殘壓的幅值和頻率將隨時間逐漸衰減，殘壓和備用電源電壓間的相位差將逐漸增大。為了清楚的表示出殘壓相位的變化情況，用極坐標形式畫出殘壓相量圖（見圖1）。

圖1中，以A為圓心，以1.64（單位長度為1）為半徑繪出弧線，其右側為備用電源合閘的安全區域。在殘壓曲線的段，實現的切換稱之為快速切換；BC段為切換的不安全區域，不允許切換，CD段允許切換，而在整個CD段中，與的交點處，ΔU最小，我們把在該處合上備用電源的切換稱為首次同相切換；母線殘壓經過第一次同相點后，繼續下降，當殘壓衰減到20%～40%時實現的切換稱為殘壓切換；母線電壓進一步衰減經過殘壓切換點后，延時一定時間，確保母線無壓后執行的切換稱為延時切換。

1.1 切換選擇方式的分析

廠用電切換有3種切換選擇方式分別是串聯切換，并聯切換及同時切換；下面分析下3種切換選擇方式：

串聯切換：指先分工作進線斷路器，確認該斷路器分閘后，再合備用電源斷路器，串聯切換存在有以下不足：

第一：切換過程時間長，切換時間T =T1+T2+T3++T5+T2+T4+T5>190ms，已失去最好的切換時機，有可能轉至最不利的切換區間，即使切換成功，其切換質量也不可觀。

T1 保護繼電器故障檢測時間 （約45ms）

T2快切裝置的動作時間 （約10ms）

T3 斷路器分閘時間 （約45ms）

T4 斷路器合閘時間 （約60ms）

T5 斷路器輔助接點響應時間 （約10ms）

第二：母線掉電時間過長，母線掉電時間T=T5+T2+T4>80ms

第三：整個切換過程環環相扣，任何一個環節的延誤或失敗都影響切換效果，比如：切換過程與斷路器輔助接點動作可靠性密切相關。

并聯切換：指先合備用電源斷路器，確認備用電源斷路器合閘后，再分工作進線斷路器；并聯切換主要有以下限制及風險：

在切換過程中，廠用電系統短路容量增大，如在并聯過程中，系統發生電氣故障，將造成嚴重后果。且由于系統接線方式和運行方式決定了正常運行時廠用母線電壓與備用電源電壓間的初始相角，若該初始角較大，并聯切換會因環流過大而不能執行切換；即便執行切換也面臨設備損壞事故的風險。

同時切換：同時發出分、合閘指令去分工作以及合備用電源斷路器，同時切換其實就是真正的快速切換，闡述如下：

決定切換模式的關鍵是切換啟動瞬間的系統狀態，根據系統狀態選擇最優切換模式。同時切換可以在最短的時間切斷故障電源以及恢復系統供電，保證系統的連續運行及設備安全，是最優的切換模式。隨著國內電力市場的發展，國家在廠網建設方面的大力投資已及國外新設備、新技術的涌入，目前國內開關行業日新月異的發展水平；斷路器的可靠性已大為提高，將以往斷路器的拒動概率應用在今天是不合理的。如果輔以全面的閉鎖條件，比如回路監視等，將斷路器拒動的情況限制在機構問題上，幾率就很小了。再考慮到故障同時率，即在切換的過程中同時出現斷路器機構故障的概率就更小了。國外走在我們前面的廠用電切換早已鄙棄切換對機組帶來沖擊，增長母線斷電時間的串聯切換。而我們由于過時規程、過時技術的影響，還在無原則的全面繼承“備自投”時期的串聯切換理念，將它嫁接在如今的快速切換上。如果斷路器機構在切換過程中發生故障，我們可以采用快速自動解耦合操作將備用斷路器分閘即可；這時斷路器在并聯時間在50ms～100ms以內，這對系統是安全的，因為設備的故障耐受時間設計為3000ms～4000ms。

關于并聯切換，這種方式存在切換過程中增大系統短路容量的潛在風險。因此并聯時間應越短越好。當前國內有的快切廠家鼓吹的所謂“并聯半自動”：正常切換允許自動并列合上備用斷路器后，再人工去跳閘另一個斷路器是尤其不可取的。這種操作就是BZT時期“同期合閘，人為分閘”的簡單沿襲。用在如今的快切時代，可以說是一種設計思想的倒退。

2 幾個關鍵的數據

廠用電切換是系統工程，它涉及到保護、斷路器、快切裝置的設計及選擇，系統配置及裝置運行方式的研究，繼電保護與快切整定的配合。實際工程中，需要工程設計、安裝施工、設備調試、定值整定、使用維護的多方配合。任何無根據的選擇或相關配合失誤都是危險的。下面就幾個關鍵問題進行闡述。

2.1 全面、系統的閉鎖條件

由于快速切換整體切換完成時間在100ms內，傳統的BZT切換完成時間在1500ms以上。因此，很多BZT適用的閉鎖條件已經不適用于切換速度比其快100倍以上的快速切換。比如在低電壓啟動切換中時，引入過流啟動信號來閉鎖母線故障情況下的低電壓啟動外，還有以下閉鎖條件需要考慮：

（1）分、合閘回路監視。引入全工況的分、合閘回路監視可以時刻了解斷路器分、合閘控制回路情況，同時結合輔助電壓完好監視，斷路器手車位置監視、斷路器彈簧儲能監視等將斷路器的拒動原因降低到其機構問題上。

（2）PT回路斷線閉鎖。靈活應用低電壓啟動切換，可以解決許多諸如“晃電”等電源質量問題。全面、系統的PT回路斷線閉鎖包括PT手車位置、PT熔絲完好情況、PT二次空開監視等。

2.2 廠用電切換與減載功能的結合

對于不要求自啟動和不能自啟動的負載應該切除，同時結合考慮在切換中哪些負載電流最大、最不安全，以及自啟動時輔機恢復快慢情況等。減載功能主要應用在以下兩方面：

（1）在切換啟動的瞬間，此時切去一些不重要的負載或者是容量較小的負載以減緩母線電壓的下降速率。這種減載功能還可以用在啟備變容量在設計時不足的場合，比如幾段母線同時故障，廠用電通過快速切換同時切換到啟備變上，而啟備變容量又不足的情況。

（2）在慢速切換時，比如首次同相切換時，此時母線掉電時間約為0.6s，母線電壓衰減至70%左右，電機轉速急速下降。這時通過減掉一些負載，減緩母線電壓的下降，確保重要負載繼續運行。

2.3 首次同相切換時的注意事項

首次同相切換是在系統失去快速切換時機后，在母線電壓變幅值、變頻率、變角度的情況下，裝置捕捉母線電壓與備用電源的第一個同相點時進行的切換。它是快速切換的有力后備。此時，相角差θ=3600，裝置提前一個合閘時間窗發出備用斷路器合閘命令。首次同相切換時應注意以下2點。

（1） 斷路器操作時間的設定。廠用電快速切換需要具有短操作時間的斷路器，應盡量選擇相同廠家、相同型號的斷路器。才能保證工作電源斷路器分閘快于備用電源斷路器合閘操作，而系統斷電時間也不至太長（一般在15s～20ms）。

由于斷路器分、合閘時間具有一定離散性；還需要較準確設定斷路器的分、合閘時間。如果分、合閘時間設定不準確，將導致首次同相切換時不能合閘到θ=3600附近。由于斷路器操作時間隨輔助電源電壓的高低而不同，在鄙棄串聯切換的情況下，應設置輔助電源電壓100%情況下對應的斷路器分、合閘操作時間。必要時，可在現場調試時，通過錄波測定斷路器的操作時間。

（2） 滑差閉鎖。首次同相切換僅檢驗母線電壓與備用電源的相角差是不夠的。對于母線殘壓下降迅速，在θ=3600附近，電壓幅值可能遠低于70%，在較大情況下，電機轉速下降迅速且此時轉速也遠低于正常運行轉速。此時執行首次同相切換，即使合閘時的相角差很小，但此時電動機需經歷一個較長的暫態過程才能進入同步運行狀態，對電機、系統造成很大沖擊。故此時應閉鎖首次同相切換的啟動。

3 結論

伴隨著計算機技術、通訊技術的發展，微機型繼電保護裝置迅猛發展；同時隨著斷路器生產技術的提高。我們應該摒棄舊觀念，只要系統組快切區域內，切換時間越短，則切換質量越好。通過全面、系統的工程設計、精細的安裝施工、設備調試、完善定值整定配合；新型的快速切換在保證高質量的動作成功率下，還能方便用戶的操作使用、減少設備維護量；降低系統操作過電壓，對確保電廠的安全生產，減少事故危害都有著重要作用。

參考文獻：

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