巨型水電機組動力柜電源切換裝置探究與設計

2020-10-09 06:43:10于遠航艾遠高王本紅周立成

關鍵詞：故障

于遠航，艾遠高，王本紅，周立成

（中國長江電力股份有限公司三峽水力發電廠，湖北宜昌443133）

雙路電源冗余切換是保證持續可靠供電的有效手段，其供電方式為：采用兩路獨立電源，正常狀態下兩路電源各自承擔部分負荷，當其中任一路電源發生故障時，電源冗余切換裝置迅速進行切換，由另一路通過聯絡開關擔負起所有負荷，保證設備的持續正常運行[1]。

目前電源冗余切換裝置根據轉換開關的不同，主要分為2類，自動轉換開關電器（ATSE）和靜態轉換開關（STS）[2]。ATSE采用繼電器或者斷路器完成切換，STS則是采用可控硅、IGBT等電力電子器件完成切換，二者各有優劣[3]，分別應用于不同場合。

水電站巨型水電機組動力柜為機組主要設備提供電源及控制，本文對比各類雙路電源切換原理，設計一款應用于巨型水電機組動力柜的新型切換裝置，并優化裝置硬件配置與控制邏輯，提高供電可靠性。

1 設計原理探究

研究對比常見的電源切換原理，根據邏輯執行元件的差異主要有如下幾種：

（1）電源監視器與電磁繼電器的組合回路

切換原理示意圖如圖1所示，電源監視器監視雙路電源狀態，通過電源監視器與中間繼電器接點的邏輯配合動作電源進線斷路器與母聯斷路器，實現電源冗余切換。

圖1 電源監視器與繼電器雙路電源切換示意圖

（2）邏輯控制器與繼電器組合回路

采用小型PLC與電源監視繼電器、中間繼電器的組合回路完成控制功能[4]：

原理示意圖如圖2所示，由電源監視繼電器檢測雙路電源狀態，PLC進行邏輯判斷并通過開出接點分合電源進線斷路器與母聯斷路器，實現電源切換。

（3）單片機與繼電器的組合回路

單片機與繼電器的組合回路可實現智能型雙路電源切換[5]，單片機體積小巧便于封裝且可開發程度高，但單片機抗干擾能力及驅動能力較弱，需要較多外圍設備配合。

圖2 PLC與繼電器組合雙路電源切換示意圖

（1）裝置具有電源監視、開關狀態監視、分合閘指令輸出、故障報警、可視化顯示、手動/自動模式切換等功能。

（2）硬件可靠耐用，控制邏輯能實現雙路電源有效快速切換且可避開由進線電源瞬時波動造成的斷路器頻繁分合閘。

（3）適用性強，無需其他設備配合，只需將裝置接入一次回路即可實現上述功能。

邏輯控制器是切換裝置的核心元件。綜合考慮控制器的尺寸、輸入輸出通道數量和容量要求等因素，選取西門子LOGO!小型PLC作為裝置的邏輯控制器。

切換裝置設計如圖3所示，電源監視繼電器實現電源監視功能，并將信號送至控制器輸入點；開關狀態監視端子監視各斷路器狀態；合閘、分閘指令輸出和故障報警功能由控制器進行邏輯判斷后通過輸出接點開出[6]。

圖3 裝置內部回路圖

（1）電源進線斷路器QF01、QF02控制邏輯（以QF01為例）

進線斷路器控制邏輯如圖4所示：當第1路電源不正常時（欠壓、過壓或缺相），只要未收到合閘指令，QF01立即分閘。QF02和QF03均處于合閘狀態時將閉鎖QF01合閘。

當QF02處于合閘狀態，第1路電源恢復正常，且母聯斷路器已分閘，引入延時1s后（防止第1路進線電壓瞬時波動造成斷路器頻繁分合閘）QF01合閘。

當第2路進線開關QF02分閘時，無論母聯斷路器處于何種狀態，一旦第1路電源恢復正常，立即合QF01，保證有一路供電。

圖4 電源進線斷路器QF01、QF02控制邏輯

（2）母聯斷路器QF03控制邏輯

母聯斷路器QF03的分合閘邏輯如圖5所示，當進線電源一路正常，另一路故障，且故障線路進線斷路器已分閘，引入延時1s（防止故障線路電壓瞬時波動造成斷路器頻繁分合），合QF03，將所有負荷轉移至正常路電源。

2路進線開關QF01、QF02同時處于合閘狀態可閉鎖QF03合閘。

當兩路進線電源同時恢復正?；蛲瑫r發生故障時，QF03分閘。

圖5 母聯斷路器QF03控制邏輯

（3）故障報警邏輯

裝置在以下2種情況下開出故障報警信號：

1）電源監視繼電器檢測到進線電源故障。

2）進線電源正常，但該路進線斷路器始終不合閘（可能為斷路器脫扣、損壞或裝置內部故障導致）。

通過邏輯設計可減少1對斷路器故障反饋接點接入裝置，簡化了硬件回路，同時可較為全面地反映電源與回路的故障情況。

裝置操作顯示功能采用小型觸摸屏實現，通過以太網接口與LOGO! PLC進行通信，顯示電源及開關狀態，同時可切換裝置的操作模式，通過觸摸屏操作控制開關分合閘。

本文以某水電站巨型水電機組動力柜雙路電源切換回路為例設計一種雙路電源冗余切換控制裝置，該裝置硬件上注重通用性和可靠性，邏輯上注重可靠性與時序配合，具有適用性廣，便于根據應用場合自主設計與制造的特點。保證了設備的安全可靠供電，同時對裝置本身的維修維護也帶來了較大便利與可行性。