三電源自動轉換開關及其機械聯鎖

錢 清, 王鵬程, 周國華, 張 斌, 童林杰

(1.杭州電力設備制造有限公司 蕭山欣美成套電氣制造分公司, 浙江 杭州 311217;2.國網浙江杭州市蕭山區供電有限公司, 浙江 杭州 311200)

0 引 言

隨著我國城市現代化的發展,電力作為驅動城市日常運轉的主要動力源,其中有消防控制系統、電梯、大型商場(大型人員聚散)的照明等用電設備,屬“一類(重要)用電負荷”,按供配電設計規范,要求配備3個電源,以保障其供電可靠性、連續性,采用多個電源的冗余供電系統,是一項主要的技術措施。

GB 50052—2009《供配電系統設計規范》標準,根據用電設備對社會政治生活、經濟活動影響嚴重性,將用電負荷劃分為一級、二級、三級。一級為重要負荷,應由二個電源供電,當一個電源故障時,由另一個電源保障其供電[1]。雙電源自動轉換開關(ATSE)因運而生,替代配電室值班人員,監視二個電源狀況,當一個電源故障時,將重要負荷自動轉換至另一個電源供電,保障其連續可靠運行[2]。

一級重要用電負荷中,影響生命健康用電負荷,以及特別重要場所的用電負荷,視為特別重要負荷,設計規范要求采用三個相對獨立的電源系統冗余供電。工程中一般采用2個公共電網電源、1個發電機(和/或UPS)電源,如文獻[3]介紹了醫院發熱門診擴建工程電氣設計方案,采用了3個電源的低壓配電系統。

另外,某些場所2個公共電網電源不足以滿足一級重要用電負荷的供電連續性等原因,也會配備發電機作應急電源,如展覽館、劇場的低壓配電系統。

1 目前三電源的自動轉換方式

1.1 母聯開關+ATSE

由于3個交流電源的初相角偏差、頻率偏差、電壓偏差等因素的影響,不能并列供電,同一時刻只能由其中的某一個電源,對特別重要用電負荷供電。通常由電網電源(UⅠ)供電;當UⅠ異常時,切換至另一電網電源(UⅡ)供電;如果發生地震、強雷暴、強風暴等緊急事態,UⅡ、UⅠ2個公共電網停電時,起動發電機(UF)供電。上述過程中,電網電源(UⅠ)與電網電源(UⅠ)之間由值班人員操作母聯開關轉換;電網電源與發電機之間的轉換由ATSE完成。

1.2 2臺ATSE

采用2臺ATSE實現三個電源之間自動轉換的方案,其中1臺“電網Ⅰ-電網Ⅱ型ATSE”和1臺“電網-發電機型ATSE”。采用2臺雙電源轉換開關的電路如圖1所示。

圖1 采用2臺雙電源轉換開關的電路

簡略工作原理(邏輯關系)如下:

(1)1號ATSE檢測到:電網Ⅰ正常、電網Ⅱ正常,優選S1“合閘”;S2“分閘”鎖定。2號ATSE檢測到:電網側正常→選擇S3“合閘”;發電機側S2“分閘”鎖定。電網Ⅰ→S1→S3→負載。

(2)1號ATSE檢測到:電網Ⅰ異常、電網Ⅱ正常,選擇S2“合閘”;S1“分閘”鎖定。2號ATSE檢測到:電網側正常,選擇S3“合閘”;發電機側S2“分閘”鎖定。電網Ⅱ→S2→S3→負載。

(3)1號ATSE檢測到:電網Ⅰ、電網Ⅱ都異?！鷥炦xS2、S1“分閘”。2號ATSE檢測到:電網側異常,S3“分閘”鎖定,起動發電機S4“合閘”。(發電機→S4→負載)。1號ATSE檢測到:電網Ⅰ(和/或)電網Ⅱ恢復正常;回到a或b狀態,并使發電機停止。

1.3 目前三電源轉換方式存在的問題

母聯開關+ATSE的問題,母聯開關的轉換,需值班人員觀察2路電網電壓的狀態,分析是否有過/欠壓、缺相等故障,判斷是電壓波動,還是持續故障之后再手動操作母聯開關,完成電源轉換。整個過程時間較長,且受值班人員的工作經驗等因數的影響。

2臺ATSE存在的問題:體積大,占用配電柜的空間多;性價比低,需2臺雙電源自動轉換開關投資,且安裝、接線繁瑣;轉換過程較長,且是串聯使用,故障概率增加1倍,可靠性較差。

2 三電源自動轉換開關

三電源自動轉換開關的功能與雙電源自動轉換開關相似,需分別檢測三路電源的電壓偏差(或頻率偏差),自動轉換至狀態正常的電源對特別重要用電負荷。如優先選擇狀態正常的公共電網電源,對特別重要負荷供電,其中2個公共電網電源設置一常用一備用時,優先選擇常用電源,備用電源次之;設置互為備用時,任選其一。當2個公共電網電源異常時,起動發電機至電壓正常時,自動轉換至特別重要用電負荷供電。

三電源自動轉換開關用途,是替代上述2個雙電源自動轉換開關,實現3個電源間的自動轉換,主要結構是由3個開關設備作主回路(其中包括三個檢測電路),分別與電源連接;一個控制器接收檢測電路的信息,判別電源狀態(正常/異常),按預定程序控制開關設備切換電源。另外,3個開關設備之間還有一套機械互鎖機構和一套電氣互鎖電路,防止電源并列運行,滿足文獻[2]、文獻[3]規定的電氣安全要求。

三電源自動轉換開關的類型為派生型CB級自動轉換開關,適用的電源類型為電網-電網-發電機。

3 三電源自動轉換開關設計方案

3.1 選用塑殼斷路器作主回路開關

本設計方案采用GF系列數智斷路器,具有DC 12 V的輔助電源輸出端口[4]。因此,省略了采用其他開關電器時,在其外部配備的電壓取樣電路,使三電源自動轉換開關的結構整潔緊湊,電路簡潔可靠。

3.2 控制器設計方案

控制器的工作電源由3臺數智斷路器的DC 12 V輔助電源輸出端口并聯供電,省略控制器的電源模塊部分的電路,減少發熱;不需要引入380 V電源,提高MEC性能,安全可靠。

控制器的4個開關量輸出端口,分別與3臺數智斷路器的開關量遠控端口、發電機遠控端口連接。

控制器采用RS-485串口通信,與3臺數智斷路器雙向通信,接收斷路器檢測的電壓、過電壓、缺相等電源故障信息,根據3個電源的(故障/正常)狀況,按預定的優先順序,命令3臺數智斷路器“分閘”、“合閘”。

默認優先順序如下:

(1)電網Ⅰ正常,電網Ⅱ正常,發電機停止。命令S2、S3“分閘”鎖定;S1“合閘”。電網Ⅰ,經S1至負載。

(2)電網Ⅰ異常、電網Ⅱ正常、發電機停止。命令S1、S3“分閘”鎖定;S2“合閘”。電網Ⅱ經S2至負載。

(3)電網Ⅰ異常,電網Ⅱ異常,發電機停止?？刂破魇щ?其內部的繼電器失壓動作,常開觸頭經開關量端口,起動發電機至電壓正常;S3的DC 12 V使控制器恢復正常。命令S1、S2“分閘”鎖定;S3“合閘”(發電機,S3至負載)。

(4)電網Ⅰ(和/或)電網Ⅱ恢復正常;回到(1)或(2)狀態,并使發電機停止。

3.3 數智斷路器之間的電氣聯鎖、機械聯鎖

控制器和數智斷路器的開關量控制端口中的“分閘”命令包含“鎖定”,是具有抗干擾能力的電氣聯鎖。電氣聯鎖還包括,當產生錯誤的控制命令,使其他兩路的斷路器也實行合閘操作時,由于機械聯鎖的作用無法實現合閘,控制器可檢測到電機過載或者合閘時間超過規定值,發指令終止斷路器的合閘操作。

三電源自動轉換開關采用滑塊式機械機構,作3臺數智斷路器互鎖之用,整套機構安裝在其正下方,3個六角軸分別插入數智斷路器操作件的六角孔,實現聯動。三電源自動轉換開關的總體布置如圖2所示。

圖2 三電源自動轉換開關的總體布置

滑塊式機械互鎖機構原理圖如圖3所示。

圖2、圖3中,基體長度L=斷路器安裝后的總寬+支架;有效滑道長度L1=L2+3L3,其中L2為縱滑塊寬度,L3為大滑塊長度,等于兩斷路器(安裝后)手柄中心線之間的寬度;小滑塊長度L4=L3/3;空程長度L5=L2/2。

圖3 滑塊式機械互鎖機構原理圖

由圖2可見,3臺數智斷路器都處于“分閘”狀態時,與主觸頭關聯傳動的操作件及凸輪處于下始點?；瑝K機構的大滑塊(橫向)、小滑塊(橫向)受彈簧推力,對稱分布于滑道中央。

其中任一數智斷路器(經操作件轉動180°)處于“合閘”時,凸輪也轉動至上終點,推動縱滑塊插入滑道。大滑塊(橫向)、小滑塊(橫向)分別向左、右移動至滑道頂端,即長度方向被填滿;其余2臺數智斷路器受其凸輪及縱滑塊的約束,被鎖定在“分閘”位置,達到“三選一”機械聯鎖的目的。

當切換電源時,根據控制器命令,處于“合閘”的數智斷路器先行退出至“分閘”,滑塊機構恢復初始狀態;之后另一臺數智斷路器“合閘”,完成電源切換過程。

4 結 語

本設計方案充分利用數智斷路器的性能,如電壓檢測、網絡通信、遠程控制、輔助電源等,極大簡化了電源自動轉換開關的二次電路;控制器沒有引入電網電壓,減小了電磁干擾,安全可靠;采用的機械聯鎖結構簡單;該產品開發初期投資少,既可替代2臺雙電源轉換開關,又可節約配電柜占用空間。

在配有網絡通信的智能電網中,可以用上位機軟件中增加加本操作程序,取消本專用控制器,也可以達到三電源轉換功能。所以,三電源自動轉換開關裝置具有較高的性價比。