工业企业电源快速切换装置分析及应用

工业企业电源快速切换装置分析及应用摘要：详细阐述了备用电源自动投入装置的局限性，通过对电源快速切换装置特点、功能的详细分析，突出了电源快速切换装置在石化企业安全、平稳生产中的必要性。关键词：备用电源自动投入装置反馈电压快速切换电源快速切换装置1引言石化行业由于生产工艺流程的特殊性，供电质量要求高，而外部电网或内部供电网络的故障或异常原因，造成非计划停电、电压大幅波动或短时断电（俗称“晃电”）的情况却时有发生，往往会引起设备停运或空转、工艺流程中断或废品产生，有时甚至导致生产设备报废等严重后果，给企业造成巨大的经济损失。2备用电源自动投入装置的局限性及原因分析目前，工业企业解决供电可靠性的主要办法是一次系统采用双路或多路供电（见图1），再辅以二次系统采用备用电源自动投入装置。对一般企业而言，备自投装置已经可以满足使用要求。而对于要求连续供电的石化企业，备自投装置的使用效果并不甚理想。原因是这些企业有大量的电动机（感性）负荷，而各电动机的容量、参数不一致，失电后电动机在短时间内将继续旋转，并将磁场能转变为电能，此时部分异步电动机实际上已转入异步发电机运行工况，因此母线的电压即是多台异步发电机发出的合成反馈电压，俗称残压，而从电动机失电到失压进而无压，备自投完成动作的过程持续时间长达1～2秒，甚至更长，此时电动机已被分批切除。即使是延迟时间较长的高压重要电动机未被切除，由于母线已经无压（一般无压定值为额定电压的20%～35%），转速已经严重下降，直接影响生产过程的连续性，并对产品质量造成不良影响。而且此时投入备自投装置将造成较大的电动机自起动冲击电流，直接作用于电动机并甚至可能导致切换失败造成厂用电中断，其后果是十分严重的。备自投实际上并没有真正起到保障供电连续性的作用，更难保证供电可靠性。纠其主要原因有二，一是装置起动过迟，二是装置起动后将备用电源投入的时间太长。追根溯源，目前使用的备自投装置几乎完全套用电网变电站的备自投装置工作原理，并没有针对工业企业的需求和技术特点进行原理、功能、性能的专门性设计和开发。例如：在起动条件上，仅采用失压起动，并没有考虑把有关的保护动作、失电作为起动条件以缩短起动时间；在合闸（合备用电源）条件上，采用延时和无压判据，没有采用母线电压、频率、相位实时跟踪技术，从而实现“快速切换”。尤其对于石化企业，由于存在大量的感应电动机，母线失压后电动机惰行，反馈电压下降较慢，为了避免备用电源合上时由于反相或相位差大造成大的冲击电流，备自投装置往往设定较长的延时和较小的低电压定值。例如，某石化企业备自投装置在检测到母线电压下降至定值（一般为65％～70％）并延时一段时间后（通常设定为0.8～1.5s），跳开工作电源开关；再等待失电母线电压降至20～35％以下时，合上备用电源开关或母联开关。可见，备自投装置在牺牲速动性的前提下保证了一定的可靠性，显然不能满足石化企业的供电要求。3电源快速切换装置的功能快速切换装置是当母线电源中断后，即刻同时发出断路器的分、合闸指令，跳开工作电源，同时合备用电源。一般包括快速切换、首次同期点切换、残压切换和延时切换4项功能。3.1快速切换母线残压和备用电源电压之间的相位差拉开不超过30°，系统实际无流时间仅为断路器合、分闸时间之差，一般不超过15ms，切换全过程也不超过100ms，完全满足系统要求。3.2首次同期点切换当母线残压和备用电源电压相对旋转一周又回到同期点，这时角差为0，差压也较小，若在这一时刻合上备用电源，电气设备受到的冲击也较小。根据采集的电压可计算母线残压向量相对于备用电源电压向量旋转到首个同期点的时间，并设定备用电源合闸的提前时间。该切换冲击电流比快速切换增大了许多，但还是在系统可接受的范围内。3.3残压切换当母线残压衰减到低于设定值时合上备用电源。一般来讲，当母线残压低于40％的额定电压时进行切换，冲击电流已降到可接受的范围内，但要注意的是，残压切换引起的冲击电流较大，不同的系统容量和备用变压器容量都会影响冲击电流值。3.4延时切换在发出切换指令后经过一定的延时后合上备用电源的切换方式，一般可设定1.5s的等待时间。综合以上四种切换模式的分析，快速切换装置要实现的就是尽量减小切换过程产生的冲击电流，其中最主要而且最理想的是快速切换，除非快切失败，才继续执行备用切换模式。这里特别指出，4种切换模式是同时同步启动的，即4种不同的逻辑程序同时运行。表1为快切装置在不同切换模式下的切换总时间。某石化企业继电保护系统采用金智科技公司的mfc5103a工业企业电源快速切换装置，是针对石化等行业用户的需求而专门设计和研发的新一代多功能快切产品。此装置可灵活适用于单母分段接线方式、单母接线方式的电源切换。当任意一路进线电源失去时，mfc5103a装置均能投入另一侧进线电源。该装置设置于35kv及6kv配电系统，已经历了数次事故切换和正常切换，动作正确率和切换成功率均达100％，无一例误动、拒动、误发信，表现了该装置的高可靠性。mfc5103a工业企业电源快速切换装置的优点主要体现在如下几个方面：4.1切换功能齐全兼有手动起动、保护起动、失压起动、误跳起动、无流起动、逆功率起动等多种起动方式；兼有并联、串联和同时切换方式；兼有快速切换、同期捕捉切换、残压切换、长延时切换等实现方式；完备的切换闭锁功能。4.2可靠的软硬件设计装置采用全封闭背插式结构，抗干扰设计，使装置的抗电磁干扰能力大大提高；出口设有闭锁继电器，保证装置可靠出口；逻辑单元软件与管理单元软件独立运行，通信、显示等不会影响切换逻辑正常运行。4.3友好的易用性装置配有汉字液晶显示，直观的界面菜单，详细的信息显示，丰富的指示灯，便于操作和调试；装置提供调试接口，可通过该接口将装置所有信息（报告、录波、定值等）导出。4.4通信功能支持以太网、rs485通信接口；支持iec60870-5-103、modbus通信规约。4.5强大的故障录波及信息记录功能信息记录包括动作、告警、开入开出变位信息、装置自检、运行及录波事件等，全面了解设备运行状况。5结语工业企业电源快速切换装置克服了以往备自投装置的缺点，大大提高了工业企业控制自动化的水平，其模块化的设计、丰富的切换逻辑、灵活的设置以及高速的运算能力、人机友好界面使得该装置成为石化企业供配电系统不可或缺的组成部分，有利保障了企业的安全、平稳生产。参考文献：[1]金智科技公司．mfc5103a工业企业电源快速切换装置说明书[p]．2010：1~3，33~34．[2]国家发展和改革委员会．电厂厂用电源快速切换装置通用技术条件（dl/t1073-2007）[s]．北京：中国电力出版社，2008：2~5．[3]电力工程电气设计手册电气二次部分[s]．北京：中国电力出版社，1996：188~191．