供电电源快速切换原理及ETAP仿真策略

供电电源快速切换原理及ETAP仿真策略深圳市康必达控制技术有限公司2016．21.导言微机型电源快切装置最早应用于发电厂厂用电电源快速切换上面，其对厂用电系统在失电后快速恢复供电，保证电厂正常生产起着巨大作用。近年来，快切装置也逐渐被应用于工矿企业的供电电源的快速切换上，以取代常规备用电源自投装置。2.切换方式供电电源切换的方式可按开关动作顺序分类，也可按启动原因分类，还可按切换速度进行分类。尽管绝大多数情况下，采用相同的切换方式，如正常切换采用并联方式，事故切换采用串联方式，但以下所述的其他所有方式都有实际应用的场合和应用的原因和理由。2.1按开关动作顺序分类（动作顺序以工作电源切向备用电源为例）.并联切换：先合上备用电源，再跳开工作电源。这种方式多用于正常切换，如起、停机。并联方式另再分为并联自动和并联半自动两种，并联自动指由快切装置先合上备用开关，经短时并联后，再跳开工作电源；并联半自动指快切装置仅完成合备用，跳工作由人工完成。并联切换母线不断电。.串联切换：先跳开工作电源，在确认工作开关跳开后，再合上备用电源。母线断电时间约为备用开关合闸时间。此种方式多用于事故切换。.同时切换：这种方式介于并联切换和串联切换之间。先发跳工作命令，经短延时后再发合备用命令，短延时的目的是保证工作电源先断开、备用电源后合上。母线断电时间大于0而小于备用开关合闸时间。这种方式既可用于正常切换，也可用于事故切换。2.2按启动原因分类.手动切换：由运行人员手动操作启动，快切装置按事先设定的手动切换方式（并联、同时、串联）进行分合闸操作。.事故切换：由保护出口启动，快切装置按事先设定的自动切换方式（串联或同时）进行分合闸操作。.不正常情况自动切换：有两种不正常情况，一是母线失压。母线电压低于整定电压且进线无流达整定延时后，装置自行启动，并按自动方式进行切换。二是工作电源开关误跳，由工作开关辅助接点启动切换，在合闸条件满足时合上备用电源。2.3按切换速度或合闸条件分类.快速切换.同期捕捉切换.残压切换.长延时切换下节将重点说明这四种切换的原理，这是本文重点和核心内容。3四种快切切换原理市场上所用微机快切装置主要应用下面四种快切方式：快速切换、同期捕捉切换、残压切换、长延时切换。3.1快速切换假设有图1所示的供电系统，正常运行时1DL和2DL合，3DL分。#1进线和#2进线互为备用。当＃1进线发生故障后，必须先跳开1DL，然后合3DL，反之亦然。以#1进线到#2进线切换为例，跳开1DL后#1母线失电，电动机将惰行。由于负荷多为异步电动机，对单台电动机而言，电源切断后电动机定子电流变为零，转子电流逐渐衰减，由于机械惯性，转子转速将从额定值逐渐减速，转子电流磁场将在定子绕组中反向感应电势，形成反馈电压。多台异步电机联结于同一母线时，由于各电机容量、负载等情况不同，在惰行过程中，部分异步电动机将呈异步发电机特征，而另一些呈异步电动机特征。母线电压即为众多电动机的合成反馈电压，俗称残压，残压的频率和幅值将逐渐衰减。通常，电动机总容量越大，残压频率和幅值衰减的速度越慢。图1一次系统简图以极坐标形式绘出母线残压相量变化轨迹如图2所示。图2母线残压特性示意图图中VD为母线残压，VS为备用电源电压，△U为备用电源电压与母线残压间的差压。为了分析的方便，我们取一个电源系统与单台电动机为例，将备用电源系统和电动机等值电路按暂态分析模型作充分简化，忽略绕组电阻、励磁阻抗等，以等值电势VS和等值电抗XS代表备用电源系统，以等值电势VM和等值电抗XM来表示电动机，如图3所示：图3单台电动机切换分析模型由于单台电机在断电后定子电路开路，因此其电势VM就等于机端电压，在备用电压合上前，VM＝VD。备用电源合上后，电动机绕组承受的电压UM为：UM=XM/（XS＋XM）×（VS－VM）因VM＝VD，则（VS－VM）＝（VS－VD）＝△U所以，UM=XM/（XS＋XM）×△U（1）令K＝XM/（XS＋XM），则UM＝K△U（2）为保证电动机安全，UM应小于电动机的允许启动电压，设为1.1倍额定电压UDe，则有：K△U＜1.1UDe（3）△U（％）＜1.1/K（4）设XS:XM=1：2，K＝0.67，则△U（％）＜1.64。图2中，以A为圆心，以1.64为半径绘出弧线A'－A''，则A'－A''的右侧为备用电源允许合闸的安全区域，左侧则为不安全区域。若取K＝0.95，则△U（％）＜1.15，图2中B'－B''的左侧均为不安全区域，理论上K＝0～1，可见K值越大，安全区越小。假定正常运行时工作电源与备用电源同相，其电压相量端点为A，则母线失电后残压相量端点将沿残压曲线由A向B方向移动，如能在A－B段内合上备用电源，则既能保证电动机安全，又不使电动机转速下降太多，这就是所谓的“快速切换”。在实现快速切换时，厂用母线的电压降落、电动机转速下降都很小，备用分支自启动电流也不大。切换过程中相关的电压、电流录波曲线如图4所示。图4快速切换时的电流电压波形在实际工程应用中，是否能实现快速切换，主要取决于工作电源与备用电源间的固有初始相位差△Φ0、快切装置启动的方式（保护启动等）、备用开关的固有合闸时间以及母线段当时的负载情况（相位差变化速度△Φ/△t（或频差△f））等。例如，假定目标相位差为不大于60°，初始相位差为10°（备用电源电压超前），在合闸固有时间内平均频差为1Hz，固有合闸时间为100ms，则合闸时的相差约46°，或倒过来讲，只要启动时相差小于24°，则合上时相差小于60°；相同条件下，若初始相差大于24°，或合闸时间大于140ms，则无法保证合闸瞬间相位差小于60°。从理论上讲，根据上述计算公式，在装置启动后，可以通过实时计算动态确定B点的位置，结合当时的其他条件，如频差、相差等，来判断是否能实现快速切换。B点通常还是由相角来界定。3.2同期捕捉切换在1997年以前，国内外所有的文献和产品中，都只有快速切换、残压切换、延时切换，而没有“同期捕捉切换”。同期捕捉切换，由原东南大学东大集团电力自动化研究所（现改制为东大金智电气和金智科技股份公司）提出，并首次成功运用于MFC2000－1型快切装置，其原理如下：图2中，过B点后BC段为不安全区域，不允许切换。在C点后至CD段实现的切换以前通常称为“延时切换”或“短延时切换”。因不同的运行工况下频率或相位差的变化速度相差很大，因此用固定延时的办法很不可靠，现在已不再采用。利用微机型快切装置的功能，实时跟踪残压的频差和角差变化，实现C-D段的切换，特别是捕捉反馈电压与备用电源电压第一次相位重合点实现合闸，这就是“同期捕捉切换”。实际工程应用时，可以做到在过零点附近很小的范围内合闸，如±5°。以上图为例，同期捕捉切换时厂母电压为65％－70％额定电压，电动机转速不至下降很大，通常仍能顺利自启动，另外，由于两电压同相，备用电源合上时冲击电流较小，不会对设备及系统造成危害。同期捕捉切换过程中，相关的电压电流录波曲线如图5所示。图5同期捕捉切换时的电流电压波形同快速切换一样，理论上可以动态确定C点的位置，抢在刚过这一点时合闸，以尽量缩短母线断电时间，但因许多现实的问题，工程实施也需要满足一定条件。3.3残压切换当母线电压衰减到20％－40％额定电压后实现的切换通常称为“残压切换”。残压切换虽能保证电动机安全，但由于停电时间过长，电动机自启动成功与否、自启动时间等都将受到较大限制。如上图情况下，残压衰减到40％的时间约为1秒，衰减到20％的时间约为1.4秒。而对另一机组的试验结果表明，衰减到20％的时间为2秒。残压切换过程中，相关的电流电压录波曲线如图6所示。图6残压切换时的电流电压波形3.4长延时切换目前，一些大容量机组，如某些600MW机组工程，发电机出口设置开关，正常切换通过发电机出口开关完成。当工作电源发生故障时，需切换至备用电源以便安全停机。如备用电源的容量不足以承担全部负载，甚至不足以承担通过残压切换过去的负载的自启动，只能考虑长延时切换。4.快切设备若干争议问题市场上国产微机快切设备主要供应厂商为东大金智、深圳智能等，它们的快切设备在实现原理上存在许多矛盾和争议的地方。本节主要讨论这些争议问题。（本节主要以厂用电快切为例，工矿企业供电电源快切原理相同）4.1厂用电快速切换与发电机自动准同期厂用电快速切换和发电机自动准同期都是发电厂中最重要的电气操作之一，在操作对象、操作管理、功能要求、性能要求等方面有很大的不同，但在具体的实现技术上，有部分相同之处。因此部分厂商认为：“厂用电正常切换是地道的同期操作，应严格地按同期数学模型控制切换过程”；另外一些厂商认为这个看法存在误区，他们认为：厂用电切换与发电机自动准同期最大的区别在于：1）厂用电正常切换发生在发电机并网之后，同期的三要素：频率、电压幅值和相位差无法像发电机同期那样可以调整。.频率：工作电源的频率与备用电源相同，不可能调、也无必要调。.电压幅值：正常运行时厂用电工作电源与备用电源电压幅值的一致性是由厂用电一次系统的设计来保障的，在不同运行方式下两侧电压幅值差一般较小，不影响厂用电合环。如果电压差很大，理论上可以通过调节发电机端电压来实现，但发电机端电压首先应满足电网调度及发电机安全运行的需要，仅为满足精确同期而调发电机励磁在实际运行时是不现实和不必要的。.相位差：工作电源与备用电源间的相位差取决于备用电源的引接方式及电网不同运行方式下两侧电压的功角差，这是个不可控量，只能通过不同的切换方式来适应它。而发电机自动准同期则不同，发电机并网前，频率、电压幅值、相位都可调、可控，完全可以实现精确的同期。因此，厂用电正常切换，既不是地道的同期操作，也不可能严格按同期数学模型控制切换过程。2）在事故切换等自动切换时，在备用电源投入前，由于工作电源已断电，电动机开始惰行，母线电压的幅值、频率将逐渐下降，与备用电源电压间的相位差持续增大，严格来说，已完全失去了与备用电源同步的可能。另一方面，此时电动机只有转子衰减电流和惰行转速产生的交变磁场，而没有强迫励磁产生的同步磁场和力矩，如电动机转速下降不太大（一般指母线电压不低于60－65％），当备用电源投入时，新的同步磁场将很快将异步磁场拉入正常转差范围。因此，厂用电事故切换，更不是地道的同期操作，也不可能严格按同期数学模型控制切换过程。4.2关于正常并联切换正常并联切换即先合上备用（工作）电源开关，后跳开工作（备用）电源开关，由于存在两个电源的短时并列，构成厂用工作电源－发电厂接入系统－电网－发电厂备用电源系统－厂用备用电源－厂用工作电源的环路，因此并联切换也称合环操作。国内目前只有极少数电厂的厂用电切换发生在不同频率的两个独立电网之间，这种情况下不允许合环操作，而应采用同时切换或串联切换。同频情况下，合环操作对并列点两侧电压的相位差有要求，如不大于20°。国内有少数电厂的初始相位差在某些运行方式下超过10°，有的接近20°，这种情况下，需要当地调度中心进行合环潮流、静态安全分析计算和稳定分析计算等，以确保合环不引起系统问题。有的厂商对这20°定值产生质疑，认为“实际上通过潮流计算完全可以获得这个闭锁角的运行值，一般运行方式下，这个允许值远不止是20°，而是更大，这意味着实现并联切换的机会更多”。这个观点存在争议，反对的理由如下：首先，在我国历来颁布的调度规程中，明确说明：“合环操作，必须相位（序）相同，电压差、相位差应符合规定；应确保合环网络内，潮流变化不超过电网稳定、设备容量等方面的限制……”。合环引起潮流的重新分配，或使某些元件减轻负载，或使某些元件增大负载，可以通过合环潮流计算校验是否过载，这是其一；合环，特别是相角差较大时的合环，将引起较大的有功扰动，对电力系统的静态稳定和动态稳定安全构成影响，必须通过复杂的稳定计算进行校验，这是其二。因此，上述仅以潮流分布来确定合环条件的观点是片面的。实际上，目前各地电力调度中心在进行合环时控制的相角差比20°还要小。其次，《电力工程电气设计手册电气二次部分》，第二十二章发电厂和变电所的自动装置，有