近几年来,随着化工企业负荷容量的增加及对供电电源可靠性要求的不断提高,企业对其重要负荷采用双回路供电,当有一条电源侧线路故障跳闸后,采用高压电源迅速、合理动作将另一侧电源接入,保证了负荷的连续性。大型化工企业既而采用快切装置来实现高压电源的切换,代替传统的备用电源自投装置。在化工装置的变电所或其他比较重要的需要一、二级电源的变电所中,一般使用双电源或三电源,正常运行时的方式为双电源分段运行,当一路电源出现故障时,用电负荷可以快速自动切换到另一条电源上。本文以深圳国立智能的SID-40B快速无扰动备用电源替续控制系统为例,探讨使用快切装置与综合保护装置做备用电源自投时的优缺点。
1 快切装置与备自投装置区别
快切和备自投最大的区别是快切双向的,它具有正常工况下备用电源与工作电源间的双向切换,以及事故或非正常工况下工作电源向备用电源的单向切换;而备自投是单向的,只能由工作电源切至备用电源。
另外快切可以在手动和并联切换时要考虑频率差、电压差、相角差小于一定的值等等。具备正常手动切换功能,该功能由手动起动,在DCS或装置面板上均可操作。本方式是双向的,既可由工作电源切换至备用电源,也可由备用电源切换至工作电源。
在切换时间方面,快切能在100ms内切换成功,而备自投的切换时间在700～1000ms左右。
2 SID-40功能及特点
(1)特点
SID-40B是一个多功能的备用电源自动投入装置,当一路电源因故障被保护切除时,能够快速且不损害供、用电设备的前提下投入备用电源,不仅要保证电力供应不间断,而且使绝大部分乃至全部负荷不被切除,使电气设备继续运转不受影响。
(2)主要功能
装置的主要功能有快切功能、备自投功能、联切、联投功能。
①快切功能
装置的快切功能是指SID-40B具有快速完成工作电源和备用电源切换的功能。装置可以完成不同原因启动的快速切换。
•手动快切
手动切换是手动操作启动,而后自动进行的。在检测到就地手动切换信号,或接收到远方切换命令时,启动工作线路与备用线路之间的快速切换操作。
•事故快切
事故切换由保护接点或模拟量启动。当事故切换启动后,先发跳工作电源开关指令,在切换条件满足时发合备用电源开关命令。切换模式可以选择串联或者同时。
事故切换功能由跳开工作电源开关的保护接点起动。这种方式是单向的,只能由工作电源切向备用电源。事故串联切换由保护接点起动,先跳开工作电源开关,在确认工作电源开关已跳开且切换条件满足时,合上备用电源开关。切换条件:快速、同期判别、残压及长延时切换。快速切换不成功时自动转入同期判别、残压及长延时切换;事故同时切换由保护接点起动,先发跳工作电源开关指令,在切换条件满足时(或经用户延时)发合备用电源开关指令。切换条件:快速、同期判别、残压及长延时切换。快速切换不成功时自动转入同期判别、残压及长延时切换。
•非正常工况快切
非正常工况的快切是由母线失压启动。当母线电压低于电压定值且时间失压延时定值,同时进线电流小于无流定值时,装置根据选定方式进行串联或同时切换。
非正常工况切换功能下装置检测到不正常运行情况时自行起动。本方式是单向的,只能由工作电源切向备用电源。当6kV厂用母线三线电压均低于整定值且时间大于所整定延时定值时,装置根据选定方式进行串联或同时切换。切换条件:快速、同期判别、残压及长延时切换。快速切换不成功时自动转入同期判别、残压及长延时切换;工作电源开关偷跳因各种原因(包括人为误操作)引起工作电源开关误跳开,装置可根据选定方式进行串联或同时切换。切换条件:快速、同期判别、残压及长延时切换。快速切换不成功时自动转入同期判别、残压及长延时切换。
②切换模式
•串联切换
装置的串联切换首先跳开工作开关,通过位置接点及电流判断并确定工作开关跳开后,再自动合上备用开关。
•同时切换
装置的同时切换首先跳开工作开关,在未确定工作开关是否跳开就发合备用开关命令,通过设定合闸延时定值,在时间上保证工作开关先断开,备用开关后自动合上。若工作开关跳闸失败,将会造成工作电源与备用电源同时供电的所谓环网运行情况。若系统不允许环网运行,则可在系统定值中,投解耦合功能软压板,并设定解耦合时间定值,一旦发生环网运行工况,经过解耦合时间延时后,将刚合上的开关跳开,断开合环点解除环网运行状态,实现自动去耦合功能。
•其他切换方式
并联自动切换、并联半自动切换、并联失败转串联切换、并联失败转同时切换、备自投功能、联切、联投功能等。
③切换判断方式
•快速切换
当装置在故障状态或电源失电的情况下,装置首先判断非正常母线与备用电源之间的角差、频差是否在定值范围之内,且故障母线电压不低于装置设定的低压闭锁定值时,则装置在启动可以瞬间进行“快速切换”,立刻发出停故障线路断路器及合备用电源断路器信号。
•捕捉耐受电压点准则切换
在工作电源因故障等原因被切除后,当快速切换条件不能满足时,备用电源断路器不能合闸,母线上所有电动机依靠原来的惯性及转子剩磁转入异步发电状态,也就是说在工作母线上将出现一个电压和频率在逐步下降的电压,此时装置监测故障电源与备用电源的相角差Φ及当前的电压变化值ΔU,并根据已采样的数据预测ΔU的变化率,在ΔU值增大到超过允许值之前,发出备用电源断路器的合闸命令完成备用电源的投入,这既保证所有电动机在转速下降不多,母线残压和电动机转速还很高时就重新受电,大大有利于迅速恢复生产。
•同期捕捉切换
捕捉首次同相点切换是指出现工作电源因事故被切除后,快速切换及捕捉耐受电压准则切切均未完成,则装置会进入同期捕捉切换,此时故障母线上残压相量将绕备用电压相量向滞后方向旋转,在首次出现相角差为零时发出合备用电源断路器命令,完成备用电源切换。
•残压切换
当以上条件均未能完成切换,故障母线线电压衰减至等于或小于残压切换电压定值(20%～40%额定电压),且持续残压切换延时定值后实现的切换。残压切换作为前述首次同相点切换的后备功能。
3 系统概况
(1)主接线原理图
电源系统的原理图如图1所示,系统从上级变电所馈出两路馈线,分别经下级变电所两进线断路器1DL和2DL接入到Ⅰ母线和Ⅱ母线,两母线之间由母联断路器DL连接,正常运行DL处于分断位置,当有一线路故障时,故障线路断路器分闸,母联断路器DL合闸。
①系统运行方式
图1为典型双电源进线工作原理图,双进线加母联开关的配置方式。运行方式为双进线同时向母线进行供电,母联开关断开,Ⅰ、Ⅱ母线互为备用。
在正常情况下断路器1DL及2DL合位,断路器DL分位,Ⅰ母线与Ⅱ母线分段运行,当#1进线(或#2进线)电源故障时,快切装置SID-40B迅速切断#1进线(或#2进线)电源电源,同时合上母联断路器DL,整个系统由当#2进线(或#1进线)电源供电。
4 试验及动作分析
根据装置的性能特点结合在实际运行过程中可能遇到的工况,对快切装置做性能试验。
(1)手动切换试验
②操作
在变电所停#1线断路器,#1进线失电,切换成功。高低压设备运行不受影响。
④分析
在手动切换时,采用的串联操用方式,装置首先检测到进线断路器1DL分闸,经过延时约30ms再次发出断进线断路器命令,再延时50ms后发出合母联断路器DL的命令,再经过断路器的固有的合闸时间50ms后,检测到合闸成功,手动操作时,只有两个时间很短的延时,就是装置检测到分闸前到发合闸命令的延时和合母联断路器的时间,两个时间加起来总共只有130ms,而一般电动机的低电压保护跳闸的时间为500ms,所以手动操作时,即使用串联操作方式,也能满足设备不停车切换的要求。
(2)失压切换试验
①定值(残压切换延时1s)
失压切换试验定值见表2。
②操作
在上级变电所停1#馈线断路器02DL,#1进线电源失电,装置动作,约经过1.3s后切换成功,但是此时变电所高低压设备均已跳闸,设备正常运行受到影响。
④分析结论
分析图3可以见,装置在-500ms左右时电压已达到了低电压动作值,经0.3s的确认延时和0.2s的启动延时后发出分进线断路器2DL命令,断路器本身固有分闸时间大约是50ms,装置在+50ms时检测到分闸成功信号,再延时0.6s后,装置发出合母联断路器DL命令,经50ms合闸成功,再经50ms系统电压频率正常。
在切换的过程中,快速切换、耐受电压切换、同期捕捉等快速切换条件等切换条件均没有满足,直到残压动作条件满足才完成母联合闸,致使切换时间较长,电机均已停运。
分析动作的时序图和定值表可知,装置只所以没有捕捉到几个快速切换的条件有两方面的原因,一是本变电所是最末级变电所,变电所所带的负荷容量较小,当系统停电时,停电的母线残压下降的过快,而装置检测失压母线与正常母线比较需要有一定的时间,因此装置未能及时捕捉到动作条件,转入了残压切换。二是通过检查定值发现,所设快速动作定值过于保守,虽然这样设定相对比较安全,但是也给装置捕捉快速切换条件带来了困难。
母线电压和频率衰减的时间、速度主要和该段母线所带的负载有关,负载越多,电压幅值、频率下降的越慢,而且下降的速率随着时间的推移不断成加速下滑趋势。在最初0.3s之内,电压幅值、频率下降的幅度较小,相角差在60°内对于用电设备是安全的,因而若在此区间快速合闸,无疑是最佳选择。
(3)更改定值后失压切换试验
①定值
找出了切换失败的原因后,对装置的定值重新做了修改,放宽了各种切换的捕捉条件,同时也提高了母线的负荷。定值见表3。
②操作
在上级变电所停2#馈线断路器02DL,#2进线失电,快切装置动作,约经过0.4s后切换成功,系统由上级1#馈线供电,高低压设备运行不受影响。
④分析结论
由图4及定值表可见,由于调整了捕捉的角差与频差,装置在-200ms左右时电压达到低压动作值,经200ms到0ms时装置捕捉可以切换的条件,装置发出分进线断路器2DL合令,再经50ms后装置检测到断路器已分闸,发出合母联断路器DL命令,在+180ms时检测到合闸成功,再延时60ms后,母线电压频率恢复正常。整个过程用时约0.4s,高压电机运行全部正常,有少部分低压电动机停止运行。
•优点
在使用快切装置做为备用电源自动投入装置后,在条件满足的情况下,当一路母线故障时,快切装置能快速切换到备用电源,可以使在运转设备达到不停机切换,在一定程度上保证了生产的稳定性。
•缺点
快切装置切换成功与否与很多外在件相关,切换条件的设定与系统的安全性存在着一定的矛盾,当我们在要求系统绝对安全时,可能会造装置切换速度变慢,而我们要求切换速度及成功率时,可能会给系统带来安全上的风险,因快切装置动作时间远小于上级变电所备自投时间,所以当我们选择同时切换时,一旦跳闸断路器没有跳开,将会造成线路反送电的危险情况。
•措施
为防止同时切换时带来反送电的风险,可以在硬件上做一个合闸连锁来解决此问题,当在没有跳开进线的情况下,装置即使发出了合母联命令也不让母联合闸成功。
另外由于快切装置切换是否成功与事故母线的残压衰减速度有很大关系,因此快切装置最好不要安装在末级变电所内,因为末级变电所容量小,一旦停电残压衰减很快,在容量大的上级变电所由于所带系统设备多,残压衰减慢,更容易切换成功。
5 结束语
快切装置在做为备用电源投入的升级产品,它不但能做为备用电源自动投入设备来施用,而且还能在特定条件下实现不停车切换故障电源。从而避免了因生产过程间断而引起的损失。
