高压电源快切对企业电网继电保护影响的研究

周雪松，崔立强，马幼捷，周金程，杨亚光

(天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室，天津理工大学，天津300384)

1 引言

对于钢铁、石化等企业，其重要负荷往往采用双回路供电，当有一条电源侧线路故障跳闸后，采用高压电源快切装置迅速、合理动作将另一侧电源接入，保证了负荷的连续性［1］。电源切换过程会对系统产生冲击，如果切换不当可能造成系统继电保护装置误动，使切换失败，负荷彻底断电。随切换方式的不同切换过程对系统继电保护影响的大小和方式也有所区别。本文对电源切换过程及其对系统继电保护的影响进行了分析，最后提出了快切装置与继电保护相配合的策略，提高电源切换的成功率。

2 快切过程分析

当工作电源由于某种故障而被切除，即母线的电源进线断路器跳闸后，由于连接在母线上运行的电动机的定子电流和转子电流都不会立即变为零，电动机定子绕组将产生变频反馈电压，即母线存在残压。残压的大小和频率都随时间而降低，衰减的速度与母线上所接电动机台数、负荷大小等因素有关。母线残压可以表示为［2］:

此时电动机实际上运行在发电状态。感生电势是初始频率为(1－s0)ωs的交流，在异步电动机失电前后频率发生突变［3-4］，ω'(t)的初值为 s0ωs。

母线残压uM可简化为:

在电源切换过程中，工作母线和备用电源间的差拍电压及频差会逐渐变大，其相角差呈周期性变化。

用直角坐标表示备用电源电压和母线残压:

电源切换过程中母线残压、差拍电压和备用电源的变化规律如图1所示。

根据图1中曲线可以看出，差拍电压ΔV的变化规律为幅值振荡的曲线，当母线残压下降为零时，差拍电压稳定在备用电源额定电压值。图中B、D、F对应的为差拍电压1.1倍额定电压的点。根据快切装置的工作原理B点为对应快速切换方式下差拍电压最大的点，E点为同期捕捉切换方式对应的点。

图1 惰行时工作母线电压Vs;备用母线电压Vb;压差幅值ΔV的变化曲线Fig.1 Curves showing working bus voltage(Vs);reserve bus voltage(Vb);voltage difference between working bus voltage and reserve bus voltage(ΔV)vs.time at idling state

3 电源切换对企业继电保护的影响

本文以天津石化电网降压站系统为例进行研究分析。如图2所示，该系统有两条电源进线，连接同一条110kV母线供电，因此两侧电源电压的初始相角差非常小可认为是零。两侧电源进线分别通过降压变压器各自带一段母线，正常运行时，6kVI母线和6kVII母线分裂运行，655断路器断开，当其中某一母线的工作电源故障跳闸后安装在655处的快切装置动作使655闭合，一台变压器带两段母线工作。

图2 石化电网降压站系统图Fig.2 System structure of substation

电源切换过程中母线残压逐渐衰减，切换时与备用电源电压之间存在差拍电压，造成电源切换对系统产生冲击，包括低电压可冲击电流［6］。可能会引起系统继电保护装置误动，其影响主要包含以下几个方面:

(1)电源切换过程中，工作母线残压幅值逐渐降低，如果切换时间过长，母线残压过低会造成电动机低电压保护动作。

(2)发生切换时，在两母线之间的联络线和备用电源变压器支路产生冲击电流，该冲击电流波形如图3所示。通常在联络线上需要设置电流速断保护和定时限过流保护。若切换不当，有可能造成该处继电保护动作。另外，备用电源线路或变压器上一般也安装有速断保护和定时限过流保护，由于该处速断保护设定值根据最大三相短路电流设定，而过流保护为躲过变压器励磁涌流和负荷自启动电流之和设定，所以如果切换时冲击电流过大可能会造成备用电源支路保护动作，造成切换失败。

图3 冲击电流滞后的情况Fig.3 Curve showing lag of peak current

(3)实际系统中，电源切换还可能引起备用变和电动机差动保护动作［7］。原因有以下几点:①电源切换过程中差动保护装置两侧TA暂态特性不同，切换产生的冲击电流引起差动回路产生不平衡电流，从而造成差动保护误动作;②由于差动保护二次回路接线差别是两侧TA输出阻抗不同或两侧TA的暂态特性不同等硬件方面的原因，电源切换产生的冲击电流使差动回路产生严重的不平衡电流，最终造成继电保护动作。③由于微机继电保护装置软件方面的缺陷，在电源切换产生较大冲击时使差动保护误动作。

4 快切装置与继电保护配合的措施

采用快切装置进行高压电源切换时，其三种切换方式均会对系统造成冲击，可能引起继电保护动作，造成切换失败，后果很严重。需要采取一定的措施防止出现快切装置动作成功而继电保护动作跳闸的情况。需要采取一些必要的措施:

(1)当母线残压和备用电源电压满足快速切换要求时，切换时间越短对系统冲击越小。这是因为切换时间越短，母线残压衰减越小，差拍电压也越小，切换时的冲击电流也越小。故断路器合闸时间小于100ms是采取快速切换方式的前提。若采用真空断路器其合闸时间约为50ms，可提高快速切换方式的切换成功率。

(2)在一些情况下同期捕捉切换方式对系统可能比快速切换方式小。快速切换方式下由于母线电压下降不大，但母线残压和备用电源电压相角差一般比同期捕捉切换方式大。故当工作母线电压和备用电源电压初始相角较大时，即使满足快速切换条件其冲击电流也可能较大。这种情况下采用同期捕捉切换方式可能会得到较小的冲击电流。特别是工作母线上负荷容量越大，其母线残压衰减越慢，同期捕捉切换方式下的冲击电流也越小。对石化电网降压站系统进行的仿真结果也证明了这一点。根据表1中的数据可知，在同期捕捉切换方式下最理想的切换点(E点)进行切换所得到的冲击电流小于在快速切换方式下(A点和B点)进行切换时产生的冲击电流。

表1 655处切换仿真结果(p.u.)Tab.1 Simulation result of power switchover on 655(p.u.)

(3)采取继电保护加适当延时［8］。根据理论推导和仿真结果可知，电源切换产生的冲击电流其峰值很大但是幅值衰减很快，暂态过程一般在200ms以内，对各支路和变压器上安装的速断保护加适当的延时，使保护装置躲过冲击电流峰值，这样就可以防止电源切换引起的继电保护误动。在有些情况下，特别是接近同期捕捉点的区域进行切换时，其冲击电流最大幅值往往不是第一个峰值(见图4)，故在设定延时时需要对具体的系统和切换方式进行具体分析。

但是，修改继电保护参数的方法只能作为后备方案，因为修改继电保护参数不当有可能造成系统在正常运行时继电保护失去其选择性和可靠性。

图4 冲击电流峰值滞后的情况Fig.4 Lag of peak impulse current

(4)母线失压后切除不重要的负荷。当工作母线失压后，切除不重要的负荷而保留重要负荷，可以减小切换冲击电流。切除部分负荷后母线残压衰减变化不大，但可以减小切换时的冲击电流峰值。这样可以避免速断保护误动作。本文以6kVII母线失压后，延时50ms(断路器分闸时间)切除母线上的负荷油循I(其容量约占6kVII母线上负荷总容量的一半)为例对上述情况进行了仿真验证。仿真结果如表2和表3所示。

表2 母线残压变化情况(p.u.)Tab.2 Change process of residual voltage(p.u.)

表3 不同负荷情况下的冲击电流 (p.u.)Tab.3 Impulse current in different load conditions(p.u.)

从表2中数据可以看出，切除部分负荷后母线残压下降加快，但不是很明显。由表3中数据可知，在切除部分负荷后，切换造成的冲击电流会明显减小，一般情况下都不会造成速断或过流保护动作。切除部分负荷可以有效降低切换对系统继电保护的影响，避免继电保护动作，提高切换成功率。

(5)加装限流电抗器。在电源切换时，在母线联络线和备用电源变压器支路产生较大的冲击电流。在母线联络线和备用电源变压器支路低压侧加装故障限流器可以起到在切换暂态过程中增加线路阻抗、限制故障电流的作用。有效地减小冲击电流，防止继电保护动作，保证切换成功，但增加了成本，可作为一种后备方案。

5 结论

快切装置可以提高企业重要负荷的供电连续性，防止负荷失电造成损失。但是电源切换过程中由于差拍电压的存在，切换时会对系统造成冲击，可能引起系统继电保护动作跳闸。通过仿真分析得出，易发生继电保护误动的部分为切换发生的联络线处、备用电源侧变压器和线路以及工作母线的馈线与负荷电动机。本文针对快切装置和继电保护相配合的策略提出了一些建议和措施，通过更换合闸时间更短的真空断路器可以缩短快速切换方式下的切换时间;同期捕捉切换作为快速切换方式的后备切换，其冲击电流也相对较小，有时甚至比快速切换方式对系统的冲击还小;当系统结构快切装置无法满足切换条件时可通过合理修改继电保护参数的方式防止电源切换造成继电保护误动;还可以在电气设备线路上加装故障限流器当电源切换时减小冲击电流对系统的影响。通过这些措施可以减小电源切换对系统的冲击，防止快切装置正确动作而继电保护误动造成切换失败的情况，保证负荷的供电可靠性。

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