双电源快速切换事件过程仿真分析

付英杰，梁志珊

（1.大庆石化公司，黑龙江 大庆 163714；2.中国石油大学 自动化系，北京 102249）

0 引 言

供电的连续可靠是各种用电设备安全运行的基本条件［1］。因此，对供电可靠性要求较高的场合多配有两路供电电源［2］，两路电源间的成功切换是连续不间断供电的关键。国内石化工业供电系统的接线方式一般为分段结构。为了保证电源的可靠性，2段母线都有独立电源供电并装有备用电源自动投入装置（BZT）［3］。因为常用的BZT切换装置的延时性，且没有检测电源相位回路，这种切换的成功率低、冲击电流大，造成6kV厂用电电源中断的事故频频发生。由于每次晃电、停电事故，每次事故都造成了石油石化企业严重的损失。因此，研究电动机容量大的双电源切换问题对石油石化供配电系统的安全稳定运行有重要意义。

对于具有电机负载的备用电源快速切换，如果切换时机掌握不当［3］，很有可能造成保护动作，同时由于电动机成组自起动电流很大，母线电压将可能难以恢复，从而导致再起动困难，因此，石油石化系统变电所必须使用快速切换装置保证可靠供电。快速切换装置参数整定是非常重要的，而整定的参数可靠性无法得到验证，主要是由于在实际系统上做验证成本太高，而实际运行电力系统由于化工过程工艺要求又不允许经常做这样的试验。因此，利用电力系统计算软件，对实际系统发生的事故进行仿真分析，根据母线残压的变化，分析研究事故过程中快速切换装置的判据和机电保护动作，再与实际电力系统变电所事故现场录波数据对比，得出给定系统快速切换装置的仿真分析结论。为实际电力系统快速切换装置的参数整定和运行提供可靠的理论依据。论文通过对变电所两次事故的仿真分析，给出事故过程中快速切换装置判据分析结论。

1 双电源切换理论

1.1 快速切换过程中电动机残压分析

图1为某变电所具有双电源快速切换装置的电力系统［4］，进线1和进线2为双电源，母线1带4台等效电机，等效负载为M1，母线2带5台电机，等效负载为M2，CB11和CB12为进线1断路器，CB21和CB22为进线2断路器，CB11和CB12具有光纤差动保护，CB21和CB22具有光纤差动保护，CB33为母联断路器，快速切换装置被连接在双电源系统中。当系统正常运行时，进线1和进线2工作，母联开关断开。当进线1侧发生故障或失压，进线1断路器分闸，母联开关合闸，实现母线1负荷的不间断供电。同理，当进线2侧发生故障或失压时，进线2断路器分闸，母联开关合闸，实现母线2负荷的不间断供电。

当母线失电时，由于电动机仍与母线侧相连，在母线失电后，由于电动机间电感能量的转移，其机端电压仍然存在，被称为残压。残压的衰减程度与母线的负载特性有关。由于残余电压的存在，如果进线开关断开后，母联很快合闸，很可能会出现很大合闸冲击电流。冲击电流的大小与合闸瞬间电压大小和相位决定。过大的冲击电流会给电机或电源造成故障或合闸失败。因此，必须对残压进行分析研究［5-6］。

图1 具有双电源快速切换装置的电力系统

电动机切换电路的等值回路如图2所示，由图2可以看出，电源电压和电动机残压二者之间的夹角θ不同，对应不同的ΔU值，如θ＝180°，ΔU最大，如果此时合上电源，对电动机的冲击最严重。

各变量的物理意义如下：Us—电源电压；UD—母线上的电动机的残压；Xs—电源等值电抗；Xm—母线上电动机组和低压负载的等值电抗；△U—电源电压和残压之间的差拍电压。

根据母线上成组电动机的残压特性和电动机耐受电流的能力，在极坐标上可绘出残压曲线，如图3。电动机切换到电源时，电动机上的电压Um为：令Um等于电动机起动时的允许电压，即为1.1倍电动机额定电压UDe，令如K＝0.67，计算得ΔU（%）＝1.64。图3中，以A为圆心，以1.64为半径绘出图A′—A〞，其右侧为备用电源合闸的安全区域。在残压曲线的AB段实现的电源切换称为“快速切换”，即在图中B点（0.3s）以前进行切换，对电机是安全的。延时到C点后实现的切换称为“慢速切换”，即在图3中C点（约0.47s）以后进行切换，对电机是安全的。等残压衰减到20%～40%时实现的切换，即通常称之为“残余电压的切换”。延时切换和低电压检定切换统称为“慢速切换”。

式（5）中的K值，与机组负荷有关，负荷轻时运行电机数量少，运行电动机数量减少后，Xm增加，K值也增加，ΔU则减少，在图3中小的ΔU（%）画出的圆弧就向A′—A〞曲线右侧移动，如图中的B′—B〞曲线。

1.2 切换判据

由以上分析可知，为减小冲击，备用电源电压Us与母线残压UD夹角较小时，实现切换是一比较好的切换；同样当母线残压UD旋转一周后与备用电源电压Us第1次同相时实现切换也是比较好的切换，但时间较长；另外也可以在母线残压衰减到系统允许的范围后或母线残压完全消失后进行切换。上述的4种切换对应4种切换方式：快速切换、首次同相切换、残压切换和长延时切换。

（1）快速切换判据 动作判据包括以下几个条件：① 相角差指故障母线电压和备用母线电压之间的相角差，构成同步判据的角差界值可根据超前或滞后母线电压分别进行调整，典型的值是±20°。② 母线电压和备用电源电压的频率差，就切换过程而言，频率差反映了用电设备及其动态负荷断电后的运行特性并指示是否允许进行切换，通常的界值是1Hz。③ 当备用电源电压存在时装置方可执行切换，通常被整定为正常电压的80%；④母线电压低于设定电压值（U通常设定为正常电压的70%），则不允许进行切换。

（2）首次同期切换判据 动作判据包括以下几个条件：①备用电源电压和母线残压的相位差要第一次同相。② 母线残压频率的变化率要低于15Hz整定值。③ 备用电源电压要存在，一般是正常电压的80%。

（3）残压切换判据 动作判据包括以下几个条件：①当母线残压衰减到低于设定值时合上备用电源，一般设定值为40%的额定电压。② 备用电源电压要大于设定值，设定值为正常电压的80%。

（4）长延时切换判据 动作判据包括以下几个条件：① 切换等待的时间要达到设定的时间。② 备用电源电压要存在，一般设定为大于额定电压80%。

2 故障仿真分析

2.1 进线电缆三相短路现场录波数据

进线电缆三相短路故障录波图如图4所示，横轴：时间／毫秒；纵轴：开关状态量，Cb1CmdOp--断路器1合闸命令、Cb1CmdCl--断路器1分闸命令、Cb1DefOp--断路器1合闸位置、Cb1DefCl--断路器1分闸位置、CbbCmdOp--母联断路器分闸命令、CbbCmdCl--母联断路器合闸命令、CbbDefOp--母联断路器分闸位置、CbbDefCl--母联断路器合闸位置、StartXfer--快切启动信号、Protection1--进线一段保护起动。（1）在t＝0ms时刻，进线1发生三相短路故障，光纤纵差保护装置检测到短路故障。（2）经过20ms反应时间，在t＝20ms时，光纤纵差保护装置向进线1断路器CB1发出跳闸命令，同时向快速切换装置发出光差启动信号。快速切换装置启动。（3）经过10ms反应时间，在t＝30ms时快速切换装置向CB1发出跳闸命令（但此次命令失效，因光纤纵差保护装置已发过此命令），同时向母联断路器CBB发出合闸命令。CB1跳闸时间30 ms，CBB合闸时间40ms。（4）在t＝50ms时，CB1跳闸成功。（5）在t＝70ms时，CBB合闸成功。

图4 “进线电缆短路”故障录波

2.2 事故仿真分析

（1）进线1段母线残压曲线

极坐标图5显示了馈线电源故障后母线残压的幅值、相角等信息，说明在母线失压后，由于负荷大多是感应电机，母线电压不会立刻为零，而需要一个较长时间的衰减过程。

（2）进线1段电缆三相短路母线残压

按照进线电缆三相短路故障录波图4的时序进行仿真。当故障发生后，观察故障段母线动态数据，其电压幅值、频率和角度是不断变化的，极坐标图6为母线一段三相短路故障后残压特性图，图中分别显示了几个数据点，这些数据点对应关键角度和关键时间，为快速切换装置成功切换提供依据。在系统仿真过程中，仍考虑电网初始相角的基准值，电网的初始角度为0度，故障段母线正常运行初始相角-1.12度；0.500s时，一段母线电源三相短路故障，电压幅值瞬间低于正常电压幅值的5%，相角瞬间-46.41度；0.521s时，快速切换装置接收到故障信号并启动，同时变电所微机保护装置发出故障段电源断路器断开指令，此时母线电压幅值百分数为2.95%，相角-55.04度；0.551s时，故障段断路器保护断开，故障段电源切除后，由于母线上电机负荷的残压效应，电压继续衰减。

（3）切换过程母线残压变化曲线

切换过程母线残压变化曲线如极坐标图7所示，根据快速切换判据分析可知，三相短路故障发生时，不满足快速切换判据，系统无法实现快速切换。

根据快速切换装置工作原理，若快速切换条件不满足，快速切换装置立刻对首次同期切换判据和残压切换判据进行并列判断。当故障发生20ms（0.521s）后，快速切换装置开始检测切换判据，30ms（0.551s）后故障段电源断路器断开。由图6中数据可知，系统不满足首次同期切换的相位差第一次同相的判据条件，不执行首次同期切换。

而根据残压切换判据：① 母线残压衰减到低于设定值时合上备用电源，一般设定范围为20%～55%的额定电压，即Ubusbur≤（20%～55%）；② 备用电源电压Ustand-by大于设定值，设定值为正常电压的80%，即Ustand-by≥80%UNormal。

综上所述，仿真研究表明，进线电缆发生三相短路故障启动快速切换的原因是快速而不是“慢速”残压切换判据。与系统实际发生的过程相一致。

（4）电动机电流曲线

选择一段母线的两台电动机电流曲线如图8所示，故障切换过程中，故障母线上电机负荷的电流两次发生变化。故障后，电机电流迅速发生变化，当母联断路器闭合后，电机所在母线电压迅速恢复（如极坐标图7所示），电流瞬间上升，超过两倍的额定电流值。但未达到保护整定值，因而电机保护未动作。在双电源快速切换过程中，故障段电机负荷保证了不间断供电运行，达到了快速切换装置的应用目的。

图8 切换过程中电机电流

（5）快速切换时保护动作分析

母联开关和电动机保护的电流保护整定值及其母联开关合闸时的冲击电流见表1。由表1数据可以看出，当发生进线电缆三相短路故障时，母联开关合闸时的母联开关和电动机保护的冲击电流不大于电流保护整定值。因此，母联开关合闸成功。说明ETAP软件仿真与实际系统发生过程相一致。

表1 母联开关和电动机保护动作分析

3 结束语

双电源切换的快速性和可靠性对于现代化大型企业供电系统的运行，尤其是事故工况下的快速切换，是极其重要的。双电源切换成功可以缩短事故范围，减少负荷损失，消除企业不安全隐患。论文通过对某变电所实际系统发生的进线电缆三相短路故障的ETAP软件双电源快速切换仿真分析表明，在发生进线电缆三相短路故障快速切换过程中，母联开关合闸时母联开关保护和电动机保护的冲击电流不大于电流保护整定值，但快速切换装置的切换成功并不满足快速切换的四个条件判据，母联开关合闸成功的原因是满足因三相短路故障母线电压迅速降低，即残压衰减快，而不是传统认为的“慢速”残压切换条件判据。同时表明，ETAP软件能为快速切换装置的参数整定提供可靠的理论依据。

［1］任果.基于PSCAD／EMTDC的厂用电源切换研究［D］.天津：天津大学，2007：1-3.

［2］李铁山.利用快速切换装置替代母联备自投装置的技术改造［D］.北京：中国石油大学（北京），2003：1-3.

［3］段刚，余贻鑫，等.厂用电切换机电动态过程研究［J］.电网技术，1998，21（1）：61-67.

［4］王楠.浅谈ABB快速切换装置的逻辑与动作原理［J］.科技致富向导，2011，20（29）：209，337.

［5］凌玲.双电源快速切换系统研究及仿真［D］.北京：中国石油大学（北京），2010.05.

［6］侯玉.供电系统双电源快速切换仿真实验研究［D］.北京：中国石油大学（北京），2012.05.