快切装置与UPS在同步电机励磁电源供电系统中的配合使用

2018-04-13刘世英

冶金动力 2018年4期

刘世英

前言

在钢铁企业中为高炉送风的风机采用同步电机驱动，为了保证高炉运行的稳定，高炉风机同步电机励磁电源要求较高，允许电压波动在200 ms以内。因此为了保证励磁电源波动小，湘钢选用ABB SUE3000电源快速切换装置。

1　快切装置对供电系统的要求

供电线路中快速切换装置为不间断供电提供了保证。通过快速自动切换到备用电源，保证了不间断的供电，避免了辅机因电源瞬时波动造成的停机。在此系统中为实现不间断的供电，应保证至少有两个同步且相互独立的供电电源。即：双电源加母联的配置方式（双电源均合闸，母联备用），故障时故障断路器分闸，母联合闸。

快切装置对电源及设备的要求如下：

（1）2个在正常状态下相互独立且同步的电源电源。

（2）具有3台短操作时间的断路器（＜50 ms）。

图1　系统状态示意图

（3）负荷适合于快速切换，电源短时切换对负载无影响。

2　快切装置在供电系统中的切换模式

ABB SUE3000快切装置提供了4种基本切换模式：

（1）快速切换，（2）首次同相切换，（3）剩余电压切换，（4）延时切换。

4种切换方式的优先级顺序为：快速切换＞首次同相切换＞剩余电压切换＞延时切换。

2.1　延时切换

延时切换是作为保证安全的措施，一般发生在因进线电源跳闸电压降低，SUE3000快切装置运行一个设定延时的启动，在一个固定的时间内备用电源合闸。湘钢延时设定为10 s。因此，延时切换方式仅作为安全备用方式。延时切换在华菱湘钢公司安装使用SUE3000快切装置后一直没有发生过。

2.2　剩余电压切换方式

剩余电压切换方式是只有当母线电压下降到足够低的残压值，才可合上备用电源，这样切换后的暂态过程不会产生严重的影响（暂态振荡，电流重新升高，电压下降）。合闸时不判断相角或频率差，这是不同步的切换方式。

湘钢使用SUE3000快切装置后发生过多次剩余电压切换方式，因线路中故障不同，若线路中发生相间间断拉弧，造成电压波动但是电源开关没有及时跳闸这样将影响SUE3000快切装置的判断造成合闸时间延长，当动作时间大于200 ms时就不能满足励磁电源的要求，引起电动风机停机。若动作时间小于200 ms时通过励磁装置自动调整，同步电机还可恢复同步运行，不会引起电动风机停机。

剩余电压切换动作曲线图和本场剩余电压切换时间见图2。

图2　剩余电压切换动作曲线图和本场剩余电压切换时间

2.3　首次同相切换

首次同相切换中有故障的电源应立即分闸，与其相联的用电设备上的电压将按其固有的特性曲线衰减。此时母线电压向量绕备用电源电压向量旋转，在备用电源和母线电压差值第一次到达最小值时发出合闸命令，即相角差为零时实现切换。为补偿电力设备固有时间，合闸命令是在实际最小值到达之前发出的，与此相关的时间允许误差是在装置中设定好的。但是首次同相切换总动作时间大于80 ms，小于200 ms，在同步电机励磁系统能够满足同步电机运行要求。

图3　励磁系统向量图和曲线图

2.4　快速切换

快速切换是SUE3000快切装置最常用和最重要的切换方式。在故障发生时切换启动瞬间，如主故障电源和备用电源之间的相角差、频差在定值范围之内。此时快切装置就会同步发出断路器的分、合闸命令。这种情况下的无电流切换时间只取决于断路器分、合闸的时间差。断路器（Emax系列使用SACE PR21/P脱扣器）分、合闸时间在数毫秒内，其无电流切换时间约为10～20 ms，因此可认为电源切换是在不断电的情况下实现的。因此快速切换方式完全满足同步电机励磁系统能够满足同步电机运行要求，同时对所带的接触器负载没有任何扰动，能够适应现场要求。

图4为2015年1月快切装置动作曲线图和切换时间。

图4　装置实际动作曲线和状态显示

SUE3000快切装置根据系统的物理状态选择最优的切换模式。在同步电机励磁电源供电系统中在故障时为使电源断电时间最短，快速切换方式是最优的切换方式。如果电网状态不允许这种切换方式，则选择其他速度稍慢的切换方式。

但是为了保证同步电机稳定运行，需为同步电机励磁电源供电系统提供良好的环境，保证励磁电源电缆及断路器运行稳定，避免造成因故障点拉弧造成SUE3000快切装置快速切换模式启动滞后，延长动作时间造成同步电机因励磁电源间断时间过长而停机。

3　快切装置关键参数设定

SUE3000快切装置的一个特别重要的特性是连续跟踪计算同步判据的条件，每时每刻比较母线电压和备用电源的电压，因此在收到启动命令的同时，切换的模式已得到确定，这意味着快切成功的概率大大提高。

该装置对被测电压的相角差、频率差和幅值具有以下同步判据：

（1）相角差：φ＜φmax

相角差指母线电压和备用电源电压之间相角之间的差。构成同步判据的相角差临界值可根据超前或滞后的母线电压分别进行调整。本厂装置设定φmax=±10 dg。

（2）频率差：Δf＜Δfmax

频率指母线电压和备用电源电压的频率之间的差。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转特性并指示是否允许切换。本厂装置设定Δfmax=2 Hz。

（3）备用电源电压：UStand-by＞Umin1

只有当备用电源电压存在时SUE3000方可执行切换。本厂装置设定Umin1被整定为正常电压的80%，母线电压 UBusbar＞Umin2。

如果母线电压值低于设定电压值U（本厂装置设定U为正常电压值的63%），则不允许进行切换。

4　快切装置的操作与维护

正常运行中快切装置一直处于“Ready”状态，如果出现快切装置动作的情况，在快切装置面板上将会出现“红色”指示灯报警，同时监控画面中开关状态也会发生相应的变化。如果动作成功，可以在“事件”菜单中查看切换的模式以及切换的时间，可在“报警”菜单中查看相应的报警情况，如果故障处理完毕电源恢复正常状态，则所有的报警将可在“复归”菜单中复归（复归时，每条报警逐一复归）；若切换失败则引起相应段母线失电，造成本段运行设备停机可能造成同步电机失磁，同步电动机停机。

在电源恢复正常后可直接在SUE 3000快切装置上操作，可在“命令”菜单总选择相应的运行方式即可恢复原运行方式。

正常运行中此装置运行稳定，可靠性高，维护量很小，只要按正常的点巡检周期查看装置的运行状态和各电源电压，电流指示即可。