发电厂自动化系统电源切换装置可靠性测试方法研究

林兆乐，王宝文，葛树俊，王岩青，吴俊霞

（1.华能沾化热电有限公司，山东 滨州 256800；2.山东和信智能科技有限公司，山东 济南 250101）

0 引言

随着发电厂自动化系统在电力生产过程中的广泛应用和其覆盖面的不断扩展，其对发电机组安全经济运行和电网稳定的影响逐渐增大。热工自动化系统可靠性要求越来越高，其自身供电可靠性更加重要。供电电源按来源分4 类：厂用电源（A 段、B 段），来自厂用电变压器；UPS 电源；保安电源（A 段、B 段）；直流电源。供电电源按重要程度分4 类：极重要电源（直流110 V／220 V，机组保护和连锁等用）、交流不间断电源（交流220 V，DCS、DEH、ETS 等控制系统用）、交流保安电源（全厂停电时需提供安全保障）、一般厂用电源（供给次要负荷、辅助系统、检修电源等）。以机组DCS系统为例，一般采用交流220 V 供电，要求配备2路独立可靠的交流电源互为冗余，一路来自UPS电源作为常用电源，另一路来自保安电源作为备用电源，经电源分配柜分配到各控制柜和工作站，经电源切换装置供给各设备所需电源，工作电源优先采用UPS 电源。

电源故障将直接影响热工自动化系统乃至发电机组的安全性和可靠性，其设计、产品选型、工程施工以及后期设备维护等方面存在一些被忽视的细节问题，例如电源切换装置连接等，往往是导致故障的关键因素［1］。文献［2］对火力发电厂热控系统的电源现状进行了分析，对电源系统中存在的问题从运行维护管理方面给出了建议。文献［3］根据DCS 电源系统的现状，从理论上对几种不同的电源设计方案进行可靠性定量分析，通过建立各种电源系统可靠性框图，估算可靠性指标，比较了不同方案下的平均无故障工作时间（MTBF），给出了系统可靠性分析结果，为合理采用电源切换装置提供了理论依据。DL／T 261—2012《火力发电厂热工自动化系统可靠性评估技术导则》对热工自动化系统电源提出了具体要求［4］：系统交流220 V 电源一般采用电源切换装置实现冗余供电，每个机柜内配置独立的电源切换装置，电源为220 V 单相交流，容量在3 kVA 以下，电源切换时间要求在20 ms 以下，对供电可靠性的要求更高，这类电源切换装置是研究的重点。电源切换装置在电源冗余中起关键作用，研究其在热工自动化系统中的应用方式，找出适合于现场运行维护的可靠性测试方法非常必要。

1 电源切换装置型式

1.1 转换开关类型

电源切换装置的关键部件是转换开关，双路供电的热工自动化系统通过转换开关选择主电源或备用电源为负载供电。转换开关分3 类：机械开关（Mechanical Power Switch，MPS）、电子开关（Electrical Power Switch，EPS）、混合开关（Hybrid Power Switch，HPS）。

电源系统中常用的电磁继电器、接触器和断路器等一般为机械开关型式。这类开关电路的连接采用机械触点，电路断开时有明显的分断位置，可以实现电气隔离，但动作时间较长，一般电磁继电器的动作时间为20～100 ms，接触器和断路器的动作时间在40 ms 以上。采用MPS 组成的转换开关电路如图1所示，正常运行时，MPS1 闭合，MPS2 分断。

图1 MPS 型转换开关

电子开关采用可控硅、IGBT 等电子器件实现电路的通断控制，这类开关动作速度快，但不能实现电气隔离。EPS 组成的转换开关电路如图2 所示，电路结构与MSP 型一致，只是使用电子开关取代了机械开关，正常运行时，EPS1 导通，EPS2 截止，电子开关本身存在电压降会消耗功率导致发热。

图2 EPS 型转换开关

混合开关是将机械开关和电子开关并联起来，如图3 所示。正常运行时，机械开关MPS1 闭合，MPS2 断开，电子开关EPS1、EPS2 断开；当主电源故障（如电压降低）时，电子开关EPS2 快速闭合，为负载供电，然后机械开关MPS1 断开，EPS1 断开，MPS2闭合为负载提供稳定电源。电子开关只是短时承受负载电流，实现了双电源快速切换，综合了机械开关和电子开关的优点，但是这类电源切换装置控制电路较复杂，要求主电源和备用电源同步，因此并没有得到应用。

图3 HPS 型转换开关

1.2 常用电源切换装置型式

1.2.1 双继电器型

双继电器型切换典型电路如图4 所示，是由两个继电器（或接触器）组合而成，实现双电源的冗余切换功能。正常运行时，KM1 带电，主电源为负载供电；当主电源失电时，KM1 失电，KM2 带电，备用电源为负载供电。在发电厂热工自动化系统中，一些独立装置的供电依然沿用这种方式，应用比较普遍。这类装置的切换断电时间取决于继电器或接触器的动作时间，一般为20 ms 以上。该装置结构简单、机械故障点较少、价格便宜，但存在电压检测功能不全、机械联锁不可靠、线圈长期处于通电状态、耗电大、容易烧毁等缺点，不适应于可靠性要求非常高的场合［5］。

图4 双接触器型电源切换电路原理

1.2.2 自动转换开关电器

自动转换开关电器（Automatic Transfer Switching Equipment，ATSE）是自动将负载在主电源和备用电源之间切换的电器，文献［6］对这类电器进行了详细描述。此类电源转换集开关与逻辑控制于一体，实现机电一体化的双路电源自动切换供电。此类电源切换系统产品的触头系统采用“单刀双掷”设计，结构简单，其原理如图5 所示。该类产品一般使用接触器或断路器实现负载切换，切换平稳可靠。开关带有机电联锁装置，可实现自投自复、自投不自复、失压、欠压、手动－自动转换、延时控制等，为电源切换类主流产品。但是ATSE 一般为机械开关型式，在切换过程中会中断对负载的供电。

根据是否具有分断短路电流能力，ATSE 分为PC 级和CB 级。CB 级ATSE 能够接通并用于分断短路电流，在不考虑人为延时的情况下，切换断电时间在50ms 以上，适用于厂用电保安电源、普通厂用电负载切换等交流动力电源场合，并不适用于以计算机、网络交换机等组成的热工自动化系统。PC 级ATSE 能够接通、承载，但不用于分断断路电流，切换断电时间可以达到20 ms，基本满足计算机类负载的要求，在热工自动化已经有较多应用。

1.2.3 静态转换开关

STS 静态转换开关（Static Transfer Switch，STS）为电源二选一自动切换系统，正常工作状态下，在主电源处于正常的电压范围内，负载一直连接于主电源。在主电源发生故障时，负载自动切换到备用电源，主电源恢复正常后，负载又自动切换到主电源。STS 采用先断后通的切换方式，可以实现不同输入电源之间的不间断切换，为单电源负载提供双母线供电。这类电器采用了固态电子元件组成无触点开关，利用电子元件（如开关三极管、可控硅等半导体器件）的开关特性，可无触点无火花地为负载提供双路供电，其原理如图6 所示。

图5 ASTE 原理

图6 STS 原理

静态转换开关具有下列功能：电压超差保护，当主电源欠压或过压时，负载自动切换到备用电源；断电检测，任一时刻某一路断电（含人工切换）设备会自动切换到另一路，切换时间小于10 ms；智能报警，当设备断电或超限时，自动发出报警信号。这类设备价格相对较高，其本身为半导体器件，不具备电气隔离功能，在发电厂热控系统应用并不多。但是随着技术发展，采用混合型开关的电源切换装置将会得到广泛应用。

2 电源切换装置测试方法

2.1 测试系统组成

电源切换装置测试系统原理接线如图7 所示。需要使用下列设备：调压器（输入交流220 V，输出0～300 V）2 台；模拟负载1 套（工控计算机2 台、24 V10 A 直流电源2 台、电阻器2 个、电容器2 个）；录波器（或示波器）1 台；电压表3 台；电流表3 台；万用表1 套。

图7 电源切换装置测试系统组成

2.2 输入电源参数测量

根据图7，断开电源切换装置输出开关，进行输入电源参数测量，输入主电源和备用电源须满足电压和相位要求。利用电压表测量主电源和备用电源电压，应为交流220×（1±10%）V；利用录波器测量主电源和备用电源的相别，应确定为同一相位，相角差为0，频率为50×（1±2%）Hz；利用电流表测量电源电流应为0 A。

2.3 主电源失电切换

接通电源切换装置输出开关，测量输出电压，应与主电源电压一致。断开开关1 关闭主电源，切换装置应能自动把输出从主电源切换至备用电源。利用录波器测量切换时间，切换时间应不大于20 ms，模拟负载应保持正常，工控计算机不能复位或宕机。切换装置应发出主电源故障报警信号。

接通主电源开关，切换装置应能自动把输出从备用电源位置切换至主电源。利用录波器测量切换时间，切换时间应不大于20 ms，模拟负载应保持正常，工控计算机不能复位或宕机。切换装置应发出主电源恢复信号。交流电压是50 Hz 正弦交流波形，电压在峰值或零点失电对切换时间有影响，试验应重复进行5 次，测得数据切换时间按最大值记录切换时间。

2.4 主电源电压降低切换

利用调压器逐渐降低主电源电压，直至切换装置继电器动作，输出从主电源位置切换至备用电源，记录输出电压，应不低于170 V，模拟负载应保持正常，工控计算机不能复位或宕机。切换装置应发出主电源故障报警信号。

利用调压器逐渐恢复主电源电压，直至切换装置继电器动作，输出从备用电源位置切换至主电源，记录输出电压，应不低于180 V，模拟负载应保持正常，工控计算机不能复位或宕机。切换装置应发出主电源恢复信号。

2.5 备用电源监测

断开备用电源开关，测量输出电压，应与主电源电压一致。切换装置应保持输出不变，模拟负载应保持正常，工控计算机不能复位或宕机。切换装置应发出备用电源故障报警信号。

接通备用电源开关，测量输出电压，应与主电源电压一致。切换装置应保持输出不变，模拟负载应保持正常，工控计算机不能复位或宕机。切换装置应发出备用电源恢复信号。

利用调压器逐渐降低备用电源电压，测量输出电压，应与主电源电压一致。切换装置应保持输出不变，模拟负载应保持正常，工控计算机不能复位或宕机。降低备用电源电压，直至切换装置发出备用电源故障信号，记录备用电源电压，应不低于170 V。

利用调压器逐渐恢复备用电源电压，直至切换装置发出备用电源恢复信号。记录输出电压，应不低于180 V，模拟负载应保持正常，工控计算机不能复位或宕机。

3 现场测试应用

在现场安装的热控系统电源切换装置，应定期进行切换可靠性试验。除采用模拟负载进行试验外，也可在现场安装的机柜内串接调压器、带实际负载进行试验验证。试验的步骤为：输入电源参数测量、正常运行、主电源断电、主电源上电、主电源电压降低、主电源电压恢复、备用电源断电、备用电源上电、备用电源电压降低、备用电源恢复。如果电源切换装置已经在实验室完成可靠性测试并满足切换要求，在现场的验证步骤可以简化为：正常运行、主电源断电、主电源上电、备用电源断电、备用电源上电。

应用所述测试方法，对电源切换装置进行了测试，结果如图8 所示，可以看出此装置的切换断电时间为14 ms。

图8 电源切换装置切换时间测试

4 结语

电源切换装置在热控系统电源中应用广泛，其可靠性影响发电厂自动化系统正常运行。不同型式的电源切换装置断电切换时间差别较大，对于要求较高的计算机控制系统，按照国家标准要求，切换时间应不超过20 ms，保证当主电源出现故障时能自动切换到备用电源控制系统能正常工作。发电厂自动化系统电源应采用快速ATS 或STS 型切换装置，不能采用继电器型切换装置。对于继电器型电源切换装置，应当在系统改造时予以更换。