双电源一用一备系统的快速切换技术研究

李福荣

（中石化石油工程设计有限公司）

0 引言

目前，工业企业解决供电可靠性的主要办法是一次系统采用双路或多路供电，二次系统采用备自投装置。对一般工业企业而言，备自投装置已经可以满足要求。而在石化、冶金等要求连续供电的企业，备自投动作时间长，导致很多电动机被切除或无法维持正常工作，影响生产的连续性和产品质量，因此使用效果并不理想。

为克服备自投装置存在的问题，需要实现备用电源的快速切换。这就要求在切换过程控制在几十毫秒以内，而且希望切换装置能够实时跟踪开关两侧电源的电压、频率和相位，并提供多种可靠的起动方式和切换实现方式，从而保证快速安全的投入备用电源，同时不会对电动机造成大的冲击。此外，还要具有较高的灵活性，适应多种现场运行方式，仅需更改部分定值即可满足多种现场工程实施需求。

本文首先介绍备用电源切换原理，然后以某石化输气工程的35kV电驱压气站为例进行建模和仿真，以两路电源进线的场景，对传统备自投和备用电源快速切换两种方案进行对比分析。

1 备用电源切换原理

对于如图1所示的供电系统，采用一用一备供电方式时，正常运行时1DL和3DL合，2DL分。当进线1发生故障失电后，必须先跳开1DL，然后合2DL恢复供电；反之亦然。

图1 备用电源切换原理图

备用电源切换装置的实现方式有快速切换、残压切换、延时切换，同期捕捉切换等。

1）快速切换。快速切换是速度最快的合闸方式，一般要求母线和待并侧电源压差|du|、频差|df|、相差|dq|都小于预设阈值。

2）残压切换。当母线电压衰减到20%～40%实现的切换称为残压切换。残压切换的停电时间过长，电动机自起动成功与否、自起动时间等会受到较大限制。

3）延时切换。当备用侧容量不足以承担全部负载，甚至不足以承担通过残压切换过去的负载的自起动，只能考虑长延时切换。长延时切换的实现条件为：装置起动后延时t>“长延时整定值”。

4）同期捕捉切换。同期捕捉切换的原理是实时跟踪母线电压和备用电压的频差和角差变化，以同相点作为合闸目标点。

2 某压气站的切换方案对比分析

2.1 压气站电气系统简介

某输气工程中的35kV电驱压气站的主接线如图2所示。该压气站正常运行时，两路进线电源采用一用一备用模式供电，即正常时只用进线1供电，断路器1DL和3DL合，2DL分。根据此接线，搭建Matlab/Simulink仿真模型如图3所示。其中，三相电机采用Asynchronous Machine SI Units模型。

2.2 压气站短时失电且300ms后恢复供电的仿真分析

对上一节的电驱压气站进行仿真，设在1s时进线1失电，在300ms后合上2DL通过进线2恢复供电，在此过程中的系统10kV母线I的电气参数变化如图4所示。

由图4可见，在进线1失电后，母线I电压下降，电流减小到0，系统频率也严重下降；在1.3s恢复供电时，系统频率已下降到接近46Hz，然后频率需要较长一段时间才恢复到额定值。

2.3 压气站短时失电且快速切换恢复供电的仿真分析

设进线1在1s时失电，通过快切装置在10ms后合上2DL通过进线2恢复供电，在此过程中的系统10kV母线I的电气参数变化如图5所示。

图2 电驱压气站电气主接线图（双路电源，一用一备）

图4 母线I的电气参数变化

图5 快速切换时母线I的电气参数变化

由图可见，在进线1失电后，母线I电压和电流减小，系统频率也下降。但是由于快速合闸，系统频率下降比较小（不超过0.5Hz），恢复供电后频率迅速回升，因此对生产过程影响比较小。

3 结束语

在提高电驱压气站的供电可靠性和生产连续性方面，备用电源快速切换方案与传统的备自投方案相比，具有优点如下：

1）减少停电时间。传统的备自投方案需要秒级时间进行切换，而快速切换装置只需要几十毫秒甚至更短时间，从而减少停电时间。

2）提高生产可靠性和连续性。由于切换迅速，母线电压有效值和频率下降不多，对于生产过程和产品质量的影响较小。