工业企业供电切换技术的分析探索构架

黄俊亮

（江西铜业集团德兴铜矿，江西 上饶334224）

1 引言

在我国电力系统中，110 kV及以下电压等级的供电系统中，一般都设置有一用一备两个独立电源。在正常情况下，系统主要依靠工作电源供电，而当工作电源出现故障，或者需要进行检修维护时，为了避免供电的中断，需要及时切换为备用电源。供电切换技术在很多大型工业企业中得到了应用，不过从实际情况分析，技术本身有着一定的适用性，在部分场合并不能取得理想效果，因为其会受到系统网络结构、负荷特性以及运行方式等的影响，需要技术人员做好优化和改进[1]。

2 供电切换技术的基本原理

结合110kV供电系统接线图分析（见图1），2条进线代表了2个独立电源，这里将进线1作为正常工作电源，进线2作为备用电源。

图1 110 kV供电系统接线图

若系统中的工作电源出现故障或者需要维护，则进线1中的1QF断路器断开，2QF断路器以及3QF母联断路器闭合。在这种情况下，进线1的所有负荷会被转移到进线2，以此来实现供电切换。

依照不同的切换判据，可以将供电切换的形式分为3种：

1）残压切换，其判据是工作电源运行线路存在的残压幅值，当工作电源断开后，线路残压幅值会逐渐减小，而当其小于20%~40%的设定值时，控制系统就会自动实施供电切换；

2）快速切换，指在安全区域内，将频率与相位差的变化作为投切依据，当其变化小于设定值时，就会自动切换，可以保证电机转速的相对稳定性，减轻冲击力度；

3）首次同相切换，判据是母线残压和备用电源的相角差。当切断工作电源后，母线残压频率与相位角会逐渐发生变化，而备用电源的平频率和相位角则基本保持固定，所谓首次同相切换，就是工作电源断开后，残压和备用电源电压第一次出现同相位时，进行供电切换[2]。

3 工业企业供电切换技术的分析探索

在实施供电切换的过程中，应该关注2个方面的问题：

1）必须保证供电切换的时效性。无论是维护还是故障，只要工作电源切断，备用电源就需要快速切换，切换的时间应控制在0.8~1.0 s，这样才能保证电力系统供电的可靠性和连续性，避免对工业企业生产活动造成负面影响。

2）必须保证供电切换的稳定性。稳定性指在工作电源与备用电源切换时，必须尽量减少对于供电系统的冲击，保障系统运行安全。从工业企业的角度，在对供电切换技术进行探索和应用的过程中，需要对自身的负荷特性进行科学分析，确保供电切换技术的优势能够得到充分发挥[3]。

3.1 企业负荷特性分析

当前，供电切换技术主要被用于电网企业和大型工业企业，电网企业的负荷包含了旋转负荷、恒功率负荷以及恒阻抗负荷，三者在电动机负荷中的占比为3∶3∶4；工业企业中，以旋转负荷的占比达到90%以上，从保障生产安全的角度，大型工业企业还会自备电厂，不过因为电厂规模和容量相对有限，一般只能够带动部分重要负荷，无法为全部负荷提供电力支持。

3.2 供电切换技术分析

系统工作电源断开后，旋转负荷数量以及自备电厂等因素会在一定程度上影响系统母线中的残压幅值和频率、相位等，继而影响供电切换的判据，导致供电切换无法顺利实施。基于此，需要结合不同系统的特点，制订具备良好可行性的供电切换方案。对于一些大型工业企业，一般都会设置自备电厂，当主电源切断后，备用电厂虽然无法带动企业的全部负荷，但是能够减缓母线电压幅值与相位的变化速度，适当延长满足供电切换判据的时间。在这种情况下，无论是残压切换还是首次同相切换，都无法很好地满足企业供电切换对于时效性的要求，因此，一般会选择快速切换的方式。

供电切换会受到很多因素的影响，其中又以系统运行方式和负荷特性的影响最大。若系统中只有少量旋转负荷，供电切换时可以选择残压切换或者首次同相切换；若系统中的旋转负荷较多，可以分为两种情况：一是企业自备电厂停运，应该选择首次同相切换；二是企业自备电厂投运，应该选择快速切换。

4 仿真计算

4.1 残压切换

在针对残压切换进行仿真计算的过程中，需要考虑2种不同的情况：（1）旋转负荷小，没有发电机；（2）旋转负荷大，有发电机。对照相应的仿真曲线分析，第一种情况在工作电源失压后，母线电压幅值迅速下降，在很短的时间内就会达到设定值，仿真模拟显示，若工作电源在2.0 s附近失压，则0.68 s后，供电切换完成。基于此，对于旋转负荷小且没有发电机的供电系统，可以借助残压切换的方式完成供电切换。第二种情况中因为旋转负荷较大，工作电源试压后，母线电压幅值的下降速度较慢，需要经过接近5 s的时间，才能够满足残压切换的判据，但这个切换时间显然无法满足供电切换对于时效性的要求。基于此，残压切换仅适用于存在少量旋转负荷且没有发电机的供电系统[4]。

4.2 快速切换

如果供电系统中存在有自备电厂，则无论是残压切换还是首次同相切换，都无法很好地满足供电切换的需求，在这种情况下，就需要采用快速切换的方法。当供电系统中同时存在有大量旋转负荷以及自备电厂时，受发电机的影响，工作电源母线电压的变化速度会减缓，借助快速切换实现电源断电后，需要对系统相差和频差进行分析，在断电后迅速完成供电切换，避免了其对于供电系统的影响。

4.3 首次同相切换

对于存在大量旋转负荷，同时没有设置发电机的供电系统，工作电源断开后，母线电压相位会在很短的时间内，实现与备用电源电压同相，然后经过约0.4 s完成供电切换，切换时因为二者同相，基本不会引发大的冲击。而对于存在大量负荷同时又设置有发电机的供电系统，工作电源断开后，因为发电机的影响，母线电压相位下降较慢，供电切换的时间会延长到0.85 s，这样会导致电源投切时效性的下降，无法很好地满足供电切换需求。因此，对旋转负荷较大的供电系统而言，可以采用首次同相切换的方式，保证电源投切的效果。但是，如果系统中有发电机，则首次同相时间会延长，需要将发电机的容量以及运行状态考虑在内，做好仿真计算，看首次同相切换是否能够满足供电切换的要求[5]。

5 结论

1）残压切换适用于存在少量旋转负荷的供电系统，若系统中旋转负荷较大，或者存在发电机，这种切换方式无法满足实际需求。

2）首次同相切换可以很好地适应大旋转负荷系统的需求。但是，在面对存在有发电机或者自备电厂的供电系统时，存在时效性不足的问题。

3）快速切换能够很好地满足不同特性负荷系统的供电切换需求，适用于存在大量旋转负荷且设置有自备电厂的供电系统，有着其他两种切换方式无法比拟的优点。