微机厂用电快速切换装置关键技术研究

山东能源枣矿集团供电工程处 张 浩 赵 强

现代大型企业的生产过程是高度自动化的，这就要求许多厂用的辅助装置为主要设备（如汽机、锅炉、冶炼炉等）提供服务，其往往是由电动机械进行拖动作业。“厂用电”就被定义为向厂用电动机和自动化监控、操作、试验、运行、检修等设备提供电能供应的系统。厂用电的安全可靠关系到机组、电厂乃至整个系统的安全运行。为保证厂用电的可靠性，避免故障带来的停机停产，必须合理地设计厂用供电的电源、接线方式等，还需配备完善的继电保护与自动装置，进一步提高供电的安全可靠性。厂用电工作电源与备用电源间的快速切换可保证厂用电的连续可靠性，为用电的安全提供有效技术保证。厂用电快切装置是一种自动装置，主要作用是在正常工作或非正常工作状态下自动实现工作和备用电源间的切换。快切装置作为保障发电厂正常生产的重要技术措施，是实现发电厂厂用母线电源快速切换的关键设备。对快切装置进行优化有利于保证快切装置的快速、可靠动作和厂用电的安全稳定运行。

相比于一般的电源切换，厂用电的切换有自己独特的情况：当工作电源因某种原因跳闸、厂用母线失去电源，对于母线上运行的电动机由于惯性的作用及存储的磁场能量，转子在一定时间内会继续保持旋转，同时将磁场能量转换成电能。厂用电切换过程是一个复杂的机电暂态过程，特别是在事故切换过程中电压量、电流量、滑差、相角都将发生快速变化，如切换设备不具备实时响应这些瞬变参量的能力将造成切换失败或设备损坏[1]。由于不同电动机的特性、参数不一样，且残压与备用电源电压的频率差、相角差会出现快速变化。因此需在快速的频率差、相角差变化中找出合适的时间点进行合闸，以达到母线残压与备用电源电压的差拍电压最小和电动机可最大程度自启动目的[2]。

1 快速切换装置原理分析

1.1 厂用电系统的切换原理

厂用电系统一般有两个电源，即厂用工作电源和备用电源[3]。图1所示为某发电厂的厂用电系统，正常运行状态下1DL闭合，2DL、3DL处于分位。发电机端的厂用高压工作变压器向厂用母线提供工作电源，而备用电源则由发电厂的高压母线或由系统经起动/备用变来提供。若工作电源因故断开，此时为保证发电厂的正常运行需投入备用的电源，即跳开1DL，闭合2DL、3DL。在切换过程中，备用电源与厂用母线两个系统间的状态在不断变化，此时若不采用恰当的切换方式、找到合适的切换时机，厂用母线上运转的电动机将很可能被冲击并损坏，从而对厂用旋转机械负载的安全运行造成严重威胁。

图1 厂用电接线示意图

1.2 快速切换

评判快速切换效果好坏的重要标准是要在某范围内以尽量快的速度将备用电源投入，这一允许范围是以备用电源电压和母线残压间的相角差为依据来确定的。快速切换装置需具有快速确定起始相角差的大小，并能在相角差超过限定值时闭锁切换的功能。快速切换能否成功不仅与断路器的开断性能有关，还取决于厂用负荷特性、系统故障类型、接线方式等。因而不能保证其每次切换都可成功。快速切换有3个整定值，即母线允许电压值、最大相角差与最大频率差。在启动快速切换时比较实时的测量值与整定值，若满足切换条件则发出备用电源合闸命令。为应对实际应用中出现的各种情况，仍需采用同期捕捉切换、残压切换甚至长延时切换作为厂用电切换方式的补充，从而确保厂用母线失电后备用电源能及时可靠投入。

1.3 同期捕捉切换

当存在某些客观原因，如断路器设备性能所限或母线残压与备用电源电压相位夹角较大等，使快速切换的条件无法满足，此时可转入同期捕捉切换，作为快速切换的后备切换方式，此时装置开始判别同期判据，根据同期条件满足与否进行厂用电的切换。在实现同期捕捉切换时有两种基本方法：

基于“恒定越前相角”原理。根据切换时同期捕捉阶段备用电源电压与母线残压相角变化的速度（与该时刻的频差相关）和断路器的合闸固有时间，计算出发合闸命令时的提前角。快切装置对频差和相差进行实时跟踪检测，在相位差达到整定值且频差小于整定值时，装置将发切换合闸命令，当频差大于整定值时，同期捕捉切换条件不满足，自动转入下一切换方式，即残压切换。采用恒定越前相角这种方法的缺点是合闸角的精确度把握不准，同时厂用母线上负载的变化也会导致合闸角的变化；基于“恒定越前时间”原理。这种方法按照一定的变化规律模型，根据实时检测到的频差和相差来计算出相角差过零点的时间，以及距离过零点的时间接近断路器合闸回路总时间的时刻，当母线残压相位到达这一时刻时装置发出合备用电源的命令。从理论上讲该方法可较精确地在过零点实现合闸。

1.4 残压切换

当母线残压衰减到20～40%的额定电压时进行的切换称为残压切换，该方式可作为快速切换与同期捕捉切换的后备功能，在快速切换与同期捕捉切换失败的情况下进行下一步的电源投切工作，提高厂用电切换的成功率。残压切换有两个定值，分别为残压切换电压幅值与残压切换电压时延，当母线残压值低于残压切换定值、同时持续一定时间时，装置发出切换合闸命令。

1.5 长延时切换

如果在给定时间内上述三种切换方式都没能进行，则转入执行长延时切换。在一般情况下执行长延时切换的概率很小，只作为备用的一种切换方式。只有短时间内厂用电系统多次发生故障时这种切换方式才可能出现。长延时切换的定值只有一个即长延时时间。当检测到系统失电时间达到长延时时间时，装置发出切换合闸命令。

2 厂用电快速切换装置系统设计

2.1 系统硬件设计

本文以功能模块化为设计思路进行硬件系统的设计，其快切装置硬件部分由主控板、电源板、交流板、液晶板4部分组成。通过CAN总线进行信息的交互，各芯片本身已经带CAN模块，但需要额外扩展CAN物理层传输芯片，各板之间通过软电缆（系统电缆）连接。

其中主控板上额外配置一个EEPROM用于存储报告扰动数据和定值等信息，掉电保持。同时主板上有一个时钟芯片8025T，带后备电池，以保持装置运行时钟的正确。电源板上包括电源模块和开入开出扩展模块，主要用于给整个装置供电，开入开出模块通过CAN进行相关信息的传递，开出扩展模块便于主板上开出不够时扩展使用。交流板上为电流电压互感器，用于外部电流电压接入到装置，交流板通过电缆接到主控板的交流采样回路上。液晶板显示信息。通过采用背板总线结构与硬件插板，提高了切换装置硬件的扩展性和通用性。此外将可编程逻辑器件应用于微机快切装置能简化装置的硬件部分，提高硬件平台与软件功能的灵活性。

2.2 系统软件设计

软件设计是快速切换装置实现相关功能的重要组成部分。微机快切装置的软件要执行各种电气量数据的采集和检测、执行切换策略、处理控制电路故障、协调中断事件以及人机界面操作等任务，保障装置稳定、灵活、高效的运行。快速切换装置根据电力系统故障后母线电压的衰减特性，提供了快速切换、同期捕捉切换、残压切换、长延时切换等多种切换方式，可在不满足启动当前切换模式时依次启动后续模式。

本文所设计的厂用电快速切换装置具有装置闭锁、状态诊断、低压减载等功能，可在母线PT断线、母线电流故障、后备电源失压等情况下，使装置闭锁保证快切不动作。此外还可实现系统的状态诊断功能并对厂用电发生动作后生成报告，实现对扰动数据的记录。为更好地对厂用电系统进行控制与监测，设计了维护软件的界面，其中右侧为维护界面，左侧为相应的维护功能，一般通过右键菜单来执行一些操作功能。

综上，由于厂用电系统设备众多，厂用负荷特性纷繁复杂，如何准确把握厂用母线失电后残压的变化规律，使得快切装置能够更准确地进行判断是未来需要进一步探讨的课题。