站用交流ATS装置可靠性分析仿真研究

程玉凯，张 涛

（国网福建电力公司漳州供电公司，福建 漳州 363000）

0 引言

变电站站用交流电源系统主要为站内一次设备提供储能、操作电源以及附属箱柜内的加热、照明、驱潮电源，为主变压器（以下简称“主变”）提供冷却器电源以及有载调压电源，为直流系统提供逆变电源，还可提供站内正常照明等［1］，是变电站正常运行的重要保障。

为保障供电可靠性，站用交流电源普遍采用两路电源进线一主一备或互为备用的接线方式。目前应用较多的是 ATS（Auto Transfer Switching，简称ATS）系统，该系统包括ATS控制器及切换开关，可实现两路电源进线的自动切换，可靠性较高，成本投入小，是保障负荷连续、可靠运行的重要设备。站用变压器（以下简称“站用变”）切换可能会导致设备断电，现场人员操作不当也会导致并发事故的出现［2］。本文在PSIM仿真软件中搭建了仿真模型，对站用交流系统在各种异常情况下的动作情况进行了分析，并对异常情况导致的危害进行了介绍，最后提出了相应的防范措施。

1 站用交流系统的基本组成

本文以某单主变变电站站用交流系统为例，其接线如图1所示。

图1 站用交流系统接线图

图1中1号站用变接于主变低压侧母线，2号站用变接于站外线路。站用变低压侧各配置两路开关，交叉接至两套ATS装置。ATS装置根据设置输出一路交流电压至交流低压小母线。另外，为进一步提高供电可靠性，在两段交流低压小母线上配置联络开关。

1.1 站用变高压侧配置

站用变高压侧多采用手车开关、负荷开关、手车刀闸+一次熔丝等配置方式。由于站用变一次电流很小，为节约成本，站用变高压侧普遍采用手车刀闸+一次熔丝的模式。

1.2 站用变

为保证站用变高压侧单相接地时不会影响到站内低压交流系统，站用变普遍采用Dyn11连接组别的干式铁芯三相变压器（部分35 kV站用变采用油浸式变压器）。站用变一般安装在开关柜内或单独的站用变室内。

目前新式变电站内，为节约成本，普遍将接地变改造为附带二次绕组的接地变兼站用变的模式，其连接组别一般为ZNyn11，并安装于独立房间内。

1.3 ATS装置

ATS系统一般由ATS控制器和切换开关组成。ATS控制器是控制信号发出装置，切换开关是电源切换执行机构。选择ATS切换开关时，从经济性、可靠性以及切换时间等方面考虑，一般选择PC级［3］。

ATS系统可实行电气和机械闭锁，有固定Ⅰ、固定Ⅱ、停止、自动Ⅰ、自动Ⅱ、自动6种工作模式［4］。在现场一般会将ATS控制器切至自动Ⅰ模式：切换开关优先选择Ⅰ路电源，在本支路失去电源后，切换开关才能自行切至Ⅱ路电源；在Ⅰ路电源恢复后，切换开关自行切回Ⅰ路电源。

1.4 空气开关

图1中，401—404开关以及母线所接馈线开关均为空气开关。这些空气开关会因回路出现过载、短路、欠电压等情况自动跳开。变电站内使用的交流空气开关一般采用C曲线瞬时脱扣，即流过电流为额定电流的5～10倍时，在0.1 s内完成脱扣。

2 仿真模型搭建

本文以图1所示的站用交流电源系统为仿真对象，在PSIM软件中搭建仿真模型进行分析。

2.1 PSIM仿真软件

PSIM的全称为Power Simulation，由SIMCAD和SIMVIEW两个软件组成。PSIM是专门为电力电子和电机控制设计的一款仿真软件。

2.2 站用变建模

两台站用变的实际参数如表1所示。

表1 两台站用变参数

利用表1中的数据进行计算可得到表2所示的站用变参数［5］。

将表2中的数据带入到PSIM中的“3-phase D/Y transformer”模型，即可生成带有精确参数的站用变模型。

2.3 ATS控制器建模

根据文献［3］对ATS装置选择的注意事项，ATS装置应在出现三相失电、任一相断相、过电压、欠电压等异常情况时实现自动切换。对于额定相电压为220 V的交流系统来说，定义过电压、欠电压、缺相的异常判断依据是：当相电压任意一相大于245 V时，为出现过电压；当相电压任意一相小于185 V时，为出现欠电压；当相电压任意一相大于185 V且任意一相小于90 V时，为出现缺相。出现任意一种情况时，ATS应实现自动切换。

当ATS控制器选择自动Ⅰ模式时，其逻辑控制模块如图2所示。

图2 ATS控制器控制逻辑模块

2.4 空气开关建模

为验证交流系统可靠性，将空气开关建模为可反应大于瞬时脱扣电流实现瞬时（0.1 s）跳闸的设备。以C32A型空气开关为例，其额定电流为32 A，依照C类曲线，当流过的电流大于320 A时可以在0.1 s内完成脱扣。按此对空气开关进行建模，模型如图3所示。

图3 空气开关建模模型图

2.5 负荷建模

交流系统的负荷多为站内照明、通风、加热、消防等设备，由于负荷的类型不影响可靠性分析，为建模方便，将各类负荷统一当作电阻性负荷进行建模。

3 仿真分析

3.1 401或404开关断开

站用变401或404开关断开相当于1号站用变失压，因此本小节仿真分析也可适用于1号站用变故障失压的情况。

仿真参数设置：仿真时间为3 s，1号站用变高压侧电压设置为10.5 kV，变比为10.5/0.4。为突出仿真效果，将2号站用变高压侧电压设置为8 kV，变比也为10.5/0.4，ATS控制器延时设置为0.5 s，1号站用变高压侧开关在1 s时断开、2 s时合上。观察对象为交流Ⅰ段母线电压，其波形如图4所示。

图4 Ⅰ段母线电压波形

由图4可知，0～1 s时，交流Ⅰ段母线电压正常，该母线由1号站用变供电；1～1.5 s时，交流Ⅰ段母线电压消失，此为ATS装置切换延时；1.5～2 s时，交流Ⅰ段母线电压恢复，但明显小于原电压值。由于设置的2号站用变进线电压小于1号站用变，此处电压下降，说明Ⅰ段母线由1号站用变供电成功切换至2号站用变供电；2～2.5 s时，电压又消失，但在2.5～3 s时，电压恢复，且与0～1 s时的电压大小一致，即2 s时由于1号站用变恢复供电（401开关合上），ATS1装置立即断开2号站用变供电，经过0.5 s延时后成功切回1号站用变供电（2.5 s后电压恢复原来大小）。

通过模拟仿真可知，在一台站用变进线电压消失后，ATS装置可经延时自动切换至另一路供电，保证对低压交流负荷持续可靠供电。

3.2 站用变低压侧带压差合环

站用变低压侧带压差合环是指两台站用变分别供不同段母线，且低压侧电压存在明显压差时，两段低压交流母线联络开关在合位的情况。这种情况在本站真实发生过：某日2号站用变因故停电检修，运行人员误将10 kV母联9001甲刀闸柜中的联络开关合上，2号站用变检修过程中检修人员误将2号站用变档位置为2档（变比为：10.55/0.4），当日工作结束后未将档位恢复至中间档位。几日后运行人员进行站用变轮换试验，将ATS1装置由自动方式Ⅰ改为自动方式Ⅱ后，ATS1装置成功切至2号站用变供电，此时1号交流馈线屏内“10 kV开关室交流电源Ⅰ路空气开关”、2号交流馈线屏内“10 kV开关室交流电源Ⅱ路空气开关”跳开，导致部分电缆绝缘烧毁。

对该事件进行仿真分析，仿真参数设置：仿真时间为3 s，两台站用变高压侧电压均为10.5 kV，1号站用变变比为10.5/0.4，2号站用变变比为10.55/0.4，Ⅰ段、Ⅱ段母线上某两条支路之间的联络开关在合位。在0.5 s时，将ATS1装置切至2号站用变供电，观察对象为环路支路电流波形及有效值，如图5所示。

图5 环路支路电流波形及有效值

由图5可知，0～1 s时，环流支路电流很小（实际为5 A左右）。1 s时，环路电流瞬间增大至500 A以上。这主要是因为1 s时，ATS1装置将电源由1号站用变供电切至2号站用变供电，而低压Ⅱ段交流母线还由1号站用变供电，造成两台站用变低压侧合环。另外，两台站用变变比不同，导致低压侧电压存在压差，造成支路电流急剧增大，再经过2 s左右振荡，电流大小基本稳定（320 A左右）。实际运行中，电流飙升瞬间即可导致合环回路中的空气开关跳开，电缆绝缘薄弱处着火烧毁。同理适用于10 kV开关室总交流电源Ⅱ回路。

3.3 空气开关级差配合

3.3.1 空气开关级差失配

交流空气开关级差失配主要体现在其额定电流大小不匹配，即下级空气开关额定电流等于甚至大于上级空气开关额定电流。以本站为例，主要表现为低压交流两段母线所接负荷支路空气开关额定电流大于401—404开关的额定电流。在生产现场下级负荷发生漏电导致站用变低压侧总空气开关跳开，会造成整段低压母线失压。

仿真参数设置：仿真时间为3 s，低压交流Ⅰ段母线（即ATS1装置控制输出段母线）负荷支路空气开关瞬时脱扣电流均为1500 A，401—404开关设置为300 A。Ⅰ段母线所接A相某负荷支路1.5 s时发生漏电，观察对象为ATS1控制器两路输出信号、交流Ⅰ段母线电压、漏电支路电流，开关级差失配时ATS控制信号及电气量波形如图6所示。

图6 开关级差失配时ATS控制信号及电气量波形图

由图6（c）可知，0～1.5 s时低压Ⅰ段母线电压正常。1.5 s时Ⅰ段母线所接某负荷支路发生漏电，1.5～1.6 s时支路空气开关及401开关未断开，电源点持续向漏电支路供电，由图6（d）可知，漏电支路电流瞬间达到近1 100 A。经过0.1 s即1.6 s时，由图6（c）可知，低压Ⅰ段母线电压消失，说明401开关跳开。由图6（a）、图6（b）可知，ATS1装置经过0.5 s延时即2.1 s时由原来1号站用变供电成功切换至2号站用变供电。但由于漏电点仍然存在，漏电支路流过电流仍然很大，因而经过0.1 s即2.2 s时，403开关跳开，经过0.5 s即2.7 s时再次切换至1号站用变供电；再经过0.1 s即2.8 s时，401开关再次跳开。可以预见，在接下来的过程中，ATS1、ATS2装置间隔0.6 s左右频繁切换。

从上述分析可以看出，负荷开关与进线总开关（401—404）级差失配，不但造成整段母线失压，还导致ATS1控制器频繁切换，这对现场运行是十分不利的。

3.3.2 空气开关级差适配

若对交流低压母线负荷支路开关与进线总开关进行合理的级差配合，情况则有很大不同。

仿真参数设置：仿真时间为3 s，低压交流Ⅰ段母线（即ATS1装置控制输出段母线）负荷支路空气开关瞬时脱扣电流均为300 A，401—404开关设置为1500 A。Ⅰ段母线所接A相某负荷支路1.5 s时发生漏电，观察对象同样为ATS1控制器两路输出信号、交流Ⅰ段母线电压、漏电支路电流，其波形如图7所示。

图7 开关级差适配时ATS控制信号及电气量波形图

由图7（d）可知，1.5 s时低压Ⅰ段母线所接某负荷支路发生漏电，经过0.1 s，该支路空气开关跳开。由图7（c）可知，低压Ⅰ段母线电压并未发生变化，说明1号站用变持续供电，401开关并未跳开。由图7（a）和（b）可知，ATS1、ATS2装置并未发出切换信号。

综上，当空气开关级差配置合理时，低压母线负荷支路发生漏电，在0.1 s后仅跳开本支路，对整个母线供电没有影响，并且ATS1控制器也不会频繁切换。

4 防范措施

站用变低压侧交流系统故障的原因主要为低压侧不同电源点带压差合环和空气开关级差配置不合理。由上节的仿真分析结果可知，这两种故障均会造成严重后果。

对于低压侧带压差合环故障，应就地排查站用变档位，两台站用变应档位一致。当站内仅有单台站用变时，两段低压交流母线，应优先采用站内电源供电，进行空气开关合环排查，在联络开关旁应张贴“正常运行时严禁合闸”明显标记［6］。

对于空气开关级差配置不合理，采取就地排查和短路校验相结合的方式。对于未增添新负荷的站内低压交流系统，应加强就地排查交流空气开关的上下级额定电流和动作时间配合；对于有新负荷接入的站内低压交流系统应重新进行短路电流计算，利用不同短路点流过的短路电流和空气开关的动作特性曲线求取动作时间，通过动作时间和脱扣电流大小检验级差是否匹配［7-8］。

5 结语

站用交流系统是保障变电站安全运行的重要环节，能否可靠运行甚至关系到整个电网的稳定运行。针对站用变故障导致的事故，仅用文字描述不够直观、立体。本文在PSIM软件中搭建了以ATS装置为核心的站用交流系统仿真模型，通过各电气量的波形，分析了ATS装置的作用以及站用变低压带压差合环和空气开关级差失配故障，并对这两种故障提出了相应的防范措施。