浅谈快切的应用

快切可以在条件判断、切换逻辑、无需干预的情况下在20ms~100ms的时间内完成动作命令，在正常倒负荷、改变运行方式等其他倒闸操作时，几乎不会影响运行设备或对系统造成冲击。对于电厂、化工等其他特殊对电源要求很高的地方有广泛的应用。

SID-40B快速无扰动备用电源替续控制系统（国立智能）

1.概述

1.1适用范围

电力供应的不间断是国民经济各领域正常运作的重要保证,电力系统的发展和技术进步正是沿着这一目标行进。保证供电不间断有赖于电力生产、输送的各环节,备用电源自动投入装置就是一项重要技术措施。但传统的备用电源自动投入装置在设计上已无法满足当今各类用户必需的要求,特别是对拥有大量电动机负荷的工业企业更是无益反害,乃至在一些部门被明令禁用。SID-40B快速无扰动备用电源替续控制系统正是在总结传统备自投装置诸多致命弊端的基础上,广泛调查当今各行各业特别是工业企业对供电可靠性的要求,精心设计了一个多功能的备用电源自动投入系统,为与传统备用电源自动投入装置区别,定名为“备用电源替续控制系统”。

对供电可靠性提高的重要前提首先是要有不少于两个供电电源,其次是在一个电源因故障被保护切除时,要快速且在不损害供、用电设备的前提下投入备用电源,不仅要保证对电力用户电力供应不间断,而且使绝大部分乃至全部负荷不被切除,迅速再受电继续运转。该控制系统不仅仅实现当工作电源被切除时能及时投入另一电源,更重要的是立足于用户的生产流程不被破坏,这应该是备用电源自动投入的终极目的。由于负荷的性质不同,在失电后所表现的物理特征也不同。对于纯阻性负荷,在失去工作电源后负荷母线电压立即下降到零。对于含电感或电容性等储能特征的负荷,在失去工作电源后负荷母线电压并不立即下降到零,而是按相应的时间常数逐渐衰减。有电动机的负荷母线电压衰减速度与电动机数量、容量及其拖动的机械特性有关,且失电后的电动机通过其剩余的动能及转子剩磁转入异步发电状态,使负荷母线上呈现出一个电压幅值和频率逐渐衰减的残压不难看到,投入备用电源必须针对不同负荷性质采取不同的对策,目的就是实现全部负荷快速重新恢复运行。

传统备自投装置的起动条件概括起来有三个,即

①工作电源已断开(使用“无流”作判据);

②备用电源电压正常(使用“有压”判据);

③负荷母线电压为零(使用“无压”判据)显然,条件①、②是正确的,但条件③却是有局限性的,如负荷母线电压为零表明全部负荷包括电动机在内全部停止运行,生产过程中断,此时备用电源即使投入了也无法避免生产工艺流程被严重破坏,何况如果大量电动机群起自起动的条件将是极端恶劣的。传统备自投装置设计者的初衷是担心当负荷母线电压很高时投入备用电源会损坏电气设备,特别是电动机,事实上,这一种顾虑是多余的,因电动机能长期耐受的电压制造厂家给出的数据是1.1~1.2倍额定电压,我们称此电压为电动机耐受电压。因此,只要在备用电源投入时电动机所承受的电压不超过此值那就是安全的。所以将前述条件③修改为负荷承受电压小于或等于耐受电压更为合理,这一修正无疑使人们获得了在备用电源投入过程中不会损失任何负荷的效果。

基于负荷性质的不同,备用电源投入条件也不同,SID-40B备用电源替续控制系统设计了:快速切换准则、捕捉电动机群耐受电压点准则、捕捉首次同相点准则、捕捉残压准则及长延时准则,这样用户可根据现场负荷的性质作出最佳选择,实现备用电源快速、可靠投入。

3.1快速切换

在切换启动瞬间,若母线与备用电源进线的角差、频差在定值范围之内,且母线电压不低于快切低压闭锁定值,则可以在启动瞬间进行“快速切换”,立刻合闸出口。现场试验数据表明,母线电压和频率衰减的时间、速度主要和该段母线所带的负载有关,负载越多,电压幅值、频率下降的越慢,而且下降的速率随着时间的推移不断成加速下滑趋势。在最初0.3之内,电压幅值、频率下降的幅度较小,相角差在60°内对于用电设备是安全的,因而若在此区间快速合闸,无疑是最佳选择。在频差平均为1Hz时,以开关固有合闸时间为100ms计算,母线与备用进线相量间夹角增大36°,因而为确保快速切换成功,宜采用快速开关进行切换,且装置发合闸出口命令时,即时测得的角差应小于20°,即快速切换角差定值设置为20°。

3.2捕捉首次同相点切换

在工作电源因故障等原因被切除后,母线上所有电动机依靠原来的惯性及转子剩磁转入异步发电状态,也就是说在工作母线上将出现一个电压和频率在逐步下降的残压,如图4所示,图中残压V相对备用电源VB向滞后方向运动的角度不断增大,而残压数值也不断衰减,经过一段时间才衰减到零。人们担心在工作母线上有电压时投入备用电源会产生损坏用电设备特别是电动机的恶果,因而一定要在母线残压衰减为零时才投入备用电源,或者要在残压与备用电源间的相位差为零时投入备用电源。事实上这是不正确的。

一般电动机可以长期承受1.1~1.2倍额定电压,因此,只要选择合上备用电源时施加在电动机上的电压不超过这个耐受电压值,电动机就是安全的。人们可能担心投入备用电源时的中角很大时会导致对电动机轴系的扭矩冲击,理论及实践证明电动机群虽然处在异步发电状态,但其实质上是一个没有动力源和励磁源的靠惯性发电的发电机。因此备用电源投入时会在不大的冲击下将电动机群拉入同步。在电动机群数量及容量较大的场合,中角的变化速度较慢,加之装置的运算及控制速度很快,一般情况下备用电源投入时的中角大约在60°以内。

此外,备用电源投入时可能与电动机群或等值电动机的次暂态及暂态电势叠加而产生幅值较大的冲击电流,并可能导致备用电源速断保护动作而跳闸,使替续控制失败。理论及实践证明可以通过正确选择备用电源继电保护定值解决这一问题,为此,我们采用了捕捉电动机群耐受电压点的准则实现备用电源的快速及安全切换,我们称这一控制准则为捕捉电动机耐受电压点的准则。实现这个准则的方法就是实时监测工作电源与备用电源的相角差中及当前的△U值,并根据已采样的数据预测△U的变化,在△U值增大到超过允许值之前,计及备用电源开关的合闸时间发出合闸命令完成备用电源的投入,这既保证所有电动机在转速下降不多,母线残压和电动机转速还很高时就重新受电,大大有利于迅速恢复工作。

3.3捕捉首次同相点切换

捕捉首次同相点切换是指出现工作电源因事故被切除后,母线上残压相量将绕备用电压相量向滞后方向旋转,在首次出现相角差为零时完成备用电源切换。条件因子取决于备用电源开关的合闸时间和相角差Φ的变化速度。

动作过程如下:首先,有故障的工作电源被保护切除后,母线上的电压及频率按一定的规律衰减,在衰减过程中残压相对备用电源电压每运动360°就出现一次可能满足同相切换判据的合闸时刻点。理想情况是实现首次过零度合闸,此刻母线电压一般衰减30~40%额定电压左右,电动机设备出力下降不是很大,备用电源合上时冲击也不是太大,设备的自起动条件较好。但是在衰减过程中,由于母线残压随着频率的下降,其电压幅值和相角的变化会越来越快,如图8所示,原有的线性模型和简单的加速度模型已经难以准确地表达电压幅值和相角的变化。SID-40B无扰动备用电源替续控制系统采用了频率自动跟踪技术和模糊理论对频率进行分段建立模型的方法,准确地表达了频率、相角、幅值变化。根据实时的频率、相角、幅值的变化规律,计算出在母线残压与备用电源电压向量第一次相位重合的到来时间,当该时间到来前相当合闸回路总动作时间时发出合闸命令,实现精确的过零点即首次同相合闸,这种合闸方式不受负荷变化影响,对设备的自启动有利。但缺点是因母线残压下降过程中会导致部分负荷被低压保护切除,所有使用接触器的负载都因接触器因低压释放而失去再受电的机会备用电源投入后不可能恢复原生产流程。

首次同相点切换作为耐受电压准则切换的备用切换常用于如下情况:

●因系统接线或系统运行方式造成母线电压与备用电源初始角(功角)较大,无法实现捕捉耐受电压点切换;

●残压频率下降很快且开关合闸时间较长时难以实现捕捉耐受电压点切换;

●工作电源和备用电源来自两个独立的系统两系统之间不仅存在相位差,而且存在频差时;

●工作母线上存在大容量电源,投备用电源时会出现同期问题,因此此时采用同期方式(同相)合闸是合理的切换方式,即所谓的“快速自动并网”,控制策略详见3.6

3.4残压切换

残压切换指当母线三个线电压均衰减至小于或等于残压切换电压定值(2040%额定电压),且持续残压切换延时定值后实现的切换。残压切换作为前述首次同相点切换的后备功能。当工作电源被保护切除后,如果因某种原因未能实施前述切换,则当母线电压衰减到某个允许值(整定值)时,再合上备用分支开关。其合闸时无须判断相角和频率差,这是一种非同步的切换方式。

残压切换虽能保证备用分支电源投入,但是由于停电时间过长,很多设备已自动或被低压保护被切除,其他设备自启动条件恶化,生产工艺过程等都将受到较大影响。

3.5长延时切换

如果在给定的时间(整定值)结束之前无法进行上述的任何一种切换方式,可执行长延时切换,因此，长延时切换方式仅作为一种备用切换方式。在正常情况下是不可能会发生这种切换方式的。

3.6快速自动并网

针对某些具有大容量电源的配电系统,工作电源切除后形成的“孤网”运行状态,SID-40B替续系统提出了“快速自动并网”的概念:其意义在于快速恢复供电可靠性和提高电能质量。由于孤网内部存在各类电源,为了避免不必要的冲击和扰动,必须较严格地执行同期操作来投入备用电源进线。此时以母线电压反映孤网系统的电压和频率,其与备用电源电压构成了一个同期点。另外,有以下几点是要重点说明的:

(1)关于装置启动的条件。由于在绝大部分现场很难获取对侧、远方开关的状态,所以SID-40B将母线与备用电源的频率差作为启动的条件之一。解列前由于工作电源和备用电源来自同一个系统,所以母线与备用电源的频率差为零;解列后,备用电源频率基本不变,母线频率的变化由孤网内部的电源和负荷特性决定,因而构成了一定的频差。SID-40B使用频差作为启动条件时,具有300毫秒的内部启动延时,主要原因在于两点:一是躲开由于外部故障扰动导致的频率测量误差:二是需要一定时间才能精确计算出系统的频率变化率,以确保并网的可靠性。由于“孤网”内部存在不同容量的电源,频率下降的速度远较单纯负荷时慢,而且频率下降太快时也不宜并网(此时SID-40B可以在母线完全失压后再投入备用电源)所以几百毫秒的延时对装置捕捉第一次并网时机并无影响。对于第一次并网时机出现在系统解列一秒以上的现场,自动并网的成功率很高。

(2)关于装置并网的闭锁条件,SID-40B主要按以下四个条件闭锁并网操作。

一是,备用电源电压不正常,低于进线失压定值;

二是,母线与备用电源的频差越限

三是,母线频率的变化率越限;

四是,母线电压低于低压闭锁定值

(3)关于孤网系统并网的频差限值。该限值的大小一方面取决于孤网内部的电源(主要是同步发电机)性质,单台发电机容量越大,限值越小另一方面由于系统内部有大量负荷,备用电源投入瞬间产生的有功功率交换大部分流入了负荷支路,所以频差限值可以大于发电机正常并网时的取值。对于孤网内部有10MW以上大容量发电机组的场合,建议设置为3Hz;一般场合可设置为3~5Hz。

(4)关于孤网系统并网的频率变化率限值。形成孤网的状态后,其频率变化率与系统的有功功率差额成正比,由于同步发电机在设计时就考虑到负荷的突增和突减,所以对频率变化率具有较好的耐受性。将其作为一个闭锁条件主要是为了确保并网操作的准确性,提高抗扰动能力。SID-40B默认取值为25Hz/S。

(5)母线电压的低压闭锁定值。一般可按50-60%额定电压设定,因为低于该值在合闸瞬间对系统扰动偏大。

3.7切换定值的整定

用户可以根据现场运行设备的实际情况来选择适当的切换准则和参数,以下几点是整定的依据:

(1)负荷以异步电动机为主,建议选用快速切换准则、捕捉耐受电压点准则组成“快切逻辑”作为主要的切换手段,选用残压切换准则、长延时切换准则组成“慢切逻辑”作为后备的切换手段。其中快速切换准则定值的范围是:低压闭锁定值60~80%Un、允许频差不大于1Hz、切换角差不大于20°捕捉耐受电压点准则定值的范围是:低压闭锁定值6080%Un、允许频差不大于4Hz、耐受电压不大于1.20Un。残压切换准则定值范围是:残压切换电压定值小于30%Un、残压切换延时定值不大于1.00S:长延时切换准则的相关定值按照系统电压下降的实际情况进行设定。

(2)当负荷中有大容量同步电动机时,建议选用快速切换准则、捕捉首次同相点准则组成“快切逻辑”作为主要的切换手段,选用残压切换准则、长延时切换准则组成“慢切逻辑”作为后备的切换手段。

其中快速切换准则定值的范围是:低压闭锁定值6-80%Un、允许频差不大于1Hz、切换角差小于20°，捕捉首次同相点准则定值的范围是:低压闭锁定值60~80%Un、允许频差不大于5Hz。如切换失败,则立即切除同步电动机进行残压切换。残压切换准则定值范围是:残压切换电压定值小于30%Un、残压切换延时定值不大于1.00S;长延时切换准则的相关定值按照系统电压下降的实际情况进行设定。

(3)负荷以异步电动机为主,但同时有大容量的同步电动机,可以按以下步骤进行操作。首先,在工作电源跳开时,以“联切”的方式跳开全部同步电动机;然后,随即按捕捉耐受电压点准则投入备用电源;进而使用“联投”功能启动快速同期装置将同步电动机按同期方式再并入系统。“联切”和“联投”是SID-40B特殊控制选项,可按照不同现场的要求进行配置。

(4)当负荷系统中配置有电容器时,可以按两种方式来进行控制:一是,电容器组配有涌流抑制器,且没有接入放电回路,替续系统启动后,立即跳开电容器,备用电源快速投入,并启动SID-3YL涌流抑制器再将原已充电的电容器并入系统。二是,替续系统启动后直接按快切准则、捕捉耐受电压点准则等投入备用电源,如母线上交流电压较高,可以不切除电容器,否则切除电容器并且不再自动投入。

3.8切换准则软件逻辑

若装置在手动切换定值中选择了并联自动或并联半自动切换模式,则并联合闸将依据严格的差频或同频同期准则进行,同期判据所用定值为切换准则中的并联切换允许压差、并联切换允许频差、并联切换允许功角差定值。

若装置在切换模式上选择了串联或同时切换切换模式,则在切换过程中,合闸将依据快速切换准则耐受电压准则、同期捕捉准则、残压准则、长延时准则五种切换准则进行切换。此五种切换准则都可分别在手动切换定值、事故切换定值、非正常工况切换定值中通过投退软压板独立进行选择。程序一旦进入到启动切换过程中,将根据各准则的投退情况,在最长切换时间内,一直计算并判断各准则是否满足,若任一准则满足且监测到分闸完成标志(串联切换时,跳闸开关在监测时间内变分位;同时切换时,同时切换延时到），则发合闸令，合闸出口。

备投方案说明

注释:

①电压合格:电压幅值大于有压定值,电压频率与额定频率的偏差小于有压确认允许频差且保持有压确认延时;

②模式选择1和模式选择2:用于方案1、方案4暗备用方式下手动切换时,选择主工作进线的两个外部开入信号;用于方案6双备用电源方式下,选择备用电源的两个外部开入信号;

③母线失压:母线电压低于失压定值,工作进线电流小于支路无流定值,同时工作端断路器在合位且工作端进线电压小于有压定值,或者工作端断路器在分位且延时超过失压启动时间后,则确认为失压;

④偷跳:工作断路器由合变分,且工作进线无流,则确认为断路器偷跳;

⑤进线故障:其判据是线路的保护启动信号为合位,或检测母线电压满足所投入的模拟量启动判据(频差启动、频差无流启动、逆功率启动、逆功率频差启动、频压品质启动)

明备用、暗备用的概念

1、明备用是指两路电源变压器一台工作，另一台备用。两台容量都是按计算负荷100％确定；

2、暗备用是指两台变压器都工作，两路电源变压器容量都是按计算负荷一、二级负荷确定，在建筑供电系统中变压器容量大约占全部计算负荷的70％，工业大概是40%。

3、换种说法：系统正常运行时，备用电源不工作，称为明备用；系统正常运行时，备用电源也投入运行的，称为暗备用，暗备用实际上是两个工作电源的互为备用。

3段母线2台快切装置运行方案举例：

方案1:母联或桥开关替续控制(暗备用)和进线替续控制(明备用)

一、暗备用投入,明备用退出时控制逻辑:

正常运行时:

1DL合位,进线1通过1DL向1段母线供电;

2DL合位,进线2通过2DL向2段母线供电。

母联开关分位,1母、2母通过母联开关形成互为备用。

装置上电后,1段、2段母线电压合格,且无进线故障装置开始充电,充电10秒后,充电完成,系统开始进入对故障监控状态。

1、手动切换逻辑(切换方式选择并联来举例说明):

①在检测到母联开关和1DL为合位,2DL为分位,母线电压及进线2电压合格时,装置开放手动切换功能。如检测到手动切换信号,合2DL跳母联开关。

②在检测到母联开关和2DL为合位,1DL为分位,母线电压及进线1电压合格时,装置开放手动切换功能。如检测到手动切换信号,合1DL跳母联开关。

③在检测到1DL和2DL为合位,母联开关为分位,须检测开入信号:模式选择1和模式选择2。当模式选择1为合位,模式选择2为分位时,选择进线1为主工作进线;在母线电压合格时,装置开放手动切换功能。如检测到手动切换信号,合母联跳2DL开关当模式选择2为合位,模式选择1为分位时,选择进线2为主工作进线;且母线电压合格时,装置开放手动切换功能。如检测到手动切换信号,合母联跳1DL开关;

当模式选择1和模式选择2均为分位或均为合位时,装置闭锁手动切换功能。

手动切换成功后,装置返回到正常运行模式。

2、非正常工况切换(切换方式选择串联来举例说明)

在装置已完成充电后,系统发生母线失压或断路器偷跳时,装置进行非正常工况切换,切换逻辑

如下:

确认1段母线失压或1DL偷跳时,在2段母线电压合格的情况下,跳1DL,合母联开关;

确认2段母线失压或2DL偷跳时,在1段母线电压合格的情况下,跳2DL,合母联开关。(仅在选择双方向切换时有效)

3、事故切换(切换方式选择串联来举例说明):

在装置已完成充电后,若确认进线故障,故障进线进行事故切换,切换逻辑如下:

如进线1故障,2段母线电压合格,则跳1DL合母联开关保证正常供电;

如进线2故障,1段母线电压合格,则跳2DL合母联开关保证正常供电。(仅在选择双方向切换时有效)

二、明备用投入,暗备用退出时控制逻辑:

正常运行时:

母联开关、1DL合位,2DL分位,进线1通过1DL、母联开关向母线供电,进线2通过2DL作为备用电源;

母联开关、2DL合位,1DL分位,进线2通过2DL、母联开关向母线供电,进线1通过1DL作为备用电源。(仅在选择双方向切换时有效)

装置上电后,若母线和备用进线电源的电压合格,且无进线故障,则装置开始充电,充电10秒后,充电完成,系统开始进入对故障监控状态。

1、手动切换逻辑(切换方式选择并联来举例说明):

①在检测到1DL为合位,2DL为分位,母线电压及备用进线2的电压合格,装置开放手动切换功能。如检测到手动切换信号,合2DL,跳1DL开关;

②在检测到2DL为合位,1DL为分位,母线电压及备用进线1的电压合格,装置开放手动切换功能。如检测到手动切换信号,合1DL,跳2DL开关。

手动切换成功后,装置返回到正常运行模式。

2、非正常工况切换(切换方式选择串联来举例说明):

在装置已完成充电后,系统发生母线失压或断路器偷跳时,装置进行非正常工况切换,切换逻辑如下:

母联开关、1DL均为合位,且2DL分位时,确认1、2段母线失压或1DL(母联开关)偷跳时,

在进线2电压合格的情况下,跳1DL(母联开关),合2DL;

母联开关、2DL均为合位,且1DL分位时,确认1、2段母线失压或2DL(母联开关)偷跳时,

在进线1电压合格的情况下,跳2DL(母联开关),合1DL。(跳2DL合1DL仅在选择双方向切换时有效)

3、事故切换(切换方式选择串联来举例说明)

在装置已完成充电后,若确认进线故障,故障进线进行事故切换,切换逻辑如下:

母联开关、1DL均为合位,2DL分位,如进线1故障,且进线2电压合格,则跳1DL合2DL保证正常供电;

母联开关、2DL均为合位,1DL分位,如进线2故障,且进线1电压合格,则跳2DL合1DL保证正常供电。(仅在选择双方向切换时有效)

三、暗备用和明备用均投入时控制逻辑:

正常运行时:

根据上文(1)暗备用投入和(2)明备用投入所述正常运行情况,符合其中任一种正常运行情况均可充电。

1、手动切换逻辑:

按上文(1)暗备用投入中手动切换所述的逻辑动作。

2、非正常工况切换:

①若在暗备用情况下充电完毕,系统发生母线失压或断路器偷跳时,装置进行非正常工况切换,按(1)暗备用投入中所述非正常工况切换逻辑动作;

②若在明备用情况下充电完毕,系统发生母线失压或断路器偷跳时,装置进行非正常工况切换,按(2)明备用投入中所述非正常工况切换逻辑动作。

3、事故切换:

①若在暗备用情况下充电完毕,若确认进线故障,故障进线进行事故切换按(1)暗备用投入中所述事故切换逻辑动作;

若在明备用情况下充电完毕,若确认进线故障故障进线进行事故切换按(2)明备用投入中

所述事故切换逻辑动作。

四、暗备用和明备用均退出时控制逻辑:

备自投功能均闭锁。

方案3:进线替续控制(明备用)

控制逻辑如下：

正常运行时：

IDL合位,2DL分位,进线1通过1DL向母线供电,进线2通过2DL作为备用电源

2DL合位,DL分位,进线2通过2DL向母线供电,进线1通过1DL作为备用电源(仅在选择双方向切换时有效)。

装置上电后,母线和备用进线电源的电压合格。且无进线故障,装置开始充电,充电10秒后,

充电完成,系统开始进入对故障监控状态。

1、手动切换逻辑(切换方式选择并联来举例说明)

①在检测到1DL为合位,2DL为分位,母线电压及备用进线2的电压合格,装置开放手动切换功能。如检测到手动切换信号,合2DL,跳1DL开关。

②在检测到2DL为合位,1DL为分位,母线电压及备用进线1的电压合格,装置开放手动切换功能。如检测到手动切换信号,合DL,跳2DL开关。

手动切换成功后,装置返回到正常运行模式。

2、非正常工况切换(切换方式选择串联来举例说明)

如下:

在装置已完成充电后,系统发生母线失压或断路器偷跳时,装置进行非正常工况切换,切换逻辑

DL为合位,2DL分位时,确认母线失压或1DL偷跳时,在进线2电压合格的情况下,跳1DL,

合2DL。

2DL为合位,1DL分位时,确认母线失压或2DL偷跳时,在进线1电压合格的情况下,跳2DL,

合1DL。(仅在选择双方向切换时有效)

3、事故切换(切换方式选择串联来举例说明):

在装置已完成充电后,若确认进线故障,故障进线进行事故切换,切换逻辑如下:

1DL为合位,2DL分位,如进线1故障,进线2电压合格,则跳1DL合2DL保证正常供电。

2DL为合位,1DL分位,如进线2故障,进线1电压合格,则跳2DL合1DL保证正常供电。(仅在选择双方向切换时有效)

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