三电源供电系统快速切换方案与仿真分析研究

陶国彬，薄大宇

（东北石油大学电气信息工程学院，黑龙江大庆163318）

三电源供电系统快速切换方案与仿真分析研究

陶国彬，薄大宇

（东北石油大学电气信息工程学院，黑龙江大庆163318）

摘要：快速切换装置是保证连续生产企业供电系统供电连续可靠性的重要措施。提出了三电源供电系统带有保安电源的特殊性和重要性，分析了该三电源系统的备自投切换方式，并提出快速切换方案。介绍了快切装置的基本原理与判据，并对三电源供电系统切换过程进行了仿真分析。仿真结果验证了快速切换装置对三电源系统连续供电的可行性。

关键词：三电源供电系统；快速切换方案；仿真分析

1　引言

供电系统不间断供电对于国民经济各个领域有着极其重要的意义，尤其对于发电、矿山、炼钢、石油化工等连续生产的企业，连续供电就显得更加重要。供电系统中备用电源自动投入装置的应用就是为了解决供电连续性问题，要求主备电源之间的切换必须安全可靠。传统的备用电源自动投入装置由于没有同期捕捉功能，如果是无残压切换时间就较长，有残压切换容易造成备用电源与失电母线残压反向切换产生过压冲击，较长的切换时间电动机停机连续生产被破坏，甚至出现电动机群启大电流低电压系统崩溃。近些年，国内外研制开发出的备用电源快速切换装置技术和产品质量具有较高的科技水平，并且在发电厂厂用电工作电源与备用电源切换中得到广泛的应用，而且在石油化工、矿山等连续生产的双电源供电系统中也得到越来越多的应用。快速切换装置的优点是可避免备用电源电压与失电母线残压在相角、频率相差过大时合闸而对电机造成冲击，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。随着真空及SF6快速开关的广泛使用，快速切换装置在厂用电源、双电源的切换中得到广泛应用。对于具有大容量保安负荷的三电源6（10）kV系统，目前国内外还没有开发出新型快速切换装置，本文基于双电源快速切换装置，对具有保安电源的三段母线系统快速切换建模并进行仿真分析研究，提出了三电源6（10）kV供电系统的快速切换可行性方案。

2　快切基本原理及应用

2．1快切基本原理

对于发电厂用电负荷及石油化工生产用电负荷主要是高低压异步电动机组成。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。如图1所示为母线切换时电动机的等值电路图和向量图。

图1　电动机重新接通电源时的等值电路图和相量图

图1中Us为电源电压；Ud为母线上电动机的残压；Xs为电源等值电抗；Xm为母线上电动机组和低压负载的等值电抗（折算到高压厂用电压）；△U为电源电压与残压之间的差拍电压。由图1可以看出，对应不同的△U值，当θ＝180°时，△U值最大，如果此时重新合上电源，对电动机的冲击最严重。根据母线上成组电动机的残压特性和电动机耐受电压的能力，在极坐标上可绘出其残压曲线。如图2所示为电动机的残压特性曲线和电动机耐受的冲击电压确定的允许极限。电动机重新合上电源时，电动机上的电压为：

式中：Xm为母线上电动机组和低压负荷折算到高压厂用电压后的等值电抗；Xs为电源的等值电抗；△U为电源电压和残压之间的差拍电压。

令Um等于电动机起动时的允许电压，即为1．1倍电动机的额定电压UDe：

则：

令：

则：

假设K＝0．67，计算得到△U（%）＝1．64。在图2中，以点为圆心，以1．64为半径绘出A′－A″圆弧，其右侧为电厂备用电源合闸的安全区域。在残压特性曲线的AB段，实现的电源切换称为“快速切换”即在图2中B点（0．3 s）以前进行的切换，对电机是安全的。延时至点（s）以后进行同期判别实现的切换称为“同期判别切换”，此时对电机也是安全的。等残压衰减到20%－40%时实现的切换，即为“残压切换”。为确保切换成功，当事故切换开始时，装置自动起动“长延时切换”作为事故切换的总后备。

图2　电动机的残压特性曲线和电动机耐受的冲击电压确定的允许极限

2．2快切目前的应用领域

2．2．1发电厂厂用电快速切换应用

如图3所示为发电厂厂用电系统，正常运行时厂用母线电源由发电机端经厂高变T2提供，备用电源由启备用变T3提供，断路器1DL合闸带母线负荷运行，2DL分闸处于热备用状态，KQ是快速切换装置。当发变组保护动作或工作电源侧故障时，并且KQ检测非厂用母线或者馈出分支短路故障，在跳开断路器1DL的同时，接着发出断路器2DL合闸信号，备用电源投入工作实现快速切换或者耐受电压、第一次同期捕捉切换等。此种为常见厂用电快切应用，因为快切装置切换的特点保证发电厂用电电动机组残压不会下降太多导致机组停转、停产。

图3　发电厂厂用电系统接线图

2．2．2工厂双电源分段快速切换应用

如图4所示为常用的双电源单母线分段供电系统接线图。正常工况下断路器1DL、2DL合闸，分别带Ⅰ、Ⅱ段母线负荷运行，母联断路器3DL分闸热备用，KQ是快速切换装置。假设1号进线故障时，继电保护发出跳闸信号的同时给快切装置KQ信号，或者KQ检测进线失电，KQ装置发出1DL跳闸信号的同时，向3DL发出合闸信号，实现快速切换或者耐受电压、第一次同期捕捉切换等。同样，当2＃电源发生故障时，也可以实现2DL与3DL的同时切换。这里需要强调，当母线或者馈出分支短路故障时，闭锁快速切换装置不动作。

图4　常用的双电源单母线分段供电系统接线图

3　三电源母线供电系统及切换

3．1三段母线带有后备保安电源系统及运行方式

如图5所示为双电源带有保安电源的三段母线6（10）kV供电系统接线图。系统正常运行方式：1＃电源受电断路器1DL合闸带Ⅰ段母线，2＃电源受电2DL断路器合闸带Ⅱ段母线，保安电源受电3DL分闸处于备自投热备，Ⅰ－Ⅱ段母联4DL分闸备自投热备，Ⅱ－Ⅲ段母联5DL合闸，即2＃电源带Ⅱ、Ⅲ段母线运行。传统的备自投（BZT）切换采用微机保护长延时切换，切换时间一般设置1s－3s范围内。

图5　双电源带有保安电源的三段母线6（10）kV供电系统接线图

3．2三段母线系统BZT切换方式

（1）1＃电源失电运行方式

1DL跳闸，无过流闭锁时Ⅰ－Ⅱ段母联4DL备自投合闸，2＃电源带Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段母线运行，3DL分闸处于备自投热备状态。当2＃电源也失电，2DL、4DL、5DL跳闸，3DL备自投合闸，保安电源只带Ⅲ段母线保安负荷。2＃电源失电运行方式同理。

（2）1＃、2＃电源同时失电运行方式

1DL、2DL、4DL、5DL跳闸，3DL备自投合闸，保安电源只带Ⅲ段母线保安负荷。

3．3快速切换装置的配置方案及切换方式

3．3．1快切装置的配置方案

在1＃电源与2＃电源之间配置快切装置KQ1，配置原则相当于上述的双电源单母线分段快切方案，KQ1监测Ⅰ段母线和Ⅱ段母线电压、相角、频率。1＃、2＃电源与保安电源之间配置快切装置KQ2，配置原则相当于上述的厂用电工作电源与备用电源快切方案，KQ2监测Ⅲ段母线和保安电源侧电压、相角、频率，同时检测Ⅰ段母线电压作为KQ2装置闭锁与开放逻辑条件。

3．3．2快切控制母线切换方式

（1）当1＃电源或者2＃电源其中一路电源失电，KQ1装置发指令给1DL或者2DL跳闸，KQ1装置按照逻辑关系控制闭合4DL实现切换。KQ1监测工作电源失电，备用电源电压不能低于额定电压的80%，否则闭锁切换。2＃电源失电情况下，此时如Ⅰ段母线电源电压在80%以上，闭锁KQ2装置不动作。

（2）4DL闭合后，如2＃电源或者1＃电源又失电，KQ1装置发指令给2DL或者1DL，装置按照逻辑控制跳开4DL、5DL，Ⅲ段母线失电。此时Ⅰ段母线电源电压在80%以下，开放KQ2装置。KQ2装置监测保安电源电压在80%以上，跳5DL同时合3DL断路器，Ⅲ段母线由保安电源供电，其它两段母线停电。

（3）当1＃电源和2＃电源同时失电，KQ1装置发指令给1DL和2DL跳闸，同时也将跳闸指令送给KQ2装置，KQ1装置监测Ⅰ段母线和Ⅱ段母线电源电压都同时低于70%以下，KQ1控制4DL、5DL跳闸。KQ2装置监测保安电源电压在80%以上，跳5DL同时合3DL，Ⅲ段母线由保安电源供电，其它两段母线停电。

3．3．3快切控制母线切换时序

假设断路器1DL偷跳，接着断路器2DL差动保护跳闸，分析快速切换的时序关系。这里以ABB VD4断路器为例，VD4出厂固有合闸时间范围50－70ms，固有分闸时间范围33－45ms。如图6所示为以固有分、合闸最长时间为基准分析的时序关系。

（1）第一阶段在10ms时发出1DL偷跳TT信号，1DL延迟45ms分闸，此时6B1电压开始下降，残压衰减。KQ1接收偷跳信号后，检测6B2母线有电，同时切换延迟20ms之后发出4DL合闸信号，延迟70ms后4DL合闸，此时6B1切换到6B2母线电压恢复。

（2）第二阶段2DL上侧差动保护动作，差动保护动作分闸2DL的同时，向KQ1与KQ2同时发送信号，KQ1接受信号后也向2DL、4DL发送分闸信号，延迟45ms断开2DL与4DL，此时6B1、6B2与6B3电压开始下降。KQ2接收到差动保护信号也延迟45ms断开5DL，KQ2监测保安电源进线是否有电，同时切换延迟30ms发出3DL合闸信号，延迟70ms后3DL合闸，此时切换到保安电源带6B3段母线电压恢复，6B1、6B2失电电压下降至零。

4　三段母线快速切换仿真分析

图6　快切控制切换时序图

4．1系统建模

本文供电系统建模暂态分析是应用美国电力系统设计和仿真分析软件（Paladin DesignBase Programs）5．0版本，如图7所示为三电源供电网络建立构架、录入参数建模后的系统图。三段6B1、6B2、6B3母线分别挂载3．35MW三组异步电动机负载。电动机组的数据皆为主要影响快速切换的现场参考值。

4．2快速切换装置判据

（1）快速切换判据：①相角差指故障母线电压和备用母线电压之间的相角差，典型的值是±20°。②母线电压和备用电源电压的频率差，通常的界值是1Hz。③备用电源电压通常被整定为正常电压的80%。④母线电压低于设定电压值（U通常设定为正常电压的70%），则不允许进行切换。⑤同时切换延时范围20－40ms。

（2）耐受电压切换：①耐受电压准则判据中的允许频率差整定值2Hz。②母线低电压闭锁切换电压值是正常电压的70%。③电机的耐受电压定值1．1U。

（3）首次同期切换判据：①备用电源电压和母线残压的相位差要第一次同相。②母线与目标电源频率差整定值5－6Hz。③备用电源电压一般是正常电压的80%。

4．3按上述第一阶段时序仿真分析

（1）软件设定在55ms时刻断路器1DL偷跳（TT）断开，如图8所示为6B1母线残压下降图，1DL断开前6B1母线电压6290V、相角－30°、频率50Hz。大约2s残压降为零。

图7　三段母线建模后系统图

图8　 6B1母线残压下降图

（2）由于断路器分合闸固有时间的限制，KQ1发信号跳1DL，同时切换延时20ms发信号合4DL，6B1最短失压失电时间是45ms，加上软件的设定时间55ms，则为100ms以上的残压下降特性。如图9所示为在110ms合上4DL前6B1母线电压暂态图。此时，6B1母线电压5788V、相角－40．8°、频率49．59Hz，满足快速切换判据。

图9　合上4DL前6B1母线电压暂态图

图10　第二阶段开始系统状态图

4．4按上述第二阶段时序仿真分析

（1）第二阶段仿真系统以第一阶段末尾仿真系统的开关状态为起始状态，此时1DL断开，4DL母联闭合，时间从0ms开始仿真测试，如图10所示。0s时刻差动保护动作跳2DL，2DL、4DL、5DL同时接收到分闸信号，断路器固有分闸时间45ms后2DL、4DL、5DL分闸，6B1、6B2、6B3母线残压开始下降。如图11所示为0．045s时刻2DL、4DL、5DL断开后三段母线暂态电压衰减曲线。

图11　三段母线暂态电压衰减曲线

（2）差动保护跳2DL、5DL时，同时切换延时30ms 后KQ2发信号3DL合闸，由于断路器固有分合闸时间的限制，5DL分闸到3DL合闸，6B3母线残压衰减时间最短是55ms，因此是在100ms时合上3DL，如图12所示为在合上3DL时刻前6B3母线残压特性曲线，6B3母线电压5545V、相角－46．6°、频率49．40Hz，满足快速切换判据。合3DL之后6B1、6B2电压继续衰减至零。

图12　合上3DL时刻前6B3母线暂态电压衰减曲线

5　结束语

本文首先介绍了快速切换的基本原理，以及目前快速切换装置的应用领域，接着对三电源供电系统传统备自投（BZT）切换进行了简单描述。就目前

国内外还未开发出三电源快速切换装置的实际，基于发电厂厂用电主、备电源及常用的双电源分段快速切换装置，对三电源母线供电系统快速切换进行组合配置设计，通过快切时序分析、建模仿真暂态分析研究，验证了三电源母线供电系统快速切换的可行性。本文重在引导读者了解三电源供电系统带有保安电源的特殊性和重要性，以及对三电源供电系统快速切换分析研究的认识，起到抛砖引玉的作用。

参考文献：

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中图分类号：TM621．3

文献标识码：A

文章编号：1005—7277（2015）03—0001—06

作者简介：

薄大宇，工程硕士，就读于东北石油大学电气信息工程学院，研究方向为电力系统与自动化。

收稿日期：2015－01－05

Research on fast switching scheme and simulation analysis of three power supply system

TAO Guo－bin，BO Da－yu

（College of Electrical and Information Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing 163318，China）

Abstract：The fast switching device is an important measurement to ensure continuous reliability of the production enterprise power supply system．The importance and particularity of three power supply system with emergency power supply are put forward，and the BZT switching mode of three power supply system is analyzed．The fast switching scheme is also proposed．The basic principles and criteria of fast switching device are introduced，and the simulation analysis of switching process is carried out．The simulation results verify the feasibility of fast switching device for three uninterruptible power system．

Key words：three power supply system；fast switching scheme；simulation and analysis