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低壓快速切換裝置
【日期】 2012年11月23日   【瀏覽】 [8569]
.什么是晃電
大中型企業,特別是連續生產作業型的企業,須配備完備的供電電源,多母線、多變壓器、多斷路器拓撲成復雜的供電系統。電壓級別多涉及到110KV、35KV、10(6)KV、400V。一般而言,把企業內部的中低壓電網稱為內網,企業外部的供電電網稱為外網,特別情況下針對某些負荷,也可以把負荷外部的電網部分統稱為外網。企業供電系統內任何一個支路出現短路都會造成整個系統的電壓跌落,而且發生短路的支路電壓等級越高,影響面越大,跌落值也越大。短路發生后,該支路的保護裝置將動作使斷路器跳閘切除故障支路。從短路發生到故障切除的這段時間,系統電壓經歷從跌落到恢復的過程,這種現象在不同的行業有不同的叫法,有的被稱為“晃電”,有的被稱為“失電”,或“晃動”、“陡降”等等。

1 某企業110KV外網C相短路電壓有效值錄波
 
圖1是某企業110KV外網C相短路時的現場電壓有效值實錄波形,由該圖可以看到110KV母線電壓有一段明顯凹陷。該短路事故致使該企業的變頻器停止運行,整個生產流程被迫中斷。這種短時的電壓凹陷可能造成危害的程度,與該支路中的負載特性、電壓凹陷的時間長短、壓降大小以及電壓恢復時刻的相位電角度有關。高壓母線電壓短路后,會連鎖造成低壓母線電壓迅速跌落,跌落的波形與圖1基本相同。
在本資料中提到的晃電的定義是:當電力系統中某處發生短路,線路上的電壓有明顯下降;當發生短路的支路被切除后,電壓恢復正常。這種電壓凹陷現象我們稱之為晃電。電壓凹陷的時間一般在0.1秒以上,是斷路器切除短路故障的時間。晃電現象在系統運行時出現的幾率很高,而100ms的時間對很多連續生產型企業而言是足以造成災難性后果的,因此需要一種專門針對消除晃電的危害而進行設計的快速切換裝置,迅速判斷故障類型、切除故障并快速投入備用電源。
需要說明的是,晃電與外網主線路上斷線或開關誤跳閘造成系統停電現象明顯不同,后者所需恢復的時間很長,稱之為“斷電”。短路造成的晃電現象與開路造成的停電現象,線路上的電流和電壓的特征有很大的不同。如圖2、圖3所示:圖2是系統出現短路時晃電的情況。由圖可見,電壓降得多而快,短路電流極大;圖3是主線路出現開路斷電的情況,由圖可見,電壓降得少而慢,開路電流為零。

2 短路發生
圖2 中,A是母線電壓晃電時電壓的瞬時值的波形,B是事故支路的短路電流波形,t是晃電的時間。
3 斷電波形
 
圖3中,A是開路斷電前后的電壓波形,B是線路上的電流。
發生斷電故障在現實中出現的幾率極低,如開關偷跳是概率極低的事件。事實上系統中眾多支路上任意點發生短路的情況要比外網主線路出現開路的情況多得多。而目前市場上已有的快速切換裝置卻主要是針對斷電現象設計的,是沒有真正的工程意義的。
根據如上所述,著重總結指出:
★ 晃電的時間基本等于控制器判斷時間+斷路器的固有分閘時間+電弧自然過零時間,以目前的斷路器工藝這個時間和總體不小于60ms,因此快速切換裝置必須具備不同于目前常規斷路器工藝的快速執行機構,并在控制判斷方面縮短時間。
★ 快速切換裝置必須具備快速切換至備用電源的功能,并具備常規的微機保護功能。
★ 快速切換裝置針對外網短路造成的晃電現象,針對外網斷路現象而設計的快切裝置沒有實際的工程意義。
低壓負載相對高壓負載對電網晃電更敏感,原因如下:
●  高壓負載的控制電源一般來自于直流屏,電網晃電對其控制電源無影響;而低壓負載的控制電源一般直接取自低壓電網,并使用開關電源等敏感型部件。
●  高壓負載的分合機構為斷路器,其功能閉鎖,即使控制失電仍保持原狀態;而低壓繼電器和接觸器一般不保持,如果改用自保持的方式,又會留下隱患。
●  低壓負載分支數目多、電流大,可能的故障點也更多,出現晃電事故的幾率更大。
綜合上述因素,在低壓場合使用快速切換裝置更有必要,前景非常可觀。
二.晃電對連續生產型企業的危害
如前所述,晃電的時間一般為100ms左右,這個時間間隔對于一般負載而言,不會造成過大危害,而對連續生產型的企業而言,這個時間卻是無法容忍的。這類企業一般為石化、化工、冶金、鑄造、紡織纖維、半導體加工、制藥等企業,以及熱電廠、核電廠等發電廠的廠用電部分。這些企業的供電電網一旦發生電壓跌落,如果不能在一個最短的時間內及時投入備用電源,企業生產必然中斷,給企業造成重大損失。而常規的備自投設備速度不夠快,其總體切換時間不會小于100ms,無力挽救企業的損失。
首先以石化型企業為例,這類企業按照電能穩定性的要求屬于一類用戶,是需要重點保護的對象,一般都配備有多路外網電源。由于石化企業使用大量的電機來作為動力驅動泵、壓縮機、風機等設備,控制電機一般又用繼電器,一旦晃電發生,繼電器欠壓釋放,電機失電停機。而流體失去動力會使生產的的工藝參數偏離控制指標,或發生全面停機,或損壞設備,并可能導致惡性爆炸事故。一次晃電引起的事故會給石化企業帶來重大的經濟損失,以石化企業的核心設備裂解裝置為例說明,每一次裂解氣壓縮機因晃電停機時,為了保護裂解爐的爐管,會有大量的已經裂解的烴類放入火爐燒掉,為保證裂解爐管上本身的結焦不脫落,此時不能很快停止進料。一個中型以上的石化企業,從正常生產到事故停工,每小時要白白燒掉60噸以上的原料,而重新恢復生產至少需要4個小時,僅僅此4個小時的時間導致的損失就上百萬。
其次以煤化工企業為例,煤氣化技術的核心是氣化爐,其安全連續穩定運行極為重要。高壓液氧泵將液氧連續均勻的送入氣化爐內確保氧煤比穩定,是氣化爐運行穩定的關鍵。在化工生產工藝調節過程中,一般高壓液氧泵是通過變頻器拖動電動機來實現的。因此高壓液氧泵對電機拖動系統要求極其嚴格:要求連續穩定運行,一旦停止運行,氣化爐會因為氧煤比變化連鎖跳車,引起生產系統停車;要求電動機輸出力矩平均穩定,保證輸出的液氧流量恒定,晃電發生時,電動機輸出力矩正比于電壓的平方,會隨電壓跌落而出現更大波動,同樣會因為液氧流量、壓力的變化而停車。
最后再以半導體企業為例,該行業的設備遭遇晃電時,同樣可能會使設備停機,而備自投裝置切換時間過長,會導致冷卻裝置、直流電機驅動、PLC、可調速驅動裝置受電壓跌落影響過大而引起工藝流程的終止,產生大量的殘次品。
綜上,在連續型生產企業從根本上預防并治理晃電,已經成為迫不及待的技術要求。但目前業內已有的方案,都無法從根本上解決晃電問題(詳見第四部分)。所以在現階段對生產連續性要求很高的一些企業,不得不采用雙套設備互為備用的工程設計方案。這樣無疑增大了工程投資和設備運行的維護,關鍵是這樣仍然根本解決晃電造成的危害。
三.晃電對敏感負載影響的分析
連續生產型企業受晃電影響大,是因為企業的負載中包括對電壓敏感的部分,而且是核心器件。各種用電負載對晃電的反應差別很大,對它們可以根據晃電產生的后果進行分類;當晃電結束后,負載能夠繼續正常運行的,稱之為非敏感負載,比如照明、電爐等(當一個烘箱在運行中遇0.1秒的晃電,恢復后可以毫無問題地繼續運行,其溫度的變化是微不足道的)。在電壓發生凹陷過程中以及在電壓恢復的時刻,運行中斷的負載,或對電路產生大電流沖擊的負載,稱之為敏感負載,如開關電源,電動機,變頻調速電動機組,繼電器等。這類負載的特點是有機械運動以及有電或磁儲能元件的存在。各種敏感負載對晃電的反應機理分別在下面分析闡述。
3.1 開關電源

                   圖4 開關電源及模塊電源
 
圖4所示的是低壓負載控制中常用的開關電源及模塊電源,前者常配置于低壓機柜中,后者直接焊接于電路板上。與高壓負載的控制不同,低壓場合沒有直流屏提供DC220電源,而是直接從低壓電網引入相電壓或線電壓作為開關電源的輸入。

圖5 開關電源功能模塊圖
 
圖5所示的是開關電源的功能模塊圖,其中對電壓敏感的模塊是輸入過欠壓保護單元和PWM控制器。因為一旦電壓過高或過低,PWM控制器將無法正常工作,此時前端的輸入過欠壓保護單元會啟動保護,開關電源將停止輸出。其結果是導致低壓負載的控制系統,包括各種控制器、PLC掉電,看門狗動作,控制復位甚至崩潰。一般開關電源的輸入范圍為176V~264V,更高級的開關電源輸入范圍可達85V~264V,但由于短路引起的晃電現象中的電壓下降速度很快,一兩個周波之后即跌至40%以下,而開關電源的欠壓保護是微秒級的,因此低壓負載控制的開關電源必須加以措施,使其輸入交流電源不能長時間掉電。
3.2 繼電器
繼電器廣泛用于電力系統的控制,在高低壓的機柜中幾乎隨處可見,其中大多是電磁繼電器。其基本原理是利用線圈通過電流時產生的電磁力吸合觸點,電流消失時觸點反彈。當繼電器的控制電壓因晃電產生跌落時,繼電器由吸合狀態變為釋放,當電壓恢復時,該繼電器不一定自動合上,其結果仍是造成生產流程的中斷。低壓控制主回路中常用的交流接觸器的原理與繼電器大致相同,石化行業內常用的電磁閥也類似于繼電器的動作原理。
應該注意到,繼電器本身在控制回路中會造成時間延遲,其延遲時間為毫秒級,1~10ms不等。因此,對于快速切換裝置,繼電器的延遲造成的切換速度緩慢也是一個必須考慮的因素。
一般繼電器線圈電壓低于額定電壓的50%時間超過1個周波就會釋放,因此對于有晃電發生的場合,特別是控制敏感型負載的繼電器,必須考慮保證繼電器不能長久欠壓。為了避免此類事故的發生,業內有些方案把繼電器用永磁鐵維持,使得該繼電器不依賴外電壓繼續吸合。雖然一定程度上對電壓的短時間陡降起了防護作用,但此舉無疑更改了繼電器原設計的作用,留下了其他事故隱患。這一點在4.1節會詳細講述。
3.3 電動機
工業中所用的電動機大多是異步電動機。異步電機運行時必須輸入感性無功功率,也就是說其勵磁電流必須從系統供給,以維持旋轉磁場。當系統短路引起的晃電發生后,系統不再給異步電動機提供勵磁電流,此時異步電動機變成異步發電機,原有的磁場在旋轉中切割定子,產生的定子電壓對外部短路點提供短路電流。從定子側看,此時電機等效出一個短路時間常數,該常數對3MW以下的電機而言一般為30ms左右,則100ms左右原有系統提供的磁場能量即可消耗完畢。
晃電結束后,系統電壓恢復時加到電機定子上的電壓將重新建立異步機內部的旋轉磁場,此時電網對異步機產生的電流將是一個6~7倍于其額定電流的沖擊電流,即數字上等于其啟動電流,沖擊時間也約為100ms左右,即磁場建立和磁場衰減的時間。該沖擊電流可能會造成電機的微機保護動作,如果是大量電機一起啟動,過大的沖擊電流會造成線路主開關過流跳閘,嚴重情況下會因電機群瞬間吸收過多無功而使電網電壓長時間過低。
因此如果能在100ms之前,特別是盡量短的時間內恢復電機的定子電壓,例如如果能在15ms以內恢復電機的供電,則電機此時衰減剩余的電壓和磁場能量尚在70%以上,由于時間較短,此時產生的相角差不會超過3°,則此時電機的沖擊電流僅為模差所致,約為電機啟動電流的30%左右,也即為額定電流的1.5~2倍,對系統的沖擊不會造成保護動作。
3.4 變頻器
常用的變頻器大都采用交-直-交電壓型變頻方式,圖6是其原理圖。

6 變頻器整流原理圖
三相全波二極管整流電路將交流電壓變成脈動的直流電壓,跨接在直流母線上的電容可以減小電壓的脈動。在外電壓不能充電時,電容的電壓降落是典型的指數函數:
,其中的 , Pn是電機的輸出功率,C是電容值。如果直流母線的脈動電壓的波紋系數是5%(電壓從最大值 到最小值的降落不超過5%),則t= 42.5ms。
當電網出現電壓陡降時,直流母線電壓高于交流側電壓,此時二極管受到反向電壓而不導通,交流側不能向直流側提供能量。此時電容C上存儲的電場能量 維持著向電機的運行,能量的輸出導致電容上的電壓下降,且在42.5ms時電壓降到 的36%左右。在電壓凹陷結束的時刻,交流電壓突然恢復,通過整流線路重新在直流母線上產生陡升電壓,它的幅值基本上是 ,與電容上的當時殘存的電壓U之間會出現一個電壓差 。恢復的時刻越遲,DU就越大,電容和整流二極管上產生的電流沖擊就越大,嚴重時會損壞電容和整流二極管。
另外一個因素是,對于低壓變頻器而言其控制電源,包括開關電源和模塊電源,往往取自電容C,也有的直接取自前置輸入母線,當晃電發生時,同3.1中所述,會導致變頻器控制失電。
為了防止此類損害,變頻器中設計了保護功能,即當直流電壓 下降到U0的70%時,立即封鎖變頻器的觸發脈沖,使電容器不再繼續向電機提供能量,把殘存的電壓保持在0.7 倍的U0。如果從方程 解出時間t,我們得到:
也就是說,當電壓凹陷發生后15.16ms時,變頻器為保護自身不被損壞,將停止工作,電容不再向外輸出能量。
圖7和圖8是一次外網晃電短路時現場實錄的波形,圖7記錄了整流橋交流側電流波形,圖8 是直流側母線電壓的波形。電壓跌落后不再有電流進入變頻器,同時母線電壓迅速衰減,但跌落到70%左右時突然不再跌落,是由于變頻器的自我保護動作,封鎖了變頻器的觸發脈沖,使電容輸出停止,電容上的電壓得以維持。
7 變頻器交流側電流波形
 
8 變頻器直流側電壓波形
 
3.5 總結各種敏感負載的容忍時間
短路事故發生的時刻,就是電壓開始陡降的時刻。內網從這一刻開始,就能感受到電壓降低的異常。敏感負載能容忍的凹陷的時間是很短的。如果不能在一定的時間內恢復電源電壓,其后果或是敏感負載的運行將停止,或是敏感負載的繼續運行導致大電流的沖擊,繼而導致跳閘。通常在電壓跌落低于50%的情況下,
★ 開關電源可容忍的凹陷寬度不大于20ms。
★ 靈敏低壓繼電器可容忍的凹陷寬度不大于25ms。
★ 電動機群可容忍的凹陷寬度不大于30ms。
★ 變頻設備可容忍的凹陷寬度不大于20ms。
超過上述時間門檻值,即使電壓又恢復到了正常值,敏感負載也無法確保正常運行了。
四.目前業內晃電預防及治理的措施
晃電對連續生產型企業的危害已經引起了足夠的重視,業內已經提出了若干預防及治理晃電危害的方法及產品,下面逐一簡單介紹。
4.1 防晃電交流接觸器
 
防晃電交流接觸器是針對普通接觸器在電壓跌落時自動釋放的特點而改進的。簡單的如節能型交流接觸器,其邏輯是降低接觸器釋放電壓的門檻值,比如額定電壓的50%甚至20%線圈才釋放。由于對于繼電器線圈電壓而言,降低至80%與降低至50%,只是極短的時間差,分析可知這種方法效果甚微,調研結果也是如此。
將上述節能型交流接觸器鐵心改用半硬磁鋼,利用剩磁保持吸合,成為一種簡單的永磁型接觸器,在業內也有一定的應用。其原理與效果也與上述基本一致。
采用雙線圈結構、利用儲能機制的防晃電專用交流接觸器目前在市場上有一定的應用。這種接觸器在電壓正常時儲能,接觸器的啟動與停止與常規接觸器相同。當晃電發生、電壓跌至接觸器的維持電壓以下時,模塊以儲能釋放的方式保持接觸器繼續吸合,當電壓恢復后又繼續儲能。此類接觸器維持電壓可調,并可預設門限時間,不依賴輔助電源。這種接觸器應用來,對雷電、短時重合閘造成的瞬間晃電起了較好的作用,但是對永久性短路故障或者時間稍長的、其他原因造成的晃電顯然是無法發揮作用的,因為其本質不具備備用電源投入功能,當負荷電源必須切換時,任何以防瞬時抖動為目的的方法措施都是無能為力的。
4.2 延時模塊
     防晃電延時模塊與防晃電接觸器的邏輯基本一致,延時模塊控制交流接觸器,以通過躲過晃電時電壓跌落的方法達到防晃電的目的。同樣,這種做法對雷電、短時重合閘造成的瞬間晃電能起到一定的作用,但其本質不具備備用電源投入功能。
4.3 分批自啟動裝置
分批自啟動裝置也是業內應對晃電的措施之一,其方法是在晃電過后,為避免大量電機群同時啟動拖垮電網,采用分批延時的方法逐批啟動電機。顯然,這種方法是在晃電發生后電機群已經停機的情況下采取的補救措施,對于某些工藝而言,晃電已經造成危害,比如化纖流程,停機后管道凝固,需要清除管道后才能重新開工。
4.4 不間斷電源(UPS)
    目前業內采用UPS預防晃電的做法有2種:其一是簡單小功率的UPS只給接觸器的控制回路供電,這種方法與4.1、4.2中所述的方法本質是一樣的,功能結果也相同。其二是對主回路的設備,包括變頻器和電動機實現電網與UPS的不間斷切換,這種方法的成本代價極高,即使短時間的主回路供電,其成本也是不可想象的。而且這種方法短時之后,也必須依靠備自投的功能切換到電網備用電源。
4.5 業內宣稱已有的快速切換裝置
根據晃電的需求,以及上述多種措施的不足,已經有企業意識到了實現快速切換裝置的必要性,宣傳已經實現,并提出了快速切換、首次同相切換、剩余電壓切換、延時切換等多種方式。但是分析則可發現這些‘快速切換裝置’立足的基礎都是錯誤的。
●  這些快切裝置使用的是常規的斷路器,卻認為斷路器合閘的時間在數毫秒內完成,完全脫離了現實。
●  由于斷路器的固有時間和離散度,無法捕捉特定時刻進行分合閘的操作。
●  這些設備和其多種切換方式,混淆了短路和開路,認為短路狀態下十多個周波后仍然有較強的電壓。
如圖9所示,是某公司宣傳的快速切換裝置中的‘首次同相切換’和‘剩余電壓切換’方式的原理說明波形圖,該圖是典型的開路波形圖,圖中曲線①是母線電壓波形,③和④是線路電流,可見線路電流事故期間為0,外網開路,而且被開路的負載中含有大量的電機,所以電壓才會緩慢下降。

圖9 某公司的快切原理示意圖
 
有企業報告說,其安裝的切換裝置在空載時對變頻系統或電動機成功地進行了切換,一旦加上負載,切換卻不能成功。其原因正如前所述,電容的放電時間是輸出功率的函數。輸出功率越大,放電越快,反之放電越慢。空載時,輸出功率幾乎為零,電容上電壓不降,切換當然可以從容地進行。電動機若不帶負載,電壓凹陷期間相位電角度差比帶負載時小得多,易于切換,帶上負載,則輸出功率越大,越不容易切換。
五.快切裝置說明
5.1 快速開關是快速切換裝置的關鍵
當外網短路故障是晃電的主要原因時,要把內網切換到電壓正常的備用外網電源上,用普通開關切換是不可能成功的。因為晃電危害的根源是普通開關切除短路支路太慢,而切換必須先將負載從故障電網上切除,然后再把它投入到正常的備用電源上,切除加上投入,切換完成兩個動作比晃電切除一個動作時間必定要長,何況切投之間還要加上電流自然過零的時間。
市場上現有的中低壓大容量斷路器的合閘時間都大于30ms,加上控制器的采樣、計算到發出分合閘指令的時間10ms左右,超過了敏感負載可以容忍的晃電時間,在晃電情況下是不能保證敏感負載的正常運行的。只有將現有的切換裝置的切換時間(從事故發生到切換完成的時間)減少到敏感負載可容忍的凹陷寬度之內,晃電的危害問題才能得到解決。不提高斷路器的速度,控制器發出切換指令再快,也沒有意義,因為切換時間必然大于晃電時間,更大于敏感負載可容忍的時間。
對電動機而言,無論電機的機械時間常數多大,最理想的切換完成時間是在電壓陡降后的30ms之內,此時的電壓差不管電機的機械時間常數多大,總是低于0.5倍或更低的額定電壓。對變頻設備和繼電器而言,15ms內完成切換,能確保其繼續運行。
綜合前面所述,開關的分閘與合閘動作的快慢,是晃電現象的根本,也是解決晃電危害的根本。解決企業晃電的根本在于快速切換,真正的快速切換,必須具備不同常規斷路器的分合機構。同時因為執行機構的快速,電壓短時下降時的幅值、相位、頻率變化都不夠大,都可以不做考慮。
5.2 快速切換設計綱領
基于對晃電現象的分析、仿真,及對業內已有產品的借鑒、總結,研制成功切換時間小于12毫秒的快速切換開關,并研發了配套控制系統,在業內首次實現了總體切換時間小于15毫秒的快速切換裝置,完全滿足目前業內任何敏感型負載的快速響應要求。擁有全部的相關專利。
快速切換控制器從電壓陡降的時刻起在2ms內捕捉到電壓的變化,并據此判斷此次變化持續是否有可能造成敏感負載的停運或沖擊,如有必要就發出切換指令。高速斷路器在接到切換指令后10ms內就能完成分合閘的動作,把有敏感負載的支路切換到備用電源上繼續運行。
為了在分閘時提高斷路器的短路電流開斷容量,提高斷路器的使用壽命,切換控制器發出的是精確分相的控制指令,使得高速斷路器各相都是在電流過零前的零點幾毫秒時開斷,盡量減少斷路器觸頭電弧燃燒。該斷路器合閘時,可采用分相合閘控制技術,使合閘沖擊電流減至最小。另外快速切換控制器提供全面的常規保護。
以一套三菱110KW變頻器為例,根據說明書的規定,系統失電超過15ms,變頻器瞬時停電保護動作。圖10到15分別是電壓陡降后在10.8ms、16.1ms和18.4ms時刻,整套裝置完成切換動作的交流側電流和直流側母線電壓的現場實錄波形,它們分別測試了及時切換(<15ms),臨界切換(稍大于15ms)和無效切換(>>15ms)的切換效果。
對圖14切換時間18.4ms交流側電流波形-變頻器停電保護動作和圖15切換時間18.4ms直流側電壓波形,變頻器停電保護動作無效切換波形的解釋如下:變頻器發出閉鎖信號后,恢復的外網電源電壓還能短暫地向電容充電,直到電容電壓與外電壓平衡后,由于變頻器的正常工作脈沖已經被封鎖,電機不再從變頻器獲得能量,電容電壓保持不變,外界不輸入電流到變頻器。

 
10 切換時間10.8ms的交流側電流波形
11 切換時間10.8ms的直流側電壓波形
12 切換時間16.1ms的交流側電流波形
13 切換時間為16.1ms的直流側電壓波形
14 切換時間18.4ms交流側電流波形-變頻器停電保護動作
 
15 切換時間18.4ms直流側電壓波形,變頻器停電保護動作
 
5.3 快速切換工程設計方案
針對連續型生產的企業中的敏感負載,設計了多種工程實現的方案,主要有全部負載切換方案和敏感負載切換方案。圖16、圖17是全部負載切換方案的2種情況,圖18是敏感負載切換方案的示意圖。
圖16全部負載切換的方案中,敏感負載與其他低壓負載同作為負載內網,K1、K2為一對切換組合。當外網電源1發生晃電,內網電壓降低,流過K1的電流大于額定值且小于變壓器T1提供的短路電流值時,控制器1通過采集PT和CT的信號進行計算判斷,發出切換命令:K1分閘,K2合閘。以此完成切換。同理當外網電源2出現晃電時,K2分閘,K1合閘。當內網短路時變壓器T1提供了很大的短路電流,控制器不發切換命令,但可以提供最快速的過流保護。
圖17全部負載切換的方案中,同樣敏感負載與其他低壓負載同作為負載內網,K1、K3形成一對切換組合,K2、K3形成一對切換組合。當外網電源1發生晃電,內網電壓降低,流過K1的電流大于額定值且小于變壓器T1提供的短路電流值時,控制器1通過采集PT和CT的信號進行計算判斷發切換命令:K1分閘,K3合閘。以此完成切換。同理當外網電源2出現晃電時,K2分閘,K3合閘。當內網短路時變壓器T1提供了很大的短路電流,控制器不發切換命令。
此方案無需過多的工程改造,但其缺點是,外網備用電源要有很大的裕度容量來保障切換后的運行。事實上,非敏感的負載在晃電結束后可以正常運行,不必將其一起切換,此舉增大了備用電源的負擔,也大大增大了開關的容量。更大的缺點是,此方案在內網中非敏感負載引起的晃電時不能運用。

圖16 全負載切換方案1

 圖17 全負載切換方案2
 
對全負載切換方案略加改造,在外網晃電時只對敏感負載進行切換,即為敏感負載切換方案。這種保證了敏感負載的運行不被中斷,而非敏感負載不進行切換,備用電源容量和開關容量可以相應減少。變頻器或電動機可以多臺合并成一組切換,重要的敏感負載也可以考慮用單個切換。這種方式的顯著優點是,在發生外網晃電或內網中非敏感負載短路造成晃電時,都能進行切換。
如圖18中,4部分敏感負載各自形成一個內網,則虛線外的部分對這4部分敏感負載而言都成為外網。K1、K3和K2、K3各形成一對變頻器負載切換組合,K4、K6和K5、K6各形成一對電動機負載切換組合。當內網電壓降低,流過K1電流為零,流過K4的電流增大,控制器1和4判斷為外網電源1晃電故障或低壓電網中的非敏感負載短路(如圖a點),發切換命令:K1、K4分閘,K3、K6合閘。以此完成變頻器負載和電機負載的切換。
變頻器負載切換組合切換時間小于15ms,電動機負載切換組合切換時間小于30ms。之所以把變頻器和電動機區別對待,是因為變頻器所在的支路以外發生短路時,變頻器交流側電流為零,切換裝置可以在15ms內完成切換。但電動機所在的支路以外發生短路時,需要等該支路輸出的短路電流過零才能開斷。所以電動機的切換時間相對于變頻器要多增加電流過零時間15ms,切換裝置應該在30ms內完成切換。

5.4 控制器原理
控制器可在工作電源系統發生短路故障或失電的2ms之內發出動作信號,實現兩路電源的自動切換。
當本支路以外支路或外網發生短路故障時,對電動機來說,本支路的電動機向短路點反饋電流較小,電壓大幅下降,以此來判定為外網短路,可以進行切換。對變頻器的支路來說,電壓大幅下降,變頻器交流側電壓低于直流側母線電壓,該支路輸入電流為零,立即進行切換。
當本支路內部發生內網短路時,短路電流較大,電壓大幅下降,為內網短路。此時只能切斷支路,不能把發生短路的支路切換到備用電源上去。用戶可以選擇是否允許快速開關啟動過流保護。
當工作電源發生上級開關偷跳等停電故障時,電流為零,電壓持續下降,應立即進行切換。
通過對系統電流、電壓變化特征的分析,可以判斷系統故障類型,從而采取相應的投切策略。本公司研發的快速算法,能在短路電流上升2mS內完成對短路電流、母線電壓的計算,判斷內外網短路及電壓凹陷,并發出動作信號。對于有電動機的支路,控制器立即發出分閘信號和切換信號,在第一個周波的過零點切斷短路電流,在30mS內完成將敏感負載從短路系統中切開、并換切到備用電源的操作。對于有變頻器的支路,由于系統電壓下降到低于變頻器電容電壓,輸入電流為零,開關可在15ms內完成將變頻器從短路系統中切開、并切換到備用電源上的操作。
正常運行時控制器檢測工作電源各相電壓,面板上顯示工作電源母線各相電壓和所控支路的負荷電流。若發現備用電源異常則閉鎖備用電源切換回路并報警,面板顯示故障狀態,輸出無源開關量接點信號,并通過微機通訊系統向控制中心報告故障信息。
對于雷電、重合閘造成的瞬間晃電,用戶可以選擇是否在原用電源恢復之后切換到原電源。
5.5 快切控制器特點
為快速切換裝置研發的配套控制器,是集DSP技術與電力電子控制技術于一體的5U標準機箱,有如下特點:
A采用Rogowski 線圈測量系統電流,具有動態范圍大,測量精度高的優點,且沒有電磁感應式電流互感器因存在的磁飽和問題。采用霍爾傳感器測量電壓。
B采用16位高速、高精度AD轉換器,實現高分辨數據采集。大容量CPLD和32位高速浮點DSP構成強大的運算能力,確保2ms內完成短路電流計算、電流過零電預測、電壓凹陷計算。
C使用大功率電子開關直接驅動真空斷路器,信號延時不大于20mS,遠小于普通繼電器的5~15ms的動作時間。
D 電源采用專門電磁兼容性設計,本身抗干擾性強,特別是抗晃電能力,能持續1秒續航供電。
E 除了功率電力電子器件的輸出,還提供8路數字輸出,可供機柜使用。
F 提供16路數字輸入。
G 大彩屏人性化界面,多種功能可選。
H 提供常規的電能質量分析,有功功率、無功功率、諧波等多項指標,諧波可分析至25次。
I  提供MODBUS與其他設備進行通信。
          圖19 快切控制器
 
 
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