工厂供配电系统中固体静态切换开关应用

沈 康

（上海中航光电子有限公司，上海 201108）

工厂供配电系统中固体静态切换开关应用

沈 康

（上海中航光电子有限公司，上海 201108）

介绍了固体静态切换开关（SSTS）的工作原理和控制策略。SSTS具有提升切换速度、延长开关使用寿命等特性，通过在工厂供配电系统中的分析表明，对于电压瞬降问题，SSTS能够通过快速切换对敏感设备起到保护作用。

供配电系统；电能质量；电压暂降；固体静态切换开关；晶闸管

随着电力电子技术的应用和发展，工厂供配电系统在运营过程中经常面临这样的情况：一方面影响电能质量的因素在不断增多，另一方面对电能质量敏感的用电设备也在不断增加［1-2］。为此，如何设计一套具备快速切换功能的供配电系统以保证持续、可靠供电已成为业内人士考虑的重点。目前，供配电系统中普遍采用的切换开关切换周期大多在数秒或数十秒之间，即使采用真空开关或油开关切换，最快也需要0.1～0.2s［3］，此间的电压骤降必会引起敏感设备不必要的停机，并造成严重的后果［4］。因此，各类能够提高供电连续性和可靠性的快速切换装置应运而生，固体静态切换开关（Solid Static Transfer Switch，SSTS）由于具有高速切换、结构紧凑等特点，更是得到广泛的应用［5］。本文阐述了SSTS的工作原理和控制策略，以液晶面板厂供配电系统为例分析了SSTS的应用。SSTS能快速提升切换速度，对敏感设备起到保护作用。

1 SSTS装置工作原理

SSTS是混合的开关装置，由3组双向晶闸管（SU1，SU2，SU3）和高速机械开关（PS1，PS2，PS3）组成，其中每组双向晶闸管与机械开关并联接入所属系统。SSTS系统在不同电源系统切换时，可以通过两者之间动作的时序控制实现系统切换的无缝衔接，满足负载持续供电的要求。从结构上看，一套SSTS系统主要有5面机柜组合构成，为了便于进出线走向及系统联络连接，由左至右依次排列为Source－1进线柜、Load－1出线柜、联络柜、Load－2出线柜、Source－2进线柜；在每面柜体上可通过触摸屏和指示灯实时显示线路运行状态，便于运行监控。当两路电源供电正常时，各自通过机械开关PS1和PS2分别向Load－1和Load－2供电，如图1所示。

图1 正常时SSTS供电方式Fig.1 Powder supply mode of SSTS under normal conditions

当Source－1出现故障时，PS1断开而TS1同步闭合。此时，作为中间装置的TS3闭合，TS1再断开，导致Load－1负荷通过Source－2供电，随后机械开关PS3闭合，TS3断开，旁路PS3持续为Load－1供电，如图2所示。

由于SSTS运用并联高速机械开关和晶闸管固态电源切换开关的设计方案，正常情况下线路电流仅经过机械开关，只有在切换期间晶闸管才投入运行，这样可以减少晶闸管的工作时间，解决了常规固态开关运行时的损耗问题，从而有效克服了其他切换开关存在的使用寿命短、故障率高等技术软肋。

图2 Source－1异常时SSTS供电方式Fig.2 Source－1SSTS power supply mode under abnormal conditions

2 SSTS装置控制策略

根据运营经验，敏感设备受电压暂降的影响取决于供电系统电压暂降特性和设备电压耐受能力，因此，即使配置有电源切换装置，若供电线路切换电源的方式不当，同样会引起供电故障和电力运行事故［6－7］。

2.1 SSTS的切换条件

由SSTS的电压测知单元VS1和VS2不断检测Source－1、Source－2的电压U1和 U2，电压相位角检测单元（Voltage Phase－Angle Detect，VPD）检测2个电源之间的相位角，随时将数据传送至SSTS的管理控制线路（Supervisory Control Circuit，SCC）。当U1超出设定的上限UH或下限UL，而U2在设定的有效区间内时，SCC将指令信号送到SU1，SU2和SU3，执行从Source－1到Source－2的切换动作。

当出现以下情况时，系统将禁止切换动作操作：①负荷侧发生短路或者超载；②VPD检测到Source－1和Source－2相位角差值大于30°；③V2超过上限或低于下限。

2.2 SSTS切换时序

当Source－1被检测出电压异常后，Load－1由Source－2供电的切换时序过程如图3所示。当检测到Source－1的电压瞬降，控制器SCC对开关PS1发出第一次的指令，同时对晶闸管TS1发出一个门信号。TS1导通，电流经PS1流至TS1。在TS1的门信号被断开前，TS3反向晶闸管产生门信号；TS3导通后，Source－2通过TS3开始对负荷Load－1供电，此时Source－2已同时为Load－1和Load－2供电。随后开关PS3闭合接替TS3，TS3断开，切换工作完成。整个切换工作的周期为T1＋T2＋T3，其中，T1为探测周期，T2为切换周期，T3为动作周期。T1和T2最为薄弱，期间大幅值的电压瞬降难以保护敏感设备不受影响。但是，总体而言，有效的SSTS切换控制策略的确克服了传统控制策略的弊端，大大缩短了切换装置的切换时间［8］，保障了敏感、关键设备的持续用电。感性负荷所属变压器归类为快速切换组。

图3 SSTS切换时序图Fig.3 SSTS switch waveform diagram

工厂供配电系统设计构架如下：4路35kV供电线路，每路35／6kV分别供2段母线，在6kV的8段母线之间安装了4套SSTS（见图4）。每套装置分别由2段母线电源引入，敏感性负荷（允许电压跌幅＜10%UN，，持续时间＜100ms，其中UN为额定值）所属变压器（变压比6kV／200V，容量1 600kVA，组别Y／△－11等相同）分别接入SSTS系统，由此做到期间小于20ms的快速切换，提高了系统供电的稳定性。同时，对于允许出现短暂电压波动的应急电源系统选用双电源自动转换开关，实现主电源与柴油发电机组供电线路小于500ms的快速切换，以保证应急电源供电。其余一般性负荷所属变压器及高压设备接入各母线供电，利用邻近母线备自投装置实现小于1s的快速切换保护，从而构成了具备3个层次的快速切换模式供配电系统。实践证明，该供配电系统投入运营后，虽然受内外界因素影响出现了多次电压瞬降现象，但是依靠供配电系统完善的快速切换装置构架，94%的电压瞬降得以平稳渡过。

3 SSTS在工厂供配电系统中的应用

图4 供配电系统构架图Fig.4 Diagram of power supply and distribution system

3.1 供配系统架构

对于供配电系统的可靠性和连续性，对于不同的用电负荷，其要求是不同的［9］。以液晶面板厂为例，为了能够设计出切实有效的供配电系统构架，减少电压瞬降对于工厂用电负荷的影响，缩小事故范围［10］，在供配电系统前期设计阶段作了大量工作：① 明确工厂设备用电要求（如电压、频率、功率等参数）；② 根据设备用电需求，选择各变压器型号，尤其是变压器电压比不可超过5%、连接组别必须相同、容量比不可超过3∶1［11］；③ 针对不同类型负荷进行分类分组，尤其是将敏

3.2 SSTS应用分析

国际电气与电子工程师协会将电压瞬降定义为供电电压有效值快速下降到额定值（UN）的90%～10% ，然后回升至正常值附近的过程；而国际电工委员会则将其定义为下降到额定值的90%～1%，持续时间为10ms～1min的周期［12］。与长时间供电中断事故相比，电压瞬降有发生频率高、事故原因不易察觉、处理起来比较困难的特点，因此在供电部门运营过程中关于电能质量问题的投诉中，90%以上是由电压瞬降引起的［13-14］。以液晶面板厂近期一起电压瞬降事故为例，Source－1发生了电压瞬降，电压跌幅达80%，持续时间200ms以上。如此大幅度、长时间的电压瞬降必会导致敏感设备停机，然而由于SSTS系统在1／4周期内完成了切换动作，对敏感设备起到了有效的保护作用。

为了进一步说明SSTS的运营价值，现以SEMI F47生产设备电压暂降免疫标准作为基准，对液晶面板厂2010年电压瞬降次数数据进行了测算评估。该厂2010年1～12月间共发生了54次，其中电压跌幅大于40%、持续时间大于50ms的共28次。以图6中标识点A为例，当时外线电网电压瞬降达额定值的50%，持续400ms以上，SSTS在50ms内完成了切换动作，电压跌幅控制在60%，避免了一次严重的电压瞬降事故。从图6可以看出，SSTS的快速切换致使94%的电压瞬降都得到了治理，使之控制在基准线以上符合半导体设备可耐受的水平之上，而基准线以下的3次是由于出现2路同时供电异常，SSTS系统闭锁导致切换失效引起。

图6 SSTS电压瞬降治理成果图Fig.6 Results achieved with the implementation of SSTS voltage sag mitigation techniques

4 结 语

随着各种敏感电力电子设备在工业中的广泛应用，用户对供配电系统的电能质量提出了越来越高的要求。SSTS快速切换装置可以为敏感，关键的设备提供有效的供电保障，对于提高工厂供配电系统供电的连续性和可靠性是较为理想方式之一，因此，其在供配电系统中的应用有重要的意义。

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Application of Solid Static Transfer Switch in Power Supply and Distribution System

SHEN Kang
（Shanghai Avic Optoelectronics Co.，Ltd.，Shanghai 201108，China）

The principle and control strategy of solid static transfer switch（SSTS）are introduced in this paper.SSTS can increase switching speed and prolong service life of switches.In applications of factory power supply and distribution，SSTS can protect sensitive equipments in voltage sags by fast switching.

power supply and distribution system；power quality；voltage sag；solid static transfer switch；thyristor

TM 564.3

A

2095－0020（2011）03－0207－04

2011－10－22

沈 康（1975－），男，硕士生，工程师，技师，专业方向为电气控制，E－mail：lkangfu＠yahoo.com.cn