基于电源快速切换的工业企业低压母线连续供电研究

孙希玉

（本钢设计研究院有限责任公司，辽宁 本溪 117000）

电源快速切换装置在发电厂厂用电系统的应用已有多年，早已得到行业认可，在确保发电厂厂用电负荷的连续及安全运行上发挥了巨大的作用。一方面大量参与连续化生产的电动机存在使其对系统的供电可靠性要求很高，工业企业中低压母线供电的原则:既要保证连续供电，又要保证设备安全。低压母线一般采用单母分段方式，另一方面这些电动机的故障或不良起动增加了内部故障的概率，所以解决此问题的一个重要方面就是如何使电源不中断。工业企业供配电系统是为其生产服务的专用供配电系统，既是变电枢纽。低压电机的非计划停机除了因自身故障以外，正常运行时两台变压器各带一段母线，由另一台变压器带所有负荷继续运行。

1 电源快速切换基本原理

由于各电动机的容量、参数不一致，电动机之间将有电磁能与动能的交换，此时部分异步电动机实际上已转入异步发电机运行工况，因此工作母线的电压即是多台异步发电机发出的反馈电压的合成，称为母线残压。切换逻辑是指跳开工作开关和合上备用开关的顺序，主要有串联切换、同时切换和并联切换。所谓起动逻辑，就是装置起动电源切换的条件判据，电动机在短时间内将继续旋转，并将磁场能转变为电能。电源快速切换主要由起动逻辑、切换逻辑和实现逻辑等三部分组成。实现逻辑就是什么条件下发合备用开关命令的判据，由于大量旋转负荷的存在，造成不必要的重起动，主要有保护起动、无流起动、变位起动及失压起动等。而快切可以化弊为利，利用残压缓慢变化的特性，实现快速切换或同期捕捉切换，配合一定的外部电路，残压的幅值和频率将随时间逐渐衰减，残压与备用电源电压间的相位将逐渐增大。为保证切换安全，一般应使合闸时电动机承受的电压，通过负荷预测，将大大减少电动机重起动次数。工作电源故障时装置的根本目标是既要在工作母线电压幅值较高的时候将备用电源投入，适时将备用电源投入，达到工作母线电压降幅最小、对负荷冲击尽可能小的效果。更要确保投入时对负荷设备的冲击在允许范围之内。快切装置应用于400V电源切换，毫无疑问是一个更好的解决方案。

2 低压母线连续供电方案

2.1 电动机的重起动

电动机重起动作为电动机保护控制器的一项重要功能，不仅与电源有关，而且与生产工艺有关。连续运行的电动机在系统短暂失电时，为了尽快恢复工艺流程，电源恢复时可以自动重新起动。电动机重起动需要很大的容量，决定再起动的是系统容量和电动机母线允许的压降，电动机的分批起动也是由这些因素决定的。在失压重起过程中，电动机是从失速到增速的过程。要避免这种冲击，若在短时间内无法切换至备用电源，在两侧进线都失电的情况下，这些都会造成系统的短时失电。短时失电可能是本级电源切换引起的，在电源恢复后重新起动。也可能是上级电源故障引起的电源恢复后，需要电动机的再起动来实现设备的连续化生产。电源若超过了一定时间不曾恢复，当电源恢复时，由于电动机的转速无法突变，造成电磁功率和机械功率的不平衡，以免发生人员伤亡和设备损坏。这将会造成很大的力矩冲击，有些负荷因工艺要求不能承受这样的冲击。快切取代备自投后，快切可能在个别情况下快速切换不成功。

2.2 低压母线应用遇到的问题

鉴于电源快速切换在工企中高压电压等级得到了很好的应用，由于母线电压故障相电压接近于0，考虑能否同样可以用在低压来解决因故障导致的停机问题。通过在两个钢铁厂低压母线进行的试用研究，发现单独应用电源快速切换存在很大的问题，很难在电源故障情况下实现不停机的电源切换。经过分析发现，接触器线圈电压通常额定220V，目前约定俗成的做法都是直接由低压母线经隔离变得到。由于释放延时太短，相关接触器主触头可能在变压器主保护动作前就跳开。相对于低压电机，这样的时间足够将失电负荷转移到备用电源。而面对几乎没有延时的接触器，可能在电源快速切换起动之前接触器主触头就已跳开，如果发生金属性接地或两相短路等严重故障时，单凭电源快速切换根本无法实现在故障情况下的低压电机不停机切换。

3 解决方案

3.1 采用UPS电源交流接触器

基于UPS电源的交流接触器抗晃电技术是应用成熟的UPS技术，为低压配电柜的二次控制部分提供可靠的电源。另外，当配电柜的主母线失电超过一定的时间后，提供的可靠电源正常工作，结构简单，在低压配电柜里构建独立的供电系统，则根据该系统二次控制部分设定断开输出，避免事故的发生。根据系统特点和设定保持主触头的吸合，避免了由于晃电的发生引起的电机停机甩负荷事故。该系统可以可靠地防止由于晃电带来的不必要的停机甩负荷事故的发生，在系统发生短时的晃电时，接触器的线圈能够依靠UPS，二次控制回路不增加接线难度、适合配备于多数量回路有抗晃电要求的配电柜中。

3.2 采用抗晃电交流接触器

抗晃电交流接触器是一个双线圈的交流接触器，在晃电情况下，交流接触器的启停和常规交流接触器没有任何区别，若工作电压降低到接触器的保持电压以下时，控制模块开始工作，以储能释放的形式保持接触器继续吸合，电源正常情况下，控制模块处于储能状态，当电源电压恢复后，控制模块又转入储能状态。

结论

在大量旋转负荷的母线上，备自投显然不适合进行电源切换。对外部电路做些调整，提出一个完整的解决方案，使低压电机在面对电源故障情况下也可实现不停机的电源切换，将电源快速切换装置与经过防晃电设计的交流接触器配合。快切的参与可以做到母线瞬时断电而电动机不掉电。电动机保护控制器中的失压重起功能，快切可以更好地胜任。针对在该电压等级应用遇到的问题，可以使电动机在短时断电实现分批起动，为企业的连续生产及安全运行提供了一套行之有效的方案。

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