高速STS静态开关在垃圾焚烧电厂的应用

张文杰

（佛山市南海绿电再生能源有限公司，广东 佛山 528222）

垃圾焚烧发电厂和一般火力发电厂的低压厂用电400V系统母线的备用电源，都是采用先断开工作电源开关后合上备用电源开关的方式实现备用电源自投，其切换时间超过500ms，由于切换时间过长大部分交流控制的接触器、继电器会失电返回，计算机系统也无法幸免。热控计算机控制系统、PLC控制系统为了避免这种情况，一般会采用设备和电源冗余设计的方式，即主机利用UPS供电的方式，备机利用普通厂用电源或保安电源的供电方式。但当UPS故障或主机系统出现问题自动切换至备机运行时，备机供电可靠性就变得非常重要，一旦失电就会造成机组失去监视和控制，导致停机停炉，很容易酿成主设备损坏的重大事故，所有有必要进一步提高重要设备的供电可靠性。利用STS（Static Transfer Switch）静态开关快速切换的特性，在已有的措施上增加使用双电源STS静态转换开关，与UPS配合实现了电源的冗余，实现重要设备和系统的不间断供电。

1 STS静态转换开关（static transfer switch）原理

如图1所示，双电源自动STS静态转换开关装置由智能控制板、高速可控硅构成，STS的两路静态开关是严格互锁，转换瞬间源与源之间没有环流，其标准切换时间为≤8ms，一般在5ms内完成切换，即可恢复对负载可靠供电，在切换过程中不影响计算机系统的影响，这是普通断路器或接触器切换方式无法比拟的（其切换时间一般大于100ms）。STS单相输出最大容量可达100A以上（22kVA）。

STS静态转换开关采用先断后通的切换方式，可以实现不同输入电源之间的不间断切换，为单电源负载提供双母线供电，如：非关联UPS系统的n+1冗余、不同容量 UPS系统的 n+1冗余、不同型号UPS系统的n+1冗余、不同市电的冗余、市电与发电机的冗余。

图1 单相双电源STS静态开关切换原理图

正常工作状态下，在主电源处于正常的电压范围内，负载一直连接于主电源。在主电源发生故障时，负载自动切换到备用电源，主电源恢复正常后，负载又自动切换到主电源。

STS切换装置具有完善的保护和切换功能：

1）高低压保护功能。当输入交流电源低压、高压时，设备会自动转向另一路电源。

2）过流保护功能。当STS感应的负载电流超过预先设定的过流值时，表示有冲击电流或者过载，这时即使主电源电压超出正常的电压范围，STS也不发生转换。在负载电流恢复到正常值时，过流抑制模式自动复位，STS恢复到正常的工作模式。

3）在线检测。当任一时刻，某一路电源断电（含人工切换），设备会自动切换到另一路，免除人工切换或断电的危险，紧急转换优先任何转换或者抑制。

4）智能报警功能。当电源断电、电压超限时，设备会自动报警。

5）手动切换功能。两路电源正常时，可随意将负载转向另一路电源供电。

6）闭锁功能。当某路电源断电或超限时，设备会自动闭锁手动、自动切换，防止误切换。

7）在线监视功能。为了确保正确运行，STS不停地监视SCR的状态。在供给负载电源的SCR发生短路时，STS将自动告警提示，并迅速打开另一路电源的隔离开关。在另一路SCR发生短路时，STS自动告警提示，并迅速找开这一路电源的隔离开关。在SCR开路时，STS将自动告警，切换打开先前的隔离开关。所有的开路和短路告警都将被锁定，要求系统进行维修并复位到原先的正常工作状态。

2 实际应用

2.1 DCS系统电源改造

佛山市南海绿电再生能源有限公司（垃圾焚烧发电厂）#4机组故障，使10kV6M母线失电，母线上的所有设备包括#7、8低厂变、#0备用变失电，相应的400V7M、8M、备用段母线失电，使接在上面的DCS系统的PLC备机失去工作电源，所幸PLC主机由UPS供电全部机组的监视和操作一切正常，待故障处理完恢复了所有系统的运行。但过了五天，#6焚烧炉监盘电脑上的所有参数突然变成灰色数值不变，由于失去监视和软操，#6焚烧炉被迫紧急压火解列。检查发现#6炉DCS系统的PLC主机通讯出现问题、备机没有运行，进一步检查发现#4机、#5炉、公用系统的备用CPU也出现同样的问题。

分析PLC供电方式，造成这一结果是五天前的400V8M 失电后PLC备机失电，在电源恢复正常后PLC备机无法自动恢复正常运行，而运行人员没能及时发现设备的报警信号。DCS电源系统图如图2所示。

DCS的PLC备机只有来自400V8M母线的一路电源供电，可靠性相当薄弱，为改变这一状况，对PLC备机采用双电源STS静态切换装置（容量80A）供电，工作电源取自原8M母线，备用电源取自UPS逆变输出，经改造（见图3）后进行多次切换试验，PLC备机仍能正常工作。而主机PLC仍采用原来的UPS供电方式，因为UPS在逆变故障时能自动切换至旁路电源，满足实际的要求。

图2 DCS电源系统原图

图3 DCS电源系统改造图

2.2 烟气处理PLC控制系统电源改造

垃圾焚烧的烟气处理PLC系统为单机型式，负责#4、5、6炉烟气处理设备（脱硫塔、布袋除尘等）的全部控制处理过程，保证烟气排放中的各种指标（CO、CO2、HCI、SO2、H20、O2、NOX、HF和烟气含量）合格。PLC的供电取自于400V5M母线，在#4炉的一次小修中由于运行人员误停电，导致PLC失电，其余#5、6炉的脱硫塔、布袋除尘器停运，烟气排放超标。后增加了双电源STS静态开关切换装置，从UPS引入一路电源作为工作电源，原电源作为备用电源，经改造后未出现过问题，如图4、图5所示。

图4 改造前

图5 改造后

3 结论

在交流控制电源的不间断供电方式中，使用UPS装置是目前主要的手段，但当UPS出现故障时会变得非常被动，利用STS静态开关快速切换的特性与UPS进行互补，可以进一步提高供电可靠性，减少控制电源因素引起的停机停炉事故的发生。