备用电源自投方案分析比较

新疆额河建管局 李朝晖

一、引言

电力系统备用电源自动投切装置是为提高电网的安全、可靠运行所采取的一种重要措施。压变可提供控制、保护、测量、信号等回路的电源；站用电可提供控制、测量、变电站站内照明、检修、动力，以及通过整流装置，提供直流系统电源和蓄电池充电电源等。由此可见，保持压变及站用电电源的不间断显得尤为重要。现将几种压变电源、站用电源的自动投切方案，从运行角度对其原理进行分析比较。

二、备用电源自投的一次接线方案

备用电源自投装置主要用于110kV以下的中低压配电系统中，因此其主接线方案是根据我国电站、厂用电及中低压变电所主要一次接线方案设计的，其一次接线方案主要有如下三种，每种接线方案中又有几种运行方式。

1.BZT正确工作的基本要求

(1)备用电源不论何种原因因工作电压消失时，自动投入装置均应启动，但应防止电压互感器熔丝熔断时误动；

(2)备用电源应在工作电源确实断开后才能投入，工作电源如为变压器，则其高、低压侧断路器均应断开；

(3)备用电源断路器的合闸脉冲应是短脉冲，只允许自动投入装置动作一次；

(4)当备用电源自投于故障母线时，应使其保护装置加速动作，以免事故扩大；

(5)备用电源确有电压时才能投入；

(6)备用电源自投装置自投时限应尽可能短，以保证负载中电动机自启动的时间要求。

2.BZT动作时间的整定方案

以图1所示的一次系统为例加以说明，其正常运行方式为两路电源进线，一路工作，另一路热备用，3QF处于合位，因此BZT采用进线互为备投方式，传统的BZT动作时间的整定方案为：tb＝td.ZD＋△t。

在发电厂厂用电和变电站中，当工作电源因为故障或不正常情况而被继电保护装置切除时，备用电源自动投入装置可以及时的将备用电源投入，从而保证了电源的可靠性。备自投装置可以有效地提高供电的可靠性，而且本身的实现原理简单，费用较低，所以在发电厂和变电站及配电网络中得到了广泛的应用。本文根据备用电源自动投入装置目前存在的问题及其发展趋势，对备用电源投入过程中的投切判据、备自投装置的适应性进行了研究，得到以下主要成果及结论：设计了基于DSP微机控制器的备用电源自动投入装置，该装置采用模块化设计。利用TMS320F2812DSP的强大的数据处理能力和高速的实时控制能力，在CCS编程环境下，采用C++编程语言实现多种备自投方式及各种保护功能的实现，包括过流保护功能、母充保护功能、过负荷联切，PT二次断线检测等功能，增强了备自投装置的适用范围及其灵活性。给出了备用电源投入时的三种切换判据，快速切换判据作为主判据，同期捕捉切换判据和低压切换判据分别作为后备及远后备判据，利用三种切换判据保证了备用电源投入的迅速性及可靠性。装置适用于厂用电及变电站等多种接线形式，具有多种备用电源投入时的动作方案，能满足不同用户的要求。同时在实验室对装置进行了实验，效果良好，能很好实现上述功能。

备用电源自动投入（以下简称备自投）装置在电网中的使用，是保证电网安全、稳定、可靠运行的有力技术手段。备自投装置的逻辑是否完善和接线是否正确，直接影响着备自投装置动作的可靠性。本文从备自投的基本原则展开来讨论备自投装置的一些注意事项，希望能对装置的设计和应用起到一定的指引作用。

3.基本备自投方式

1)变压器备自投；2)分段断路器备自投；3)桥断路器备自投；4)进线断路器备自投。对更复杂的备自投方式，都可以看成是上述典型方式的组合。

4.备自投的逻辑分析

备自投逻辑尽管很复杂，但仍有规律可循。一般说来，备自投的逻辑分为以下4个逻辑进程：

1)备自投充电。当工作电源运行在正常供电状态、备用电源工作在热备用状态(明备用)，或两者均在正常供电状态(暗备用)时，备自投装置根据所采集的电压、电流及开关位置信号来判断一次设备是否处于这一状态，经过10s～15s延时后，完成充电过程。

2)备自投放电。当备自投退出运行；工作断路器由人为操作跳开；备用断路器不在备用状态；断路器拒跳、拒合；备用对象故障等不允许备自投动作的情况下，将备自投放电，使其行为终止。

3)备自投充电后，满足其启动条件，经或不经延时执行其跳闸逻辑(可能断路器已跳开)，跳闸对象可能有多个。

4)备自投执行完跳闸逻辑后，满足其合闸条件，经或不经延时执行其合闸逻辑，合闸对象也可能有多个。

5.备自投的设计和应用的事项

1)母线有电压、无电压的判断。

母线有电压：指接入的三个相(线)电压至少有一个大于检有电压定值，三个有电压条件相或可以防止TV一相或两相断线时备自投误动。

母线无电压：指接入的三个相(线)电压均小于检无电压定值，即用逻辑与门来判断母线无电压，可以避免工作电源TV一相或两相断线时备自投的误动。

2)当工作母线上的电压低于检无电压定值，并且持续时间大于给定时间定值时，备自投装置方可起动。

备自投延时是为了躲母线电压短暂下降，故备自投延时应大于最长的外部故障切除时间。因母线的进线断路器跳开而引起的母线失压，且进线无重合闸功能时，可不经过延时直接跳开断路器，以加速合备用电源。如主变差动保护或本体保护动作全跳主变时，可加速低压侧分段备自投和变压器备自投动作。备自投的时间定值应与相关的保护及重合闸的时间定值相配合。

3)备用电源的电压应工作于正常范围，或备用设备应处于正常的准备状态，备自投装置方可动作，否则应予闭锁。

4)必须在断开工作电源的断路器之后，备自投装置方可动作。

工作电源消失后，不管其进线断路器是否已被断开，备自投装置在起动延时到了以后总是先跳该断路器，确认该断路器在跳位后，方能合备用电源的断路器。按照上述逻辑动作，可以避免工作电源在别处被断开，备自投动作后合于故障或备用电源倒送电的情况发生。但故障断路器不应由备自投装置切除，故备自投动作跳工作电源的时限应长于有关所有保护和重合闸的最长动作时间。

备用电源自投装置动作，先跳开运行断路器，再合上备用断路器，一般不会涉及到同期问题，但如果变电站存在其他电源或是小电源接入系统的接入点，则备用电源自投不仅要考虑先跳开运行断路器，而且要同时跳开其他电源的联络线，否则，在投入备用电源的同时，有可能出现非同期并列。在设计时，装置应考虑的联切功能，在跳开运行断路器的同时，发出联跳联络线的信号，使小电源与电网解列，虽然牺牲了小电源的供电可靠性，但避免了电力系统受到再一次的冲击，保证了系统在故障情况下能够及时恢复送电。

5)人工切除工作电源时，备自投装置不应动作。

备自投装置应引入断路器的合后接点，就地或远控跳断路器时，其合后接点断开，备自投退出。有的厂家在备自投起动条件中加入检进线断路器合闸位置。检查进线断路器的合闸位置实际上是引入的闭锁条件（进线断路器不在合闸位置则闭锁备自投）。如果母线或变压器发生故障，保护动作跳开进线断路器，进线断路器将处于跳闸位置，此时备自投被闭锁，手跳进线断路器情况类似。

6)避免备用电源合于永久性故障

在考虑运行方式和保护配置时，应避免备自投装置动作使备用电源合于永久性故障的情况发生，一般通过引入闭锁量或检断路器位置使备自投放电。以下通过两运行情况进行说明。

情况一：图1为内桥接线的主接线形式，一般有三种运行方式。

方式一：两回进线各带一台变压器运行，1QF、2QF合闸位置，3QF跳闸位置。

方式二：I回线主供，II回线备用，1QF、3QF合闸位置，2QF跳闸位置。

方式三：II回线主供，I回线备用，2QF、3QF合闸位置，1QF跳闸位置。

对于方式一，如果#1变压器差动保护动作，跳开1QF（3QF已处于分闸位置），I母失电，若无闭锁引入，系统满足桥断路器备自投充电和启动条件，合上3QF，则会将故障变压器重新投入系统，对电力系统进行又一次冲击。#2变压器保护动作情况与#1变类似。

对于方式二，如果#1变压器差动保护动作，跳开1QF、3QF，两条母线同时失电，备用电源自投装置应启动，合上2QF，继续用#2变压器供电。如果#2变压器差动保护动作，跳开3QF（2QF已处于分闸位置），如果此时I回线失压，备用电源自投动作，合上2QF，则会将2#故障变压器重新投入系统。方式三与方式三情况类似。

所以，主接线形式为桥接线的，且运行方式为一主一备的，主供电源所对应的主变压器的保护动作不应闭锁进线自投，备用电源所对应的主变压器的保护动作必须闭锁进线自投，以避免备自投投于故障变压器。如果备用自投方式为桥断路器备用自投，显而易见，为了避免将故障变压器再次投入系统，应将两台变压器的差动保护动作信号引入闭锁备用电源自投。

情况二：受运行方式的限制，两台变压器需要将低压侧分列运行，考虑到低压系统供电可靠性的要求，如果一台主变压器跳闸，需要将故障变压器，所带的负荷通过备用电源自投的正确动作，转移到另外一台变压器供电，见图2，如果#1变压器故障跳闸，低压1母线失压，低压2母线有电压，跳开1QF，合上3QF，继续对低压1母线供电。#2变压器故障的动作逻辑同理。

就主变低压侧分段断路器备自投而言，变压器差动保护动作跳主变各侧时，一般表明主变本体发生故障，此时无需闭锁主变低压侧分段开关备自投；而变压器后备保护动作时，可能是低压侧母线或其出线上发生了故障，此时一般应闭锁低压侧分段断路器备自投。另外，常规的备用电源自动投入装置对工作电源和备用电源有压或无压的判断取自PT，对一次设备的小型化和无油化不利。国内各厂家研制生产的备用电源自动投入装置均是如此。国外同类产品也多是仅能实现单一备用电源自动投入的功能。部分装置虽具有逆向使系统自动恢复的功能，但所见文献及实际装置仍都是以传统的电压判据为基础实现的，不仅工作电源（如工作母线）上需要PT柜，各进线或备用电源上也需要PT柜，即在进线断路器电源侧两端需各装设1个PT柜，并且仍由电磁元件实现，接线繁琐，体积庞大，实现困难，不能满足综合自动化及无人值班的要求，技术和经济上也不适宜于我国国情。

本方案除包括常规备用电源自动投入装置的全部功能外，还具有自动转入逆向运行使电力系统在条件满足时自动恢复到原有运行方式下运行的功能。装置投入运行后，能够自动识别和判断所处电力系统的运行方式，自适应地进行装置本身运行方式的自动转换：正向方式——以常规备用电源自动投入装置方式运行；逆向方式——以系统自动恢复装置方式运行；退出方式——系统既不满足装置正向运行条件也不满足装置逆向运行条件。

上述过程自动实现，无需人为干预。当备用电源自动投入装置动作后或电力系统的运行方式发生变化后满足装置的逆向运行条件时，则能自动识别其变化并自动进入逆向运行方式，以系统自动恢复装置出现，并在所处的电力系统符合条件时将电力系统自动恢复到原有运行方式（一般为原设计的运行方式）下运行。当装置所处的电力系统不具备2种正常工作条件时，装置将自动退出运行并发出相应信号。由于装置可自适应地进行本身运行方式的自动转换，并具有可互联成系统的通讯网络接口，可方便实现三遥，无需任何人为干预，因此满足变电站综合自动化的需要，也使无人值班真正具有了意义。

6.低压母线分段断路器自投方案

低压母线分段断路器自投方案的主接线如图3所示。

由图3中可以看出，当1#主变、2#主变同时运行，而3QF断开时，一次系统中1#和2#主变互为备用电源，此方案有两种运行方式。

自投方式1：当1#主变故障，保护跳开1QF，或者1#主变高压侧失压，均引起Ⅰ段母线失压，I1无电流，Ⅱ段母线有电压，即跳开1QF，合上3QF。自投条件是Ⅰ段母线失压、I1无电流、Ⅱ段母线有电压、1QF确实已跳开。检查I1无电流是为了防止Ⅰ段母线电压互感器二次电压三相断线引起的误投。

自投方式2：当发生与上述自投方式1相类似的原因，Ⅱ段母线失压、I2无电流并Ⅰ段母线有电压时，即跳开2QF，合上3QF。自投条件是Ⅱ段母线失压、I2无电流、Ⅰ段母线有电压、2QF确实已跳开。

7.内桥断路器的自投方案

内桥断路器的自投方案的主接线如图4所示。

由图4中可以看出，当XL1进线带Ⅰ、Ⅱ段运行，即1QF、3QF在合位，2QF在分位时，XL2是备用电源（方式1）或XL2进线带Ⅰ、Ⅱ段运行，即2QF、3QF在合位，1QF在分位时，XL1是备用电源（方式2）。显然这两种接线方案是热备用接线方案。热备用方案方式1（方式2）自投条件是：Ⅰ（Ⅱ）段母线失压、I1（I2）无电流、XL2（XL1）线路有电压、1QF（2QF）确实已跳开时合2QF（1QF）。

如果两段母线分列运行，即内桥断路器3QF在分位，而1QF、2QF在合位，称为方式3和方式4，这时XL1和XL2成为互为备用电源，此种备用方案与低压母线分段断路器自投方案及其运行方式（方式1和方式2）完全相同。

8.线路备用自投方案

线路备用自投方案接线如图5所示。

该接线为单母线分段，一般在农网配电系统、小型化变电所或在厂用电系统中使用，图5所示的备用自投方案接线是热备用接线。XL1和XL2中只有一个断路器在分位，另一个在合位，因此当母线失压，备用线路有压，并I1（I2）无电流时，即可跳开1QF（2QF），合上2QF（1QF）。该热备用方案的自投条件类似于内桥断路器的自投方案中热备用方式1和方式2的自投方式条件。即母线无电压，线路XL2有电压，I1无电流，1QF确实已跳开，合上2QF。或者母线无电压，I2无电流，线路XL1有电压，2QF确实已跳开，合上1QF。

三、压变电源自动投切

压变电源自动投切方案大致有以下几种。

1.电磁型自动投切装置

(1)有优先级别的两电源单向自动投切

如图6所示，1YH有电时，1ZJ线圈得电，101、103处两对1ZJ常开接点闭合，105、107处两对常闭接点打开，控制信号等电源由1YH提供。1YH失电时，1ZJ线圈失电，101、103处两对1ZJ常开接点打开，105、107处两对常闭接点闭合。2YH有电时，控制信号等电源由2YH提供。此时，若1YH恢复有电，1ZJ线圈得电，同上原理，控制信号等电源仍改由1YH提供。

图6方案的特点是两电源单向自动投切，有电源优先级别之分。

(2)无优先级别的两电源双向自动投切

如图7所示，1YH有电时，1ZJ线圈得电，A1、A2处两对1ZJ常开接点闭合，2ZJ线圈回路中1ZJ常闭接点打开，控制、信号回路电源由1YH提供。1YH失电时，1ZJ线圈失电，A1、A2处两对1ZJ常开接点打开，2ZJ线圈回路中1ZJ常闭接点闭合，此时若2YH有电，2ZJ线圈得电，A3、A4处两对2ZJ常开接点闭合，1ZJ线圈回路中2ZJ常闭接点打开，控制、信号回路电源由2YH提供。

同样的原理，当2YH失电时，若此时1YH有电，控制、信号电源则通过自动投切装置改由1YH提供。

此方案的特点是两电源双向自动投切，互为备用，无优先级别之分。

2.微机型自动投切装置

以上两种压变电源自动投切方案均为电磁型。目前，微机型自动投切装置在部分有条件的地区正被推广使用。微机型自动投切装置，如REF543等，它包含有保护、控制、测量、监视和通信等功能，并通过使用特殊功能库对其功能进行扩展。为提高微机保护的可靠性，REF543馈线终端装置，还配备有一个强大的自检系统，同时装置的自检输出继电器给出故障信号，并闭锁保护跳闸输出。微机型自动投切装置，如REF543等，在实现备用电源自动投切时，除检测电压外，还增加了电流闭锁保护，更增强了自动投切动作的可靠性，但微机型保护装置的工作易受电磁干扰的影响。

图1 内桥接线的主接线形式

图2

图3 低压母分段断路器自投方案

图4 内桥断路器自投方案主接线图

图5 线路备用自投方案接线图

图6 有优先级别的两电源意向自动投切原理图

图7 无优先级别的两电源意向自动投切原理图

图8 电磁型自动投切装置

图9 一段站用电与二段站用电的互相投切

微机型自动投切装置动作安全，功能扩展灵活，较适用于保护性能要求比较高、保护级差配合比较多、保护原理构成比较复杂的场合，且维护量小，但价格较贵，且需配备专用的检测仪器和校验工具。电磁型自动投切装置技术成熟，并已被实践证明了的可靠性记录、不受电磁干扰的影响、具有较长的使用寿命。

四、站用电源自动投切

1.电磁型自动投切装置

如图8所示，站用电源1（a1、b1、c1）、站用电源2（a2、b2、c2）均有电，合上QM1、QM2开关，CJ1线圈得电，CJ1常闭接点打开，站用电（a、b、c）由站用电源1提供，并且CJ1常开接点闭合，XD1指示灯亮，表明站用电源1在工作状态。当站用电源1（a1、b1、c1）失电时，CJ1线圈失电，CJ1常闭接点闭合，CJ2线圈得电，站用电（a、b、c）改由站用电源2提供，此时CJ1常开接点打开，CJ2常开接点闭合，XD2指示灯亮，表明站用电源2在工作状态。

同样原理，当站用电源2失电时，站用电通过自动投切装置改由站用电源1提供。

此种站用电源自动投切方案的特点，是两电源双向自动投切，互为备用。

2.ATS（微机型自动投切）装置

ATS装置的核心一般是数位式微处理控制器及逻辑线路板，它包含检测电压、频率，延时设定监视及系统诊断等功能，符合紧急及备用电力系统应用的要求，可将两电源相互投切，互为备用。它具有自动判断闭合投切、开路投切等功能，开路投切时，可附相角检测器，比较两电源之相角差，提供相内转换功能，允许两电源在一定的频率差、相角差及电压差的条件下执行闭合转换功能。设计时如采用抽出式ATS装置，则可大大方便维护与测试，同时，通过微处理器的设置，可满足配电网自动化的需要。以ASCO940型ATS装置为例，在实际中的应用，如图9所示，一段站用电与二段站用电可相互投切，互为备用。

在实际工作中，遇到其中一段母线停电、检修时，由于ASCO940自动投切开关与任何一段母线都无明显断开点，这与安全规定要求不相符合。为防止电源倒送，同时为符合安全规定的要求，故在ASCO940开关两电源侧前，各增加一台抽屉式开关。这样，既满足了以上的要求，又方便了ASCO940及其两电源侧断路器的检修和维护。此外，ATS装置还可用于自备发电机等重要用户，作为用户的应急电源或紧急备用电源投切所需。ATS装置较电磁型备用电源自动投切装置动作安全、可靠、精确，功能扩展方便，且维护量小，但价格较为昂贵。

五、结论

以上分析了几种电源自动投切装置的设计方案及工作原理，并从安全性、可靠性、经济性等方面进行比对，1.2ATS（微机型自动投切）装置为优选方案。

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