ATS快切装置在化工企业供电系统中的应用

王普杰

(上海化学工业区工业气体有限公司，上海 201507)

0 引言

上海化学工业区工业气体有限公司是由美国的普莱克斯和法国的液化空气公司各出资50%兴建的外资合资企业，坐落在上海化学工业区，通过化工管道为多家知名化工企业集中提供氧气、氮气、一氧化碳和氢气等气体原料和仪表空气，是一家为多用户同时提供供气服务的企业。为了同时满足多家化工企业对原料气和仪表空气的稳定性和连续性的需求，提高工厂的供电可靠性就成为提高工厂运行可靠性的有力保障。

1 电气系统简介

工业气体公司从供电局引入两条35 kV电源，采用双回路供电，在10 kV侧安装有ATS装置，可以实现ATS转换。其供电单线图如图1所示。

图1 供电系统单线图

变电站原始设计时，在H1，H2和H3三面10 kV开关柜上各安装了一套GE的SR750综合保护继电器，并通过该继电器实现外电网电压波动时的ATS切换。由于这套综保的主要功能是实现对电气设备的保护，其自切功能有很大的局限性，切换不可靠，而且切换速度慢［1］。为了满足双电源进线系统双向快速切换的需要，在保证生产不间断的同时，最大限度地保护电气设备不受损坏［2－3］，经多方论证，引进了专业快切装置生产商美国 beckwith公司生产的M－4272数字式电源转换系统(MBTS)［4］，经过多次带负荷测试，其切换功能均能完美满足工厂的需要，既保证了生产的不间断，又保证了设备的运转安全。

2 M－4272的作用及其特点

M－4272数字式电动机母线电源转换系统可以实现自动和手动转换，自动或者手动转换操作可以被控制信号或者输入状态或者通讯进行闭锁。有四种切换模式:快切，同期转换，剩余电压和定时限切换［5－6］。前三种方式如果都是被激活时将同时启用，如果快切的条件没有满足，同期切换或者剩余电压切换将启动。同期转换，剩余电压转换和定时限转换功能都可以根据需要进行有选择地禁用和启用。

自动转换可以被一个外部保护跳闸信号(86P)触发或者通过输入到MBTS装置的外部低电压信号触发(27)，或者通过装置内部母线低电压继电器(27B功能)检测到的母线电压突降触发。自动转换允许双向转换:从源1转到源2，反之亦然。自动转换可以进行闭锁，当任何闭锁条件出现时闭锁，在闭锁条件下，MBTS装置将不响应任何转换指令，也不发送任何跳闸指令。

手动转换可以使用就地的人机界面(HMI)触发，或者通过串行通信遥控触发。手动转换提供热并列转换或者快切，同期转换和剩余电压转换的复合转换，手动转换当任何闭锁条件出现时被闭锁，MBTS装置将不对任何转换命令发出响应而且在闭锁条件下不发出跳闸指令。

有两种转换模式，顺序式和同步式，在分闸瞬时进行转换操作时，是顺序式转换模式。一旦一个转换被触发，如果选择顺序式模式，工作断路器在10 ms内跳闸而且根据工作断路器的状态确认对备用电源断路器试图合闸。在收到该信息的4 ms内，所有的三种方法，快切，同期和剩余电压转换将监控备用电源断路器的合闸，定时限转换在30个周波后激活。如果两个电源母线的相角在相角差的限值以内，备用电源断路器通过快速切换方式将工作断路器分闸后立即合闸。对于上述10 kV的两个进线断路器H3和H2，都是工作断路器，也是互为备用的断路器。

如果选择同步模式，在转换启动的10 ms内，所有的三种转换模式，快切，同期切换和剩余电压切换立即激活，不再等待断路器状态触点的确认，工作断路器和备用电源断路器的分闸和合闸命令被同时送出，如果工作电源和备用电源的相位角在相角差的限值以内，快切转换立即启动转换。定时限转换在工作断路器分闸30个周波以后才启动。

对于工作电源和备用电源之间的相位角而言，若其不在相位角差限值范围内，工作断路器仍然要跳闸。当四种转换方式激活后，通过下述任何一种方法合闸备用电源断路器，随后在最快转换时间内，运动转化到相位角差限值中，在同期转换时间窗内，在相位过零时转换，或通过电源电压降低到残余电压转换限值时转换，或在定时限转换的固定延迟时间之后，合闸备用电源断路器。通过上述(首先达到标准的)任何方法，完成转换和断路器合闸。

M－4272数字式母线电源转换系统的特点:

(1)确保发电厂和大型工业企业的安全连续供电，对双回路供电系统能灵活实现自动和手动切换(单向切换或双向切换);

(2)在各种变化的供电系统条件下，能够自动选择并实现快速切换，同期切换，剩余电压切换和定时切换;

(3)可以进行扩展以实现多个开关的配置;多组设定值配置文件，以满足多种应用需求;

(4)具有综合控制，监督管理，事件序列和波形记录功能，带有功能强大的波形分析软件，便于进行数据分析。

(5)在MAIN－TIE－MAIN配置的供电系统中，任何一条进线故障时，能够实现快速切换，该切换属于双向快切。当两条进线同时出现波动或故障时，切换功能闭锁，开关保持各自的工作状态。两套M－4272装置控制三台断路器实现双电源双向切换的典型应用如图2所示。

图2 M－4272控制三台断路器的电源转换系统典型应用

3 工业上的应用

工业气体公司使用了两套M－4272装置，设定值如下:自动快切的相角差设为30度，频差为2 Hz;自动同期的频差为10 Hz;35 kV母线低电压设定值为70%Un，0秒延时;10 kV母线低电压设定值为75%Un，40 ms延时。2012年2月21日，供电局35 kVII段电网发生波动，波形记录仪捕捉到的系统波动情况为:母线电压降至68.41%Un，持续100 ms。10 kV母线低电压保护启动，H2开关分闸命令在ATS启动后约5 ms发出，自动卸载信号在ATS启动后约14ms发出，使需要卸载非重要的设备分闸，H2开关在ATS启动后约57 ms分闸，母联H1断路器合闸命令在ATS启动后约175 ms发出，约228 ms成功合闸，这时，10 kV母线电压大约降至38.3 V(66.4%Vn)，相角差为0.3度，频差为－4.8 Hz。这次实现了同期切换，转换过程中工厂生产正常，没有任何异常情况发生。ATS动作前后电网电压的波形和开关动作的时序被装置完整地录制了下来，如图3和图4所示。通过对波形和时序图的分析，我们对自切前后电网状况和开关动作的情况一目了然。

系统返回正常工作模式的逆操作是通过手动并列转换实现的，合H2开关，同时分H1开关，工厂运行正常。

图3 ATS动作前后电网波形图

图4 ATS动作前后开关动作时序图

4 结束语

工业气体公司的两套M－4272数字式电源切换装置自2011年6月安装完毕后，先后进行了多次带负荷测试，测试结果非常令人满意，并在今年的11月2日成功发挥作用，其切换性能非常好，有力地保障了工厂的安全稳定运行，避免了不必要的工厂停车和造成对客户的供气中断，避免了由于停车造成的重大经济损失。该装置的安装使用具有技术可行性和很高的经济价值，可以在发电厂和大型工业企业的供电系统中大力推广应用。

［1］ 范舜，王承玉，海涛，等.配电网自动化开关设备［M］.北京:中国电力出版社，2007.

［2］ 刘健，毕鹏翔，杨文宇，等.配电网理论及应用［M］.北京:中国水利水电出版社，2007.

［3］ 周涛.无扰动同期快切技术在电网运行中的应用［J］.机电信息，2012，10(24):116 －117.

［4］ M －4272 Motor Bus Transfer System Instruction Book.［EB/OL］.2011年5月，电子文献网址:http://www.beckwithelectric.com/support/documents.html.

［5］ 苏鹏飞，柳冬冬.同期快切装置在发电公司捷制机组中的运行分析［J］.自动化应用，2010，51(12):68 －71.

［6］ 王勇.无扰动控制装置的原理及在电网中的应用［J］.电工技术，2010，31(10):22－24.