基于快切技术的高压电源投切系统的研究

周雪松，周金程，马幼捷，杨亚光，崔立强

(天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室(天津理工大学)，天津300384)

基于快切技术的高压电源投切系统的研究

周雪松，周金程，马幼捷，杨亚光，崔立强

(天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室(天津理工大学)，天津300384)

针对备自投装置已经不能很好地保证大型企业负荷供电的连续可靠性，为了更好地满足企业生产的要求，本文提出了应用快切技术的必要性，分析了负荷电动机冲击电流产生的机理。结合天津石化供电系统利用电力系统综合分析程序(PSASP)进行实例仿真，通过对仿真结果的对比分析充分说明了快切技术在电源切换和保证供电连续可靠性方面的优越性。

快切技术;供电系统;冲击电流

1 引言

石化、冶金等大型工业企业，由于外部电网或内部供电网络故障或异常的原因，造成非正常停电、电压大幅波动或短时断电的情况屡见不鲜。负荷供电的连续可靠性对石化等企业具有重要意义，为了保证负荷供电可靠性，企业采用的是备有电源自动投入装置(简称备自投装置)［1-5］。但是备自投装置在电源切换过程中，动作时间长，冲击电流大，往往会造成切换的失败。

本文基于快切装置的快切技术提出高压电源切换方案，并将其应用在企业供电系统，用切换动态过程的机理分析了电源切换过程中负荷电机冲击电流的产生，并对天津石化供电系统的实例进行仿真分析，验证了快切技术在企业供电系统中应用的合理性与可靠性。

2 快速切换装置的基本原理

当工作电源由于某种故障而失去时，母线电压幅值会逐渐下降，此时母线上所带的部分电动机就会由于低电压而脱扣停止工作，为了解决这种情况，有的企业采用备用备自投装置将故障线路切除，并将备用电源投上，但是此时由于连接在母线上运行的电动机的定子电流和转子电流都不会立即变为零，电动机定子绕组将产生变频反馈电压，即母线存在残压［6-8］。由于残压的存在，备自投装置又缺乏相频检测等技术，所以备自投只能等母线残压衰减到设定值时才能动作，否则可能对电动机和电网造成电冲击，损坏生产设备，造成生产的中断等严重后果［9-11］。为了改善备自投装置的不足，从而快速投入备用电源，故将电源快速切换装置应用到企业中。图1所示为极坐标形式的6kV母线残压相量图。

图1 母线残压相量图Fig．1 Bus residual voltage vector diagram

图1中，US为备用电源电压;UD为母线残压; ΔU为母线残压与备用电源之间的电压差。

合上备用电源时，电动机承受的电压UM为:

式中，XM为母线上电动机组和低压负荷折算到高压侧的等效电抗;XS为电源的等效电抗。令，则UM=KΔU。由于电动机的起动电压不超过机端电压的1.1倍，则有 KΔU ＜1.1Ue，从而ΔU(%)＜1.1/K，如果K=0.67，则ΔU (%)＜1.64，如图1中的弧线A'—A″，A'—A″的右侧为切换的安全区，左侧为不安全区;如果 K= 0.95，则ΔU(%)＜1.15，弧线为图1所示的 B'—B″。

图1中AB段为允许合闸范围，假定正常运行时工作电源与备用电源同相，其电压相量端点为A，母线失压后残压相量端点将沿残压曲线由 A向 B方向移动，如能在 AB段内合上备用电源，则称为“快速切换”。过 B点后为不安全区域，不允许切换。在C点后至D段，快切装置通过实时跟踪残压的频差和相角差的变化，对母线相位变化进行实时计算分析，并根据合闸所需时间，捕捉合闸时机，使得合闸完成时备用电源电压与母线电压的相位差接近零度，这称为“同期切换”。而在同期切换条件不满足且在固定时间内母线电压没有恢复到正常水平的情况下，母线电压衰减到额定值的20% ～40%时，快切装置进行切换，称为“残压切换”。快切装置通过负荷预测、频率变化以及相角差变化等逻辑计算，适时地将备用电源投入，使工作母线的电压降幅度最小，持续的时间也最短，从而对负荷造成的冲击最小。

3 实例仿真

本文以天津石化电网降压站系统为例进行研究分析。天津石化分公司有一个110kV降压站，为两台主变配置，高、低压侧均为单母线分段接线，其中# 1主变支路所连接的6kV 651母线和#2主变支路所连接的6kV 652母线为单母线分段形式，为了保证母线上负荷供电的可靠性，在两段母线的分段断路器支路上装设有备自投装置，但是此装置动作时间长，冲击电流大，经常影响生产过程的连续性。为了更有效地保证6kV母线上负荷的供电可靠性，现在企业用快切装置代替原来的备自投装置。根据石化电网的具体结构和实际参数，利用PSASP软件建立仿真系统结构图，如图2所示。

由于企业负荷中大部分为电动机负荷，其余多为照明和生活用电，故本文采用的是容量90%的异步电动机和10%的恒定阻抗并联的综合负荷模型，异步电动机负荷模型的具体参数见表1。

图2 石化电网仿真系统结构图Fig．2 Petrochemical grid simulation system structure

表1 异步电动机参数Tab．1 Asynchronous motor parameters

假设6kV 651工作母线在2s时因进线支路故障而失去工作电源，备自投装置4s后动作，图3和图4分别为备自投切换方式下系统的冲击电流和冲击电压示意图。

图3 备自投切换方式下的冲击电流Fig．3 Impulse current of reserve-source autoput-in switching mode

图4表明当备自投动作时，母线残压已经很小，此时母线上大部分电机已经被分批切除，影响了生产的连续性。由图3和图4可以看出在备自投装置动作的过程中，电机受到的冲击电流和冲击电压都很大，峰值电流和电压的标么值分别为 1.80pu和1.38pu，而且持续时间也比较长，这样的冲击有时会超过设备或线路的过电流保护设定值，使保护动作，造成电源切换的失败。

利用快切装置的快切技术对降压站电网进行仿真，得到母线电压和冲击电流的变化曲线，如图5～图10所示。

图4 备自投切换方式下的电压变化Fig．4 Bus voltage changes of reserve-source autoput-in switching mode

图5 快速切换方式下母线电压变化Fig．5 Bus voltage changes of quick switching mode

图6 快速切换方式下电流变化Fig．6 Current changes of quick switching mode

由图5和图6可知，在快速切换过程中工作电源侧的651母线电压最小衰减到0.875pu，最大冲击至1.150pu，暂态持续时间约为250ms;备用电源侧652母线冲击电压为1.116pu。655支路冲击电流为1.423pu，#2主变支路的冲击电流为1.176pu，两者的暂态过程持续时间均约为370ms。此时母线残压下降比较小，冲击电流持续时间最短，若此时切换成功对电机的影响较小，电机也不会停机。

图7 同期切换方式下母线电压变化Fig．7 Bus voltage changes of same period switching mode

图8 同期切换方式下电流变化Fig．8 Current changes of same period switching mode

图9 残压切换方式下母线电压变化Fig．9 Bus voltage changes of bus residual switching mode

由图7和图8可知，在同期切换过程中工作电源侧的651母线电压最小衰减至0.709pu，最大冲击至1.177pu，暂态持续时间约为710ms;备用电源侧652母线冲击电压为1.145pu。655支路的冲击电流峰值为1.124pu，#2主变支路的冲击电流峰值为 0.965pu，两者的暂态过程持续时间均约为470ms。虽然同期切换时支路的冲击电流比快速切换时要略小，其主要原因为切换时失电母线和备用母线的电压相位差接近0°，使系统造成的冲击电流减小，但是此时母线残压下降的比较多，可能会对一些非重要电机的转速产生一定的影响。

图10 残压切换方式下电流变化Fig．10 Current changes of bus residual switching mode

由图9和图10可知，在残压切换过程中工作电源侧的651母线电压最小衰减至0.40pu，最大冲击至1.335pu，暂态持续时间约为1.84s;备用电源侧652母线冲击电压为1.279pu。655支路的冲击电流峰值为 1.515pu，#2主变支路的冲击电流为1.310pu，两者的暂态过程持续时间均约为920ms。此时母线残压衰减比较严重，残压值很小，部分非重要电机有可能已停机，并且支路冲击电流和母线冲击电压都比前两种方式下大，但是与备自投情况相比冲击电流和母线冲击要小很多。这表明随着母线失电时间越长，电压跌落的越低，切换时对系统的冲击也越大。

4 结论

石化等大型企业在电源切换过程中应用备自投装置，由于差拍电压的存在，切换时会对系统造成很大冲击。而快切装置可以提高企业重要负荷的供电连续性，防止负荷失电造成损失。将该装置的快切技术应用在企业的供电电网中，代替原来的备自投装置，可以大大减小电源切换的时间，并通过实例仿真和分析，得出应用快切技术后的切换时间要小于备自投装置的投切时间，并且切换过程中产生的冲击电流和冲击电压也比备自投装置所产生的小，这样既保证了高压电源切换的快速性，又保证了企业负荷供电的连续可靠性，具有良好的工程应用价值。

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Research of high voltage power supply cutting system based on fast cutting technology

ZHOU Xue-song，ZHOU Jin-cheng，MA You-jie，YANG Ya-guang，CUI Li-qiang
(Key Laboratory for Control Theory＆Applications in Complicated Systems，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China)

Most domestic enterprises used the auto-put-in device of reserve-source．While this device has a long action time，big impulse current，and can often cause the failure of switching power supply．Considering that the auto-put-in device of reserve-source can not guarantee the continuous and reliability of the enterprise＇s load power supply，this paper proposes the necessity of using the fast cutting technology in order to better meet the production requirements．The paper also analyzes the mechanism of production of the load motor impulse current．Combining with the power supply system of Tianjin petrochemical the paper uses the PSASP simulation software to do the simulation analysis．The simulation results show fully the superiority of fast cutting technology in power switching and capability of ensuring the power supply reliability．

fast cutting technology;power supply system;impulse current

TM72

:A

:1003-3076(2014)01-0066-05

2012-05-11

国家自然科学基金资助项目(50877053);天津石化公司科技攻关项目(G2144-1005-0012-ZSQT)

周雪松 (1964-)，男，江西籍，教授，研究方向为电力电子和电力系统分析与控制;周金程 (1986-)，男，河北籍，硕士研究生，研究方向为电力电子和电力系统分析与控制。