双电源切换开关(ATS)在百万机组的应用分析

赵曙伟，高峰

(神华广东国华粤电台山发电有限公司，广东 台山 529228)

0 引言

火力发电厂重要配电段负荷都是影响到机组或系统安全的用电负荷，为了确保这些重要负荷供电的可靠性，通常都配置了双路电源，当主电源故障时会自动切换至备用电源。为了实现两路电源之间的快速自动切换，双电源切换开关被广泛应用，但是由于开关在切换的过程中，存在固有的动作时间，配电段电源会有短时的失电过程，在此过程中，会造成负载控制回路中的交流接触器失电返回，没有失压重启功能的负载将会停运。

广东台山电厂6、7号1 000 MW机组辅助厂房低压厂用电400 V系统多个配电段使用了GE ZTS双电源切换开关。自投运以来，一方面提升了配电段供电的可靠性，另一方面由于在选型、设计及使用等方面存在一定的缺陷，给运行方式和其它电气设备带来一定的困扰。

1 双电源切换系统概述

GEZTS双电源切换开关用于为负载提供不间断的电源。在电源1电压或频率降低至预设置限度时，双电源切换开关会自动把负载从电源1切换至电源2。GE ZTS双电源切换开关主要由开关本体和控制系统(包括MX150控制器及其相关回路)两部分组成，整个切换系统［1］如图1。

电压、频率检测以及系统控制通过安装在控制箱门处的MX150控制器执行，该控制器的作用是对切换开关进行高精准度的控制［2-3］。

图1 ZTS双电源切换系统图

2 双电源切换开关工作模式

2.1 自动模式

通过对控制器的欠压、低频、恢复电压、恢复频率、切换延时等参数进行设置，由控制器自动完成在各种设定工况下的电源切换，无需人工干预。

2.2 试验模式/测试模式

在两路电源均正常的情况下，通过人工操作控制器上的“TEST”按钮完成电源切换，切换动作无人为延时。为防止误碰、误操作，设有密码防护。

2.3 手动模式

在两路电源均停电、负载母线段停电的情况下，通过操作手柄进行开关的机械切换。此方式仅限于开关检修时使用。

3 双电源切换开关切换方式

分为自投自复型和自投不自复型［4-6］两种，在设计选型时只可以选择其中一种。

3.1 自投自复型

对于自投自复型开关，两路工作电源有主电源和备用电源之分，控制器对主电源与备用电源进行监测，并进行自动切换。当两路电源都正常时由主电源供电，即图1中开关处于N位置。主电源发生异常(任一相电压欠压、低频、缺相)时，经设定的延时后，开关由N位置自动切换至E位置，即负载由备用电源供电。当主电源恢复正常后，则自动延时由E位置切换至N位置，返回到主电源供电。该工作模式常用于备用电源为柴油发电机供电的系统。

3.2 自投不自复型

对于自投不自复型开关，两路工作电源实际上没有主备之分，控制器对两路工作电源进行监测，并进行自动切换。当工作电源1出现异常时，自动延时切换到工作电源2工作。当工作电源1恢复正常时系统并不切换供电电源，直至工作电源2发生异常时，再自动切换至工作电源1工作。

4 双电源切换开关应用情况

6、7号机组辅助厂房低压厂用电400 V系统GE ZTS双电源切换开关在设计选型时采用了自投自复的工作模式，根据配电段负荷容量计算选用了额定电流分别为400 A、600 A、800 A的开关。

在脱硫保安400 V配电段中带有增压风机油站油泵、吸收塔搅拌器等重要负荷，无论是主电源切换至备用电源还是备用电源切换至主电源的过程中，这些设备都会停运，虽然吸收塔搅拌器可以通过保护装置的失压重启功能实现自动重启，但还是会有一定时间的停运过程，此时会对系统造成一定的影响。而那些没有失压重启功能的负载则需要人工手动投入运行。这是由开关在切换过程中存在的固有动作时间和控制器的控制原理造成的。

以下以6号机组脱硫保安段双电源切换开关(800 A)为研究对象，进行带载切换试验及分析。

4.1 主电源至备用电源的切换

其切换原理是当控制器检测到主电源电压低于额定电压(380 V)的75%或频率低于额定频率(50 Hz)的75%，同时备用电源电压和频率均正常(高于额定电压、频率的95%)时，控制器经设定延时和分析判断后自动将负载供电由主电源切换至备用电源［7］。

为了防止在外部故障或配电段较大负荷电机启动时引起主电源母线电压的短时下降，从而造成双电源切换开关的切换，在主电源切换至备用电源的延时中设定了1 s。

从图2中可以看出，负载母线电压从下降至恢复正常总计1 801 ms，即主电源切换至备用电源的时间(ΔT)为1 801 ms，期间三相母线电压最低均降至0 V，这势必造成母线上负载控制回路中的交流接触器失电返回，运行中的负载停运。

4.2 备用电源至主电源的切换

其切换原理是当控制器检测到主电源恢复正常(电压和频率均高于额定值的95%)，经过设定延时后自动回切至主电源供电［7］。

为了确保主电源可靠、稳定的恢复正常后再回切，避免出现开关的反复切换，设定回切延时为15 s，此延时的长短对回切时间和运行负载状态的影响是相同的。

图2 主电源带载切备用电源母线电压波形

从图3的波形中可以看出，电源切换时间(ΔT=39.58 ms)约为40 ms，负载母线A相电压最低降至56 V，而交流接触器控制回路的控制电源均设计取自A相母线电压。对于回路中的220 V交流接触器，规程标准要求动作电压应在额定电压220 V的30% ～65%(66 V～144 V)之间，低于30%额定电压(66 V)时应该可靠不动作。因此在此切换过程中负载的停运是正确的。

图3 备用电源带载切主电源母线电压波形

4.3 试验结果分析

从各配电段的切换试验结果来看，主电源切换至备用电源的切换时间较长(约为1.8 s)，三相母线电压基本下降至0 V，交流接触器回路中的接触器必定失电返回，负载停运。备用电源回切至主电源的切换时间较短(约为40 ms～60 ms)，三相母线电压下降程度与配电段所带负荷有关，负荷较重时，母线电压下降幅度较小，可能不会造成负载停运;当配电段负荷较轻时，母线电压下降幅度较大，就极有可能造成负载的停运。

5 双电源切换开关应用中的问题

5.1 设计选型存在的问题

5.1.1 问题(一)

从图2和图3的波形来看，无论是哪种切换都会造成接触器回路负载的停运，对于自投自复型切换开关会由于主电源的异常和恢复正常造成负载的两次停运。而对于自投不自复型开关只会有一次切换，减少了负载的停运次数。

5.1.2 问题(二)

6、7号机组辅助厂房多个公用系统MCC配电段使用的自投自复型GE ZTS双电源切换开关，设计都是从6号机和7号机脱硫400 V工作段各取一路工作电源。

由于设计原因和两台机组建设速度的不同，这些公用系统MCC配电段的主电源均取自6号机脱硫400 V工作段，这样就造成了正常运行时6号机脱硫400 V工作段的负荷较高，运行电流约为1 300 A，变压器温度较高，达到78度;7号机脱硫400 V工作段的负荷较低，约为700 A，变压器温度较低，约为65度;存在较为严重的负荷分配不均问题，并且也无法通过双电源切换开关对公用系统负荷进行合理分配。

5.1.3 解决方案

为了克服上述两个缺点，将这些公用系统MCC配电段的ZTS双电源切换开关增加GE 23P-2008自投不自复模块，并对控制器程序进行升级，将其改造为自投不自复型。这样两路电源之间没有主备之分，相互切换延时均设定为1 s，两路电源之间的相互自动切换时间均为1.8 s左右，试验/测试模式切换则无设定延时。

技术改造后通过优化运行方式，6号机和7号机脱硫400 V工作段的运行电流均为1 000 A左右，两台变压器温度均约为70度，两配电段的负荷分配较为均衡且灵活，运行方式较为合理。

5.2 操作不当引发的问题

7号机组脱硫保安段GEZTS自投自复型双电源切换开关曾发生两次在无故障情况下自动切换的现象，原因是由于在做电源切换试验时，试验人员没有完全掌控控制器的性能，通过操作控制器面板“TEST”按键，完成了主电源至备用电源的切换。在此操作过程中试验人员无意中开启了控制器的“自检程序周期”，结合参数“时钟自检程序”设定为“每周”，造成了开关连续两周定时进行自动切换的故障现象。最终通过取消该“自检程序周期”才解决问题。

5.3 检修不当引发的问题

6号机脱硫MCC段母线在停电检修结束后，需要使用1 000 V的兆欧表测量三相母线对地和相间绝缘电阻，此时双电源切换开关在主电源位置(图1中N位置)，且已拔掉控制器的二次线插头。当试验人员向AB相母线施加1 000 V直流电压的瞬间，控制系统电源1检测回路(如图4)中的PS-8896电桥(额定电压24 VAC)烧损。分析其原因:控制系统回路中通过380 VAC/24 VAC的变压器为该电桥提供一次侧电源，虽然已将控制器隔离，但并未有效隔离PS-8896电桥，当测量绝缘时变压器一次侧瞬间通过1 000 V的直流电，导致变压器二次侧电压远超过电桥额定电压，导致其损坏。

图4 控制系统原理图

以此为鉴，特别要注意的是在测量母线绝缘之前，必须使用机械操作手柄把双电源切换开关打在中间位置(图1中P位置)，将控制系统与一次系统完全隔离，才可以确保控制系统的元器件不致受到伤害。

6 结束语

对于没有使用柴油发电机作为第二路工作电源的系统，双电源切换开关宜使用自投不自复型，一方面避免母线电压波动造成开关的反复切换;另一方面可以减少开关的切换次数，延长开关的使用寿命，减少一些负载停运的次数;第三便于运行方式的调整。

根据整组试验反措要求，不允许用卡继电器触点、短接触点或类似的人为手段进行保护装置的整组试验［8］。同样，在做双电源切换开关的切换试验时，应分别模拟与故障情况相符的两路电源故障，而不应采用控制器面板按键切换的人为方式。

GEZTS双电源切换开关采用微机控制器控制，模拟量采样精度高、动作速度快，可以灵活设置以满足现场实际接线方式的要求，其中关键在于控制系统的正确使用，值得深入分析和研究。

［1］吴红晏.智能型双电源自动切换开关应用［J］.农村电气化，2007，29(6):26-27.

［2］GE Zenith Controls.ZTS/ZTSD 操作与维护手册［K］.芝加哥:通用电气公司，2010.

［3］任红，罗洁，韩全胜，等.双电源转换开关电器的选择及应用［J］.电气应用，2005，8(2):6-7.

［4］魏爱成.浅谈双电源自动切换开关的应用［J］.山西电子技术，2010，38(3):53-54.

［5］黄坤，余俊.双电源自动转换开关研究［J］.广东输电与变电技术，2011，13(1):9-11.

［6］李道本.双电源自动切换装置选用探讨［J］.电气应用，2005，24(5):3-4.

［7］邵学川.双电源自动转换开关可靠性试验系统的设计［D］.天津:河北工业大学，2012.

［8］广东省电力调度中心.广东省电力系统继电保护反事故措施及释义(2007版)［S］.北京:中国电力出版社，2008.