快切与传统备自投系统优缺点分析

罗文新 崔春全 张宏达 杨连艳

摘 要：以SUE3000快切装置为例，阐述了快切系统工作原理、使用条件，对比分析了传统备用电源自投系统与快速切换装置的优缺点以及在化工企业连续生产装置使用快切的必然趋势，同时提出了快切装置在使用中应注意的事项。

关 键 词：快速切换；备自投；单母线分段

中图分类号：TE 624 文献标识码： M 文章编号： 1671-0460（2016）04-0856-04

Abstract： Taking SUE3000 fast switching as an example， the working principle and using conditions of the fast switching system were introduced. Advantages and disadvantages of traditional standby power source automatic switching system and the fast switching system were analyzed. Some attentions during using the fast switching device were put forward.

Key words： fast switching； standby power source automatic switch； single-bus section

炼化企业生产装置对供电平稳性要求很高，一般按二级负荷设计[1]，因此平稳供能尤为重要。而供电过程中，高压系统晃电是影响供电质量的主要因素之一，电网波动或瞬时失电均可能造成整个化工装置生产波动甚至是停车事故。目前，大部分生产装置均采用传统的备用电源自动投入装置（简称备自投）来保证连续供能，经过多年的运行，逐步显现出其启动速度慢、切换方式单一以及瞬间断电等诸多缺点。辽阳石化公司通过引进ABB SUE3000快切装置，完成了对原有母联备自投装置技术升级改造工作，在保留原有母联备自投所有功能外，通过快切装置，实现了在电网同步性的前提下，系统电源故障及晃电时还能真正实施快速有效的切换，保证了供电系统的连续性，也提高了供电系统的安全性，取得了良好的效果。

1 传统备自投装置介绍

1.1 自投保护启动

厂级变电所高压一次系统主接线一般为单母线分段设置，母联开关设备自投装置。系统正常运行方式为：高压进线Ⅰ和进线Ⅱ解列运行，母联开关处于热备用状态。只有同时满足以下基本条件后备自投保护才会启动：

（1）故障母线低电压跳闸（80%UN以下，延时1.0 s左右，考虑上下级配合适当调整）；

（2）两段母线不能同时出现欠电压（常规做法是两母线电压同时低于70%UN时，两进线电源低电压保护均不动作，闭锁母联备自投）；

（3）故障母线开关为非过流保护动作跳闸（任何一进线开关过电流保护跳闸，闭锁母联备自投）；

（4）故障段母线残压低于40%UN；

（5）备用馈线母线电压不得低于90%UN。

启动后，切换顺序为先延时跳开故障段进线开关，后投入母联开关，动作时间一般在1 000 ms以上，切换时间较长，直接导致间断供电现象。

1.2 传统备自投系统技术分析

传统备自投装置的使用，可提高供电可靠性和连续性，在发生电网事故或线路故障时，保证供电的连续性，在化工生产装置运行中起到了积极的作用。但在实际运行中，也存在以下缺陷：

首先，由于传统备自投装置无检测相位、频率等手段，无法检测电源相位、频率等运行参数，只能通过检测电压幅值信号来判断电源运行状态。当电源出现故障，供电中断时，故障母线残压逐步降低，高低压电动机运行电流增加，高压电机低电压或过流保护动作跳闸，该段变压器所带低压电动机交流接触器欠压脱扣或变频器断电，使得电机停运，故障段母线残压直线下降，此后备自投保护启动，先跳开故障母线进线开关，后合母联开关，恢复故障段母线受电，过程中由于出现间断供电，对生产造成较大波动。

通过母联将备用电源再投入时，由于化工生产装置的电动机均带自启动功能，特别是大容量电机自启动电流远大于额定电流，大批量电动机启动，容易拉低母线电压，造成恶性循环，其结果是导致电机启动失败，甚至使刚投入的母联开关由于大电流冲击而保护跳闸；或由于供电回路电流瞬间增加，对于整个电网系统形成冲击，如厂变上级供电系统没有及时调整，可能会造成上级供电系统电压瞬时下降乃至瓦解，造成更大生产事故。

其次，传统备自投系统线路接点过多，接线复杂，继电器数量多，继电器的状态及接点正常与否不直观，对备自投充电满足条件不明确，发生故障时不易判断处理，还存在某个继电器或节点发生故障时容易造成拒动或误动问题。这些不利因素也制约着传统备自投保护作用的发挥。

2 快切装置SUE3000工作原理及使用

随着科技的飞速发展，电气技术创新取得了长足的进步，真空断路器可以实现快速合分闸，使得快切技术得以应用，较好地弥补了传统备自投装置的缺点，迅速应用于供电系统，为保证装置平稳供电提供了技术保障。

2.1 逻辑处理和高精度的模拟信号处理功能

主要表现在馈线状态与操作特性两个方面。逻辑量即三台断路器的开关状态节点、位置节点、开关储能点等均进入快切保护装置，通过内部PLC的编程实现各类逻辑联锁条件。模拟量通过CT、PT采集，采集后的电流和电压的模拟量进入接口电路， 进入装置的电流电压信号通过内部的数学模型计算，将电流分解成正序电流、负序电流、零序电流分量，根据故障状态下各电流的分量达到整定值要求从而实现短路保护、负序保护和接地保护等；进入保护器的电压信号经过模数转换计算后，该装置时刻比较两母线电压。经逻辑判断后实现欠压转换、过压报警、系统闭锁等功能。在比较被测电压的幅值，频率差和相角差等参数满足条件后，快切装置瞬时将负荷切换到正常运行馈线上，以保证高压电机、变压器等负荷连续运行。

2.2 使用条件易满足

一般供电系统，只要满足以下条件，均可使用SUE3000快切装置，保证平稳供电：

（1）为实现不间断的电源供电，高压负荷应至少由两条同步且互相独立的馈电线路供电。一般化工企业均自带自备电厂，只要两馈电线路来自于两台独立的变压器，并且满足两线路及两台主变（电源）的并列条件，即可满足。

（2）具有分合闸动作时间较短的断路器。断路器的分合闸动作时间参数对整个快切动作时间影响起决定性作用，快速切换时间应在30～100 ms时间内完成，大于100 ms交流接触器等就会欠压脱扣或过流保护动作，快切将失去应有的作用。目前常用的高压断路器，按其分合闸时间长短排序为少油断路器，SF6断路器，真空断路器，一般与快切配套使用应选用分合闸时间在80 ms以内的真空断路器[2]。

（3）用以控制启动快速切换装置的继电器应选用快速继电器。

2.3 SUE3000系统主要参数的设定

（1）相角差?Max 是指故障母线与备用馈线（两馈线是互为备用的）之间的相角。以此作为是否具备同步的条件，临界值可根据超前或滞后母线分别进行调整。通常按±20°整定，理论上，一般为满足实现母联合闸的电压差不大于1.1UN并且高压电机及母联开关继保不动作的条件限制，其整定值可以是±30°[3]。

（3）UStand-by > UMin1 备用馈线电压保持正常是进行切换的必要条件。即只有当馈线电压存在并满足整定值时方可实行切换。UMin1 一般按正常电压 UN 的80%进行整定。

（4）UBusbar > UMin2 母线电压监视来判断快切是否可以正常进行，它和相角及频差一样也被视为快切的一个条件。UMin2通常设定为正常电压UN的70%，如母线电压低于此值，切换时将会产生暂态效应，不允许进行切换。

2.4 SUE3000使用优势

与传统备自投装置比较，由于设置了检测相位、频率等元件，SUE3000不仅可检测电压幅值还可检测相位、频率等参数，可实现供电的状态监测。而且装置转换模式首选为快速切换方式。当发生晃电时，主馈线和备用馈线的参数在限定值范围以内可进行快速切换，同步发出母联断路器的合闸和进线断路器分闸命令。在此情形下的无电流的切换时间仅取决于断路器合分闸的时间差。对于真空断路器而言，以VD4为例，合闸时间约为55～67 ms，分闸时间约为33～45 ms，其固有合闸时间大于分闸时间，经现场试验从系统发出触发指令到切换完毕时间约90 ms。因此可认为切换是在不断电的情况下完成的，对电网系统扰动较小。与传统备自投相比较，可保证高低压电动机、变压器等重要负荷在发生晃电等故障情况下保持运行。从快速切换波形图中可看出，其无电流切换时间在一个周波以内完成，约为15 ms左右，如图1所示。

其次，SUE3000快速切换装置按实时微处理系统设计，相对传统备自投装置而言，快速切换装置综合考虑整个馈电系统运行的综合情况，除可实现快速切换外，还具有首次同相切换（时间250～500 ms）、残压切换（时间400～1 200 ms）、延时切换（时间>1 500 ms）多种后备切换方式，是对主切换保护的补充，它还集正常操作与故障切换于一体，提高了供电系统的安全性。

2.5 SUE3000使用优势特点

与传统备自投装置（BZT）比较，SUE3000快速切换装置具有明显的优势。

（1）在某一供电馈线电压下降或完全断电的情况下，通过快速切换到备用电源上，由于切换速度快，对于电动机为电感性负荷，在切换过程失去工作电源后，母线电压并不是立即下降为零，而是通过电动机剩余的动能及转子剩磁转入异步发电状态，使负荷母线上呈现出连续的电压与频率的逐步衰减的残压，由于这个残压的存在，保证了在备用电源快速投入前大部分电动机及其它负荷不被切除，备用电源快速投入后再次受电连续运行，保证化工装置生产的连续性。这是SUE3000快速切换装置最显著的优势特点。

（2）具有故障自诊断与自动处理功能。快速切换同时发出分合闸命令，切换时间很短，保证了不间断供电，但是，如果驱动进线断路器分闸出现故障，不能动作跳闸，两个馈线电源产生短时的并列，SUE3000能根据预先设定立即分开分断母联开关自动解列，以防止不允许的并列。

（3）手动启动快切的功能可大大简化设备的操作。由于快切装置可以实现手动并列切换，即可以根据同期快切准则，先合母联分段开关，再自动跳开进线开关，这就使系统负荷调整操作变得即简单又可靠，可以实现远方操作，省时省力，降低操作风险。

（4）SUE3000具有多种配置方案。快切装置具有多种自由选择的方案与参数选项，可以灵活方便地编程，实现各种逻辑控制需要，如特殊的闭锁与解锁功能，以及用电负荷的减载功能等。

（5）具有故障录波功能，便于故障分析。其录波时间范围为1 000 ms到5 000 ms，录波时间由故障前和故障后两部分组成，可分别设置时间长度，可以分析故障前后系统状态。

（6）多种通讯方式可以选用，提供光纤、以太网、RS485接口等，满足后台监控等各种要求。

2.6 SUE3000实际应用效果

目前，在厂用变电所安装了10套SUE3000快切装置，主要采用快切装置与线路光差保护（进线线路出现短路故障启动光纤纵差保护，跳开厂变进线及厂变上级配出开关，快速切除故障线路）配合方式。确保线路故障与供电电源波动均能可靠地启动快切装置。同时与光差保护装置过流启动信号配合，以避免穿越性故障使光差保护误动作，造成快切装置误启动。为了解决快速切换过程中，低压交流接触器由于电压波动主触点断开而停机问题，配合以低压交流接触器加装防晃电辅助模块，合理设置延时脱扣时间，保证在“晃电”时交流接触器不脱扣，切换瞬间，交流电动机群处于异步发电状态，又使母线保持了较高的残压，既避免了其它电气设备停机，又解决了“晃电”时交流接触器失压机组群停，机群同时自起问题[4]。

装置投运后经受了2次进线失电事故的考验，快切装置按事先设计的方案正确动作，未造成装置大的波动，至今未发生不正确动作情况，应用效果显著。

3 快切装置使用注意事项

目前，快速切换装置主要应用于厂用变电所，为了保证其可靠动作，降低晃电对厂用电设备及供电系统影响，对于快切装置使用还应注意以下事项。

（1）应保证双回线负荷每一回线容量满足带全负荷条件，上级负荷保护与功率匹配满足要求。如果由于技术原因与供电负荷容量原因，需要对一些电机进行减载，在毎次启动快切的同时，发出一个分闸命令去分相应电机断路器。

（2）两高压进线断路器除快切过流保护外配有单独过电流保护时，应将过电流保护动作信号送至快切装置，闭锁低电压启动快切信号，避免误切造成故障扩大。

（3）三台主断路器辅助状态节点在数量满足的前提下，应冗余使用，禁用中间继电器转换后用于快切控制，避免影响动作速度，甚至发生误动作故障。

（4）系统应可靠接地，在高压系统二次回路应用过多的电子元件或电气保护装置时，系统接地电阻应按防静电接地电阻值标准试验，确保接地电阻值小于1欧姆，具备条件时最好使用单独接地网，以有效避免电磁干扰。

（5）设置PT断线闭锁功能，配有PT二次微型断路器应配有辅助接点，微型断路器跳闸闭锁保护动作，以避免因假低电压信号发生误动作。

（6）应尽量避免出现耦合状态。由于进行快速切换时，分合闸指令是同时发出的，如果开关分闸动作时间大于合闸动作时间，由于这个原因，某一时间段内，保护驱动两个断路器处于同时合闸状态，两进线中将产生一段耦合时间，应根据现场保护驱动开关实际动作时间，合理设置装置去耦合时间，避免出现快切失败，甚至影响供电系统。

（7）系统施工后调试应全面，尤其在带负荷试验时，对三个断路器在试验与运行位各种配合调试应充分考虑，确保装置可靠动作，同时避免反送电现象的发生。

4 结 语

SUE3000快速切换装置相比传统备自投装置，应用优势明显，在易燃易爆的重要化工企业不仅大大地提高了设备的可用性，而且可有效降低由于电源波动造成频繁开停车所发生的物耗和能耗，即一次成功的快速切换，可保证装置的连续安全运行，节省了大量重新开车费用，由此可补偿整个快速切换装置的投资费。国内的炼化企业一般建厂时间较长，重要的化工装置供电大部分还使用传统的备自投系统，在满足相应切换条件的前提下，由快速切换装置替代原有备自投系统是必然趋势。

参考文献：

[1]GB50052-2009供配电系统设计规范 [S].

[2]姚元尚.快切装置在电厂中的应用[J].科学与财，2015（6）：216-216.

[3]付英杰，梁智珊，夏鹏程. 双电源快速切换装置相位差整定仿真分析[J].电气应用，2013（7）：45-50.

[4]吴杰.快切装置替代备自投装置提高供电系统可靠性[J].电力通用机械，2015（3）：70-71.