大型糖厂供配电系统快切技术研究及其应用

杨志红 王开鸿 孙宏 周川 孙猛 张云鹏 张恩寿 杨津听 廖瑞祥

摘 要：对大型糖厂的用电负荷进行分类，分析研究供电方式基础数据的计算原则、用电负荷的计算方法；依据感应电动机的运行状态对其自启动方式进行分类，对允许感应电动机自启动的最低母线电压进行分析，并研究不同感应电动机组在自启动时最低母线电压的允许范围；分析研究快速投切的工作原理。对比研究目前常用的快速切换方式；对糖厂配电网络工作母线失电后的母线残压变化过程进行研究，列出快速切换可能遇到的问题；为确保大型糖厂的用电安全，给出了适用于糖厂快速切换的控制方案，以确保大型糖厂用电的连续性和可靠性。

关键词：糖厂；用电负荷分类；自启动；快速切换；母线残压；备用电源

中图分类号：TM32                          文献标志码：A 文章编号：2095-820X（2023）02-0032-06

0 引言

随着现代制糖工业技术的迅速发展，糖厂配电网络中的重要负荷越来越多［1，2］，特别是大型糖厂对供电的连续性和可靠性提出了更高要求。如自备电厂锅炉的鼓引风机、给水间的给水泵、压榨车间的切丝机、压榨机组、蒸发煮炼工段的真空泵均要求连续可靠地工作。一旦发生停电事故将中断或长时间中断工艺流程，产生废品，威胁生产设备安全，产生经济损失，甚至发生火灾、爆炸等事故，危及人身安全。糖厂用电负荷90%以上是10 kV或380 V的感应电动机［3］。其负荷特点是当工作母线的电源停止供电后，由于电动机及其拖动负载转动惯量的存在，电动机转子不会立即停止，同时在定子侧绕组中产生感应电动势，若此时电动机定子还连接在母线上，则此感应电动势形成母线上的残余电压（称为母线残压）［4］。母线残压在电源断电后有一个由机械惯量和电气惯量共同引起的过渡过程，电动机容量越大、拖动负载惯量越大、母线残压衰减过渡过程时间越长。在母线失电时，如果不能在恰当的时刻投入备用电源，由于母线残压的存在或全压低速起动，会引起过大的电压、电流以及力矩冲击，过大的冲击可能会引起保护动作甚至造成电源切换失败，造成设备损坏。综上，针对电动机负荷进行电源切换策略的研究，设计快速平稳的切换策略，对糖厂降低故障停机时间，减少停机损失，提高供电的连续性和可靠性具有重要的理论与实践意义。

1 大型糖厂的供配电系统

1.1 大型糖厂用电负荷分类与供电方式

在糖厂建设之前，常根据用电负荷性质对其进行分类，根据用电负荷类别设计不同的供电方式，依据重要性原则，糖厂的用电负荷可分为以下6类［5］。

I类负荷：这类负荷会导致重大设备损坏、重大产品报废、用重要原料生产的产品大量报废，重点企业的连续生产过程停止后需要长时间才能恢复，所以不能突然停电或瞬时断电而手复供电等。如自备电厂锅炉的鼓引风机、给水间的给水泵等重型核心负荷。用电安全的规范和标准要求I类负荷要采用连续的、可靠稳定的母线保障供电，要用备用电源自动投入装置协同工作或采用配备自动切换装置的双电源供电。II类负荷：这类负荷的重要性稍弱，允许短时停电，如压榨车间的渗透水泵、混合汁泵等。II类负荷采用与I类负荷近似的供电方式，设计规程要求备用电源采用手动投入即可，无需自动投入。III类负荷：这类负荷的重要性较弱，不在生产工艺的主流程上，长时间停电损失也不大，如机械修理所需负荷、照明负荷、员工取暖负荷等。采用单电源供电。

OI类负荷（即不停电负荷）：要求采用不间断电源（UPS）或逆变机组供电。OII类负荷：直流保安负荷。OIII类负荷：交流保安负荷。这3类负荷的供电单独设计。

1.2 大型糖厂供配电网络的典型结线

大型糖厂典型的主接线图如图1所示。糖厂配置了10 kV的发电机组12MW 1台、7MW 1台，供电网路配置10 kV系统，一次回路使用10 kV单母线系统，母联分段运行，配1台10 kV母线联络柜和1台隔离柜，压榨车间的切丝机、压榨机，锅炉车间的鼓引风机，给水间水泵等糖厂内部的重要负荷分布在I和II段母线上，并均匀了照明行车等一般负荷，糖厂的电压等级有10和0.4 kV 2个等级，总负荷约为16000 kW［6］。

给水间供电方式如图2所示。图中给水间1回、给水间2回的电源由图1中的10 kV II段引入，给水间1回是工作电源，给水间2回是备用电源，给水间内各水泵电机均为I类负荷，按设计规程的要求采用供电可靠性较高的母线给I类负荷供电，同时配备了备用电源自动投入装置协同工作。给水间除水泵外，还有行车、行车照明、电焊机电源等III类负荷，因不影响快切技术相关问题的研究，图中并未绘出。糖厂正常生产时，断路器1处于合闸位置，断路器2处于分闸位置，由给水间1引来的工作电源通过变压器1向电动机母线供电。如果系统故障导致工作电源失电，则备用电源自动投入装置快速发出指令，工作电源变压器向电机母线系统供电。如果母线系统故障导致工作电源变压器失电，则备用电源自动投入装置发出指令使断路器2快速动作，将电动机母线切换到给水间2回路，由备用电源变压器供电。

1.3 配电网快切原理

为实现连续可靠地供电，当故障发生导致工作电源失电时，要求将母线快速切换到备用电源上，由备用电源实现接续供电。常用的快切方法有快速切换、同期捕捉切换、残压切换、长延时切换等［7］。快速切换是指在切换启动条件满足时，常用电源电压与备用电源电压的相位差、频率差均在设定定值允许范圍内，母线系统的电压大于低电压设定的闭锁定值，瞬间启动切换。同期捕捉切换是指母线失电后，捕捉母线残压与备用电源的同期点，在同期点时启动切换，因为选择首次同期点进行切换时，母线电压相位差为零，电压幅值差较小。残压切换是指母线三相线电压在衰减至额定电压值的20%～40%时，持续残压导致的低电压保护经过定值延时后实现的动作切除。在3种切换方式未成功切换时，将执行长延时切换。长延时切换是一种备用切换方式，延时定值一般为9 s，

2 大型糖厂I类负荷供电母线失电后电动机的性态分析

为实现将母线快速切换到备用电源上，由备用电源实现连续供电，从研究大型糖厂I类负荷供电母线残压衰减特性出发，研究快速切换过程中的差拍电压，结合供电规程，提出一种实时快速切换的方法，避免传统切换系统定值难以确定及整定的问题［7］。以图2所示给水间供电方式图进行分析，当电动机母线的工作电源断电后，挂接在母线上的三相感应电动机由于惯性的原因不会立即停止，而将电动机轴上的机械能转化为电能，倒送到母线，使母线上感生出电压，称作残压（Residual voltage），也叫母线残压。随时间的推移，母线残压的频率和幅值不断衰减，由母线系统上电动机组的容量及惯量决定衰减的速度及轨迹。由大容量、大惯性负载的电动机（电动机组）作为发电机向小容量电动机供电。因此电动机组的残压衰减曲线介于单一大容量电动机和单一小容量电动机的残压衰减曲线之间［8，9］。

2.1 失电后异步感应电动机的转子电流

假定t=t0时给异步感应电动机送电投入运行，经过一段时间的起动过程，进入稳定运行状态，t=t1时，给异步感应电动机供电的工作母线三相电源同时失电，使异步感应电动机定子三相电源也同时失电；失电后定子电流降低到0，为保持主磁路磁通不突变，异步感应电动机转子电流没有零序分量，依据电机学理论，可得失电后异步感应电动机的转子电流方程如式（1）［10-12］。

[ia=Rei+i0=irt1e?t?t1Trcosλib=Rea2i+i0=irt1e?t?t1Trcos （λ+120°）ic=Reai+i0=irt1e?t?t1Trcos （λ+240°）]

…式（1）

式中，Tr=Lr/Rr，是转子电路的时间常数；[irt1]是t=t1+时刻三相异步感应电动机与电源完全断开时所形成的转子电流空间向量的初始值，其模值为[irt1]，相角为[λ]，零序电流为0。

2.2 感应电动机恒转矩负载下的失电残压解析式

对恒转矩负载时，设负载转矩为TL，忽略旋转阻力系数，感應电动机失电残压可以表示为式（2）。

[UA=Mmirt1et?t1Trω2r+1T2rcos （ωrt+θ0+φ+λ）UB=Mmirt1et?t1Trω2r+1T2rcos （ωrt+θ0+φ+λ+120°）UC=Mmirt1et?t1Trω2r+1T2rcosωrt+θ0+φ+λ+240°]

…式（2）

式中，[φ=arctan （?Trωr）]，

[ωr=ωr0?p0TLJt=πnr0p030?p0TLJt]。

2.3 感应电动机恒转矩负载下的失电残压衰减图

依据式（2），在Matlab中用m语言编程实现恒转矩负载下感应电动机的失电残压计算，计算结果如图3所示。图3-A是失电残压衰减幅值时间图，横坐标是时间，纵坐标是失电残压的幅值；图3-B是失电残压衰减极坐标图，1周是360°电角度。感应电动机断电后，失电残压的幅值和频率等空间向量在不断衰减时，电源电压和失电残压空间矢量的相位差和矢量差的幅值也在不断变化。

3 基于差拍电压的快切技术在大型糖厂的应用

目前使用的快速切换技术对判定失电的响应时间较短，主要用于电源的重合闸或分段母线电源的自动切换，使用中存在一定的局限性；同期捕捉切换是2个幅值基本相等的电压源进行切换，因为失电残压的幅值不断衰减，备用电源电压与失电残压空间向量差的幅值峰出现在二者相位完全相反或相同之前，致使同期捕捉切换误差过大。残压切换至稳态所需时间较长，长延时切换至稳态所需时间最长。

备用电源电压与电机失电残压之矢量差称作差拍电压。本研究采用基于差拍电压幅值大小判定电源切换时刻的控制方法。在电源切换过程中，真正伤害电动机以及配电线路的因素是过大的冲击电流，过大的冲击电流由过大的差拍电压形成，而差拍电压是母线残压的函数，差拍电压的特性依赖于母线残压的衰减特性。

基于差拍电压幅值大小判定电源切换时刻控制方法的原理如图4所示。图4中，曲线4-1是差拍电压幅值，曲线4-2是差拍电压相位，曲线4-3是判定适合切换时刻的差拍电压幅值的整定值，通常这个整定值设1.1～1.2倍的额定电压［12］，为使切换过程尽量平稳，可设定为额定电压。图中同时给出负向电压的控制线曲线4-4，在曲线4-3与曲线4-4之间的区域进行切换，差拍电压幅值较小，引起的瞬态定子电流向量幅值的峰值也较小，瞬态电磁转矩也将先出现正峰值，并且正峰值大于负峰值，是合适的切换区域。从理论上来看，0.05 s内可实现5击切换，曲线1、曲线3和曲线4所围成的区域为理想切换区域。

4 结语

基于差拍电压幅值大小判定电源切换时刻的控制方法通过实时计算母线残压的衰减特性，具体使用时一线工人不必全面了解残压衰减特性，只要设定备用电源切换时断路器差拍电压幅值定值即可，实现快速切换极其方便，不会因压榨车间的切丝机、压榨机，锅炉车间的鼓引风机，给水间水泵等重要负荷所处母线的不同，电机容量与台数不同导致残压特性的不同而改变定值，操作方便，提高了供电的连续性和可靠性。

致谢：本文的构思和写作得益于常年在糖厂服务过程中积累的一点经验和方法，以及糖业界前辈中国轻工业联合会轻纺工程领域专家和中国电机工程学会电气工程领域专家周崇兴教授的指导，在此特表谢意！

参考文献

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