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快速无扰动备用电源替续控制系统设计准则 |
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| 快速无扰动备用电源替续控制系统设计准则 |
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作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2008-9-24 10:28:39  |
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[摘 要] 备用电源自动投入装置（BATS）广泛用于电力系统，但是由于在设计上存在重大的错误，运行中引发了大量中断电源的事故，按新设计原则构成的SID-40A快速无扰动备用电源替续控制系统彻底解决了这些问题。
[关键词]备用电源 替续控制 耐受电压 涌流
0、引言
备用电源替续控制系统（简称TXXT）是保证供电可靠性的重要装置，何谓供电可靠性？恐怕不能认为负荷失去一个电源能再获得一个新电源就是保证供电可靠性，供电可靠性应理解为受电用户在重新获得电源后能保持失电前的生产工艺流程不受到破坏，能最大限度地继续进行正常生产。但是当今流行的备自投做不到，因为人们一直在沿用古老的备自投设计原则：即为了保证备用电源不要投到故障点上，和工作电源不要向备用电源倒送电，必须在确认工作电源已断开（根据无流判据）及工作母线完全无电压（根据无压判据）后才能投入备用电源。众所周知，当今的工业负荷包括发电厂的负荷在内，照明负荷占的比例很小，而主要是电动机负荷，例如泵、风机、粉碎机、传送带等。这些电动机在失去电源全部停转后，即使再送上备用电源，将面临很多严重的问题。例如已有很多电动机被切除；大量电动机同时自起动；有的工艺流程遭受不可逆的彻底破坏等，人们要耗费大量的时间及付出可观的代价才能恢复生产。所以备自投的设计者必须正视如何保证电动机失去电源后快速、安全再受电的问题。此外，备自投在切除工作电源的同时必须断开母线上的电源支路及电容器支路，而在投入电源时应快速完成电源支路的再同期及电容器的无涌流再投入。对于供电设备为变压器的备自投应能支持备用变压器按冷备用方式运行，以减少变压器空载能耗，为此，备自投应具备彻底抑制空投备用变压器时的励磁涌流的功能。在备用电源为暗备用时，备自投必须确保在计及当前备用电源已有负荷的前提下，置换工作电源后不致于因过载而跳闸，即备自投具有备用电源投入前自动联切负荷的功能。串联接线电网中的各变电站应具备开关状态信息的互通功能，以保证电网开环运行时，仍能通过某变电站的备自投动作实现另一变电站的备用电源自动投入。因此传统的备自投装置将演变为由一台主机控制若干智能终端的备用电源替续控制系统，以下简称TXXT，系统应用示意图如图0-1，其主要设计准则如下：
图0-1 备用电源替续控制系统示意图
1、确保工作电源切除后迅速恢复所有负荷的正常工况
1-1 确保工作电源切除后，所有负荷特别是电动机负荷能迅速恢复到正常工况传统备自投在工作电源被切除后，投入备用电源的一个重要条件是工作母线完全无电压，其目的是避免原工作电源向备用电源倒送电，母线无压意味着挂在工作母线上的照明负荷及电动机负荷已全部停止运行。显然，当备用电源投入后照明负荷能很快恢复运行，而电动机负荷将经历一次集体自起动，为了保证重要电动机的自起动，在有些场合不得不将一些电动机用低压保护切除。此外，还有一批用接触器作为电源开关的电动机，因母线已失压接触器自动脱扣断开，电动机停止运行，整个工艺流程已完全被破坏，需要付出很大的代价才能恢复正常工艺流程，究其原因就是备用电源投入不及时。
在工作电源及其他电源支路和电容支路切除后，所有电动机依靠原来的惯性及转子剩磁转入异步发电状态，也就是说在工作母线上将出现一个电压和频率在逐步下降的残压，如图1-1所示，残压V相对备用电源VB向滞后方向运动的角度θ不断增大，而残压数值也不断衰减，经过一段时间才衰减到零。过去人们担心在工作母线上有电压时投入备用电源会产生损
坏用电设备的恶果，事实上这是不正确的。
电源电压UB和残压UG的相量差电压ΔU的变化相量图，δ0是在正常工作时备用电源UB和工作母线电压UG0的初始功角，当工作电源切除后，工作母线电压由UG0变为残压UG1、UG2、UG3、UG4、UG5、UG6…，与此同时对应产生了差电压 G- B的ΔU1、ΔU2…ΔU6，随着UB与残压UG间的相位差Φ的增大，ΔU由小到大，
图1-2 工作电源切除后ΔU相量图
图1-3 TXXT主接线及等值电路
再由大到小。如果在某个ΔU值时合上备用电源，我们可从图1-3看到ΔU一部份落在备用变压器（或线路）的电抗XB上，另一部份落在负荷（电动机）等值阻抗XM上。一般电动机可以长期承受1.1~1.2倍额定电压，因此，应该选择合上备用电源时施加在电动机上的电压不超过这个值。此外，在电动机群（可用一个等值电动机代替）脱离电源瞬间要产生反电势，备用电源投入时可能与等值电动机的次暂态及暂态电势叠加而产生幅值较大的冲击电流，并可能导致备用电源继电保护动作而跳闸，使替续控制失败。理论及实践证明备用电源投入瞬间所产生的冲击电流值不仅与合闸相位角有关，还与切除工作电源时的分闸角有关。为此，我们采用了监控分、合闸角的捕捉电动机群耐受电压点的准则，实现备用电源的快速及安全切换。这样电动机就是安全的，我们称这一控制准则为捕捉电动机耐受电压点的准则，实现这个准则的方法就是TXXT实时监测工作电源切除角，随之不断测量当前的ΔU值，并根据已采样的数据预测ΔU的变化，在ΔU值增大到超过允许值之前根据捕捉到的分闸角计算出合闸角完成备用电源的投入，这既保证所有电动机不受损、不被切除，也不停转，大大有利于迅速恢复工作。尽管在投入备用电源时，母线残压UG和备用电源电压UB之间可能有一定的相位差，但因这群处在异步发电状态的电动机群，它们已无原动机为其补充动能，也无励磁机支撑其励磁。因而它们仅仅是个发出电压的发电机，会很容易地被强大的备用电源无损拉入同步。
ΔU是按备用变压器（或线路）阻抗XB与负荷阻抗XM比例进行分配的，由于工作变（或线路）的阻抗XG、备用变（或线路）的阻抗XB可预先知道，这样我们完全可以在正常运行时通过不断测量UG和UM，由下式求出负载实时的等值阻抗XM：
图1-4 感应电动机静态电压特性
一旦当工作电源因故障被切除后立即记录最后的一次XM计算值，再通过已知的XB即可计算出容许合闸的最大ΔU值，从而能确保备用电源投入的速度又快又安全。事实上，电动机在失去电源的减速过程中等值电抗XM在继续下降，也就是说按刚断电时计算的XM和已知的XG求出的备用电源投入时保证安全的最大允许ΔU值，较投入备用电源时的ΔU值小，即分配到电动机负荷两端的电压要比计算的小，故这一算法对电动机增加了更安全的保证。
此外，应特别指出，目前工业企业
广泛使用的感应电动机具有如图1-4的静态电压特性曲线，它描述电动机向电源吸收的有功功率P及无功功率Q与端电压V的关系，不难看出在电动机端电压下降到接近额定电压的60%时，电动机将大量吸取无功，并且转矩急骤下降，这说明如果备用电源在工作母线残压下降到该临界电压以下时再接入，将大大恶化电动机的自起动条件，甚至自起动失败使备用电源因过流和低电压而跳闸。因此为保证生产过程的连续性，备用电源应在临界电压之前投入。这样很多工业企业的电动机电源接触器也不再会有因备用电源投入过慢而出现所谓“晃电”的问题，电动机就不会自动跳闸。
2、TXXT必须考虑在备用电源投入时原先被切除电源支路的快速再同期问题
在很多情况下工作母线上不仅有用电的照明和电动机负荷，还可能有来自其他电源的线路，因此，TXXT必须在切除工作电源的同时切除那些有电源的线路。而在投入备用电源后随即起动为各该线路配备的快速同期控制器，以最短的时间完成这些电源线路与备用电源的再同期。这个同期控制器的重要指标是确保同期点的压差和频差满足定值要求的前提下，捕捉到第一次出现的零相角差的时机完成并网。为了加速同期速度，可放宽容许压差和容许频差的定值。同期控制器还需具备自动识别是差频同期还是同频同期的功能，以便应对可能在环网中进行同期操作的要求。
3、TXXT必须考虑在备用电源投入时快速无涌流投入原先被切除的电容器
当TXXT切除工作电源时需同时切除调压和无功补偿用的电力电容器，而在投入备用电源后应恢复电力电容器的工作，即要立即投入电容器。在切除电容器电源时可能诱发很大的电弧及过电压，其后果是损坏开关、电力电容器和其他电气设备。在给电容器重新上电时可能产生很大的充电涌流，对电网和电容器本身都产生很坏的影响。因此，需要采取无扰动投、切电容器的措施，我们使用了SID-3YL涌流抑制器，抑制器精确控制电力电容器分闸及合闸时的电压、电流相位角，实现对电弧、过电压及充电电流的最大限度抑制，这样可以实现电容器的切除和投入与TXXT切除工作电源和投入备用电源同步进行，也确保了电容器、开关及相关电气设备的安全。特别需要指出的是电容器的投切不要求使用三相分相分时操作开关，而是使用通常的三相联动开关。
SID-3YL涌流抑制专利技术是利用控制三相电压的合闸相位角，使合闸时的充电电压大小及相位与电容器在分闸时留下的剩余电压相同，实现电容器无涌流空投。这一技术支持三相联动开关，确保抑制三相充电涌流，且电容器不需专设放电设备，做到即切即投。
4、TXXT应能支持备用变压器按冷备用方式运行
众所周知，空投变压器可能引起很大的励磁涌流，并且诱发变压器差动保护误跳闸，因此，人们为了保证备用电源一次投入成功，忍痛以变压器长年带电的空载损耗为代价，选择备用变
压器为热备用方式。一般变压器的空载损耗大约为额定容量的0.1~1%，因此，一台变压器一年的空载损耗是很可观的。为了降低发、供电成本采取冷备用方式应该是一个方向。涌流抑制器
它除了可以彻底消除电容器的充电涌流，还能抑制变压器空投时产生励磁涌流。由于涌流抑制器是一项全新的技术，它将给电力系统的继电保护、安全运行和提高自动化水平带来极大的益处。
5、TXXT应能提供和获取相关电站的开关状态信息并正确实施自动操作
由TXXT控制的工作电源和备用电源的状态是替续控制的重要依据，特别是备用电源的相关信息。例如不知道当前备用电源前级电源侧的开关状态就无法确定TXXT的动作，又如几个变电站通过联络线串联起来并由两个主电源供电时有时会出现断口，有的变电站因失去备用电源就不能执行TXXT。所以要求各相关变电站的TXXT具备获取远方变电站电源和开关状态信息的远方功能，即需要将各变电站经过处理后的诸开关量状态通过通讯方式发布到相关变电站的TXXT，这样才能使各站的TXXT互相配合正确工作。
例如图5-1所提供的A、B两个变电站的接线图，每一个变电站都安装有具有获取远方信息功能的TXXT，假设当前合状态，DL3为开环点在分的运行方式是DL1、DL2、DL4为状态。如线路1故障则A站TXXT断开DL1，B站TXXT在获取DL1在分状态的信号后立即合DL3，完成TXXT操作。如线路2故障，则A站及B站的TXXT都不动作，只是DL2被保护断开。但如果再发生线路1短路，为避免B站TXXT合上DL3向故障点供电，应闭锁B站TXXT和A站TXXT。如线路3故障则仅依靠B站TXXT的当地TXXT功能即可，即切断DL4、合上DL3。变电站间需要远传的信息主要是开关量，在站内可由RS-485、CAN等现场总线汇集到以太网上作为各变电站共享信息，为提高信息的可靠性，最好使用已有的光纤通道。
图 5-1 串联接线变电站
6、TXXT必须确保在备用电源投入后不会因过载诱发全部负荷停电
对于按暗备用方式工作的TXXT，备用电源正常工作时就带有一定负荷，当工作电源失去后，备用电源除承担自身原有负荷，还要承担工作电源的全部负荷，因此，必须防止备用电
源因过载而跳闸。所以TXXT应具备对工作电源支路及备用电源支路的负荷监控功能，并赋予预先按负荷重要程度设置若干轮自动减载的功能。保证在备用电源承载能力范围内恢复对重要负荷的供电。
7、结束语
TXXT是工业企业生产过程中不可或缺的安全自动装置，其主要功能是在工作电源失去时，快速投入备用电源，以实现不破坏生产过程的工艺流程，把因停电造成的损失减到最小，甚至为零。过去那种只追求备用电源能够投上，不顾生产过程损失有多大的备自投应尽快淘汰。我们将自动同期技术；备用电源快速切换技术；涌流抑制技术；远方通讯技术及负荷在线监控技术有机地结合起来，设计了SID-40A快速无扰动备用电源替续控制系统，从根本上提高了工业企业供电的可靠性。
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