SID-40B快切装置在35 kV供电系统的应用

袁桂泉 赵伟华 徐 谦 孟进福

(中冶美利浆纸公司电仪分厂，宁夏中卫，755000)

SID-40B快切装置在35 kV供电系统的应用

袁桂泉 赵伟华 徐 谦 孟进福

(中冶美利浆纸公司电仪分厂，宁夏中卫，755000)

中冶美利浆纸公司35 kV供电系统具备双回路电源供电基本条件，引进了SID-40B无扰动替续切换装置，实现35 kV供电双回路无扰动零失电快速切换。

SID-40B快切装置;供电系统;稳定性;连续性

供电网络瞬间晃电、掉电会给生产系统带来损失，造成设备停运、管道堵塞、生产流程中断、产生大量废料废品，甚至造成生产设备的损坏及微控系统程序丢失。

备用电源自动投入装置就是保证电能输送可靠、连续的一项重要技术措施。传统的备用电源自动投入装置备用回路启动条件通常是以供电主母线电压信号为判定依据，从探测出失电到备用电源投入最快1 s以上甚至更长时间，在备用电源切换过程中针对纯阻性和电感性负载已经完全处于失电状态，供电已经中断，通常纯阻性及电感性用电设备在失电200 ms之上就会停止运行。传统备用电源自投装置在设计上根本无法满足当今各类用户的要求，特别是对拥有大量电动机负荷的制浆造纸企业更是无益反害，因此在一些部门被明令禁用。但是在传统概念上，因为“检同期”等诸多因素的影响，特别是诸多用电设备的性质不同，纯阻性和电感或电容性负荷在失电后所表现的物理特征不同，电压强度按相应的时间常数逐渐衰减，快慢不同。传统的备用电源自投装置没有“检同期”功能，根本无法实现双电源“零失电”快速切换。在传统供电模式的影响下“零失电”双电源不间断快速切换似乎是不可能的。

中冶美利浆纸公司 (简称中冶美利)根据生产基本需求等诸多方面考虑，特别是根据供电可靠、连续性的要求等实际情况，引进SID-40B快速无扰动备用电源替续控制系统，具体介绍如下。

1 供电系统实现双回路零失电快速切换的必要性

中冶美利供电网络示意图见图1，供电方式采用的是双回路网络单独供电;电厂2台50 MW发电机组并网发电，经过检同期，再分别经过351B和352B 2台变压器，由10 kV升压到35 kV送入供电网络(此处电厂出线柜的母联开关DL是闭合的)。两路35 kV电源进入卡纸和化机浆变电所及其他变电所，经过变配电10 kV输出到用电系统。以化机浆变电所为例，351B线路和352B线路分别进入变电所，通过1#进线柜断路器QF0和2#进线柜断路器QF1进入供电系统，通过变压器由35 kV降到10 kV送入用户，此时的变电所母联开关DL-2是断开的，351B和352B分别单独供电、互为备用。供电网络已具备了双电源供电的基础条件。35 kV供电系统相关参数:额定功率31500 kVA，额定电流600 A，额定短路开关电流31.5 kA。

图1 中冶美利供电网络示意图

原供电网络在供电运行中，由于电厂到生产线最近的化机浆变电所的距离至少500 m以上，这段线路单回路 (351B或者352B)经常出现小故障，引起相对应的用电系统晃电、掉电、断电等事故不断发生。据统计，在未安装使用快切装置前，35 kV供电系统经常会因为以下原因导致用户系统断电跳闸:

(1)因电厂到变电所供电系统中故障点较多，引起进线电缆小电流接地故障;

(2)电厂出现小故障导致35 kV供电网络晃电;

(3)供电电缆安装时受伤或电缆质量等问题引起单回路供电中断;

(4)发电机故障或者其他原因导致单回路系统压降引起晃电;

(5)电厂CT柜出现故障引起系统断电;

(6)电厂出线柜定值保护起作用引起电厂出线柜保护动作，电闸跳停。

通常，化机浆变电所中的进线柜母联开关 (DL-2)和断路器 (QF0/QF1)相互联锁，通常是保持三选二的状态。如果正在使用的供电回路出现故障通过母联开关DL-2迅速切换到备用回路 (最快也得1 s以上)，同时断开出现故障的在用回路。在整个切换过程中用电系统已经处于失电状态，当用电系统接触器或者继电器线圈受电电压低于额定电压的10%，接触器线圈等就会脱开，许多失压保护装置起作用，所有用电器处于停电状态，生产线停止运行。用电系统在晃电、掉电时会出现以下情况:

(1)首先得到断电信号的是工控柜中PLC的通讯模块，所有受PLC控制的电器仪表控制系统停止工作。如 DCS(集散控制)、QCS(质量控制)等控制系统停止工作，生产线停止运行。所有接触器、继电器等电感性或者纯阻性元件断开导致用电设备断电，造成大量废纸产生。

(2)突然断电对开关柜电气元件的损坏。突然断电产生的浪涌对低压控制柜中精密元器件产生损害。中冶美利抄纸生产线配置的是ABB公司主传动系统，突然断电形成的浪涌及谐波多次造成逆变器保护熔断器速熔的损坏，造成整流桥整流模块的损坏，ABB主传动控制系统通讯模块损坏的比率也非常高。另外，配套整体控制系统采用DCS集散控制，QCS质量控制全部使用的是西门子PLC控制系统，突然断电造成的浪涌也会使PLC模块及通讯模块损坏。

(3)突然断电对传动设备造成的损害。最常见、最直接的就是损害网布。另外，突然断电也会对传动系统中联轴器、齿轮、轴承、减速箱造成损害。

2 实现双回路零失电快速切换的技术分析

实现供电电源无扰动快速切换，可在一个回路电源故障被保护切除时，快速且在不损害供、用电设备的前提下投入备用电源，以保证对卡纸、化机浆、环保分厂等单位不间断地供电。该控制系统不仅仅能够实现当工作电源被切除时及时投入备用电源，更重要的是保护用户的生产设备不被破坏。由于负荷的性质不同，纯阻性和电感或电容性负荷在失电后所表现的物理特征也不同，电压强度按相应的时间常数逐渐衰减。电动机的负荷母线电压衰减速度与电动机数量、容量及其拖动的机械特性有关，且失电后的电动机通过其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一个电压和频率逐渐衰减的残压。不难看到，投入备用电源必须针对不同负荷性质采取不同的对策，目的就是实现全部负荷快速重新恢复运行。

传统供电备用回路自投装置的启动条件概括起来有3个:①工作电源已断开，通常使用测试供电系统“无流”作为判断依据;②备用电源电压正常，通常使用备用电源回路“有压”作为判断依据;③负荷母线电压为零，通常使用用电系统回路“无压”作为判断依据。

显然，上述条件①、②是正确的，但条件③却是片面甚至是错误的，如负荷母线电压为零，表明高速生产线中全部负荷包括电动机在内全部停止运行，生产过程中断，此时备用电源即使投入了也无法避免生产工艺流程被中断，大量电动机自启动的条件相互制约，相互联锁，再次启动困难。传统备用自投装置设计者的初衷是担心当负荷母线电压很高时投入备用电源会损坏电气设备，特别是电动机，事实上，这一种顾虑是多余的，因电动机能长期耐受的电压制造厂家给出的数据是1.1～1.2倍额定电压，通常称此电压为电动机耐受电压。因此，只要在备用电源投入时电动机所承受的电压不超过此值那就是安全的。所以将传统的备用电源投入的条件③必须修改为负荷承受电压小于或等于耐受电压更为合理。

目前中冶美利热电厂2台发电机组总装机容量100 MW，用电负荷已达到86 MW左右，其中造纸分厂为19.65 MW、制浆分厂为18.00 MW、热电分厂为8.40 MW、环保分厂为2.25 MW，其他部门及外单位为37.50 MW。公司设备纯阻性负荷设备很多，但是在低压用电设备中有很多电机采用了变频、软启动控制等，总体上电感性或电容性储能特征的负荷占绝大部分，在失去工作电源后电路中的残压按相应的时间常数逐渐衰减。

图2所示为工作母线残压相对备用电源极坐标图，在主回路工作电源因故障并随即联切其他电源支路和电容支路后，母线上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，图2中残压U相对备用电源UB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。以往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特别是电动机，因而一定要在母线残压衰减为零时才投入备用电源，或者要在残压与备用电源间的相位差为零时投入备用电源，事实上这是不正确的。

图2 工作母线残压相对备用电源极坐标图

图3中所示是工作电源切除后备用电源电压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，当工作电源故障切除后，工作母线电压由UG0变为残压UG1、UG2、…UG6，与此同时对应产生了差电压 ΔU·=U·G-U·B的 ΔU1、ΔU2…ΔU6，随着 UB与残压UG间的相位差的增大，ΔU由小到大，再由大到小。如果在某个ΔU值时合上备用电源，可从图4中看到ΔU一部分落在备用线路或变压器的电抗XB上，另一部分落在母线上负荷 (主要是电动机)的等值阻抗XM上。一般电动机可以长期承受1.1～1.2倍额定电压，因此，只要选择合上备用电源时施加在电动机上的电压不超过这个耐受电压值，电动机就是安全的。可能担心投入备用电源时的角很大时会导致对电动机轴系的扭矩冲击，理论及实践证明电动机群虽然处在异步发电状态，但其实质上是一个没有动力源和励磁源的靠惯性发电的发电机。因此备用电源投入时会在不大的冲击下将电动机群拉入同步。在电动机群数量及容量较大的场合，角的变化速度较慢，加之装置的运算及控制速度很快，一般情况下备用电源投入时的角大约在60°以内。

图3 工作电源切除后ΔU相量图

图4 双回路接线及等值电路

3 选用SID-40B快切装置快速无扰动切换备用电源理论分析

在备用电源投入时可能与电动机群或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速断保护动作而跳闸，使替续控制失败。理论及实践证明可以通过正确选择备用电源继电保护定值解决这一问题，为此，采用了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，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实时监测工作电源与备用电源的相角差及当前的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，计算备用电源开关的合闸时间发出合闸命令完成备用电源的投入，这既保证所有电动机在转速下降不多，母线残压还很高时就重新受电，不停转，有利于迅速恢复工作。

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是已知的，这样完全可以在正常运行时通过不断测量UG和UM，由下式求出母线上全部负载实时的等值阻抗XM:

一旦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ΔU最大值ΔUmax，只要做到在达到ΔUmax之前投入备用电源就能确保所有负载的安全及快速恢复运行。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ΔUmax值，比实际投入备用电源时的ΔU值大，即实际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，还应特别指出，目前制浆造纸企业广泛使用的中大型感应电动机具有如图5中所示静态电压特性曲线。它描述电动机向电源吸收的有用功功率P及无用功功率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用功，并且有用功转矩急剧下降，这说明如果备用电源在工作母线残压下降到该临界电压Uk以下时再接入，将恶化电动机的自启动条件，甚至自启动失败并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Uk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”和“脱扣”的问题，电动机也就不会自动跳闸。基于这个原理，中冶美利选用SID-40B快速无扰动备用电源替续控制装置，能在几十毫秒内快速切换母联开关，在无扰动、零失电状态下投入备用电源。

图5 感应电动机静态电压特性

4 快切装置技术方案的选择

SID-40B无扰动替续切换装置有8种投入方案，分别是:①母联或桥开关替续控制 (暗备用);②进线替续控制 (明备用)③线路开关替续控制1(明备用);④线路开关替续控制2(明备用);⑤热备用变压器替续控制 (明备用);⑥冷备用变压器替续控制(明备用);⑦双备用替续控制 (明备用);⑧暗备用明备用可互相转换。

中冶美利根据其供电现状选用了方案①，这种方式也是厂家首选的投入方案，如图6所示。

图6 快切装置主接线图

下面仅针对选用的快切装置投入方案的逻辑控制进行详细说明:

4.1 正常运行时

QF0合位，电源351A通过QF0向Ⅰ段工作母线供电。QF1合位，电源352B通过QF1向Ⅱ段工作母线供电。母联开关DL-2断开，Ⅰ母、Ⅱ母通过母联开关形成互为备用。装置上电后，Ⅰ段、Ⅱ段母线电压大于各自失压定值，装置开始充电，10 s后充电完成，系统开始进入对故障监控状态。

4.2 非正常工况切换

(1)系统发生母线失压或断路器偷跳时，装置进行非正常工况切换，切换逻辑如下:Ⅰ段母线电压U1m出现低于母线失压定值，且超过失压启动时间后，确认Ⅰ段母线失压，在II段母线有压的情况下，跳QF0，合母联开关。

(2)Ⅱ段母线电压U2m出现低于母线失压定值，且超过失压启动时间后，确认Ⅱ段母线失压，在Ⅰ段母线有压的情况下，跳QF1，合母联开关 (仅在选择双方向切换时有效)。QF0或QF1偷跳时，补跳偷跳开关，合母联开关保证正常供电。

4.3 事故切换

在装置已完成充电后，若检测到保护启动信号，则进行事故切换，切换逻辑如下:检测到保护启动QF0跳闸信号时，随即跳QF0合母联开关保证正常供电;检测到保护启动QF1跳闸信号时，随即，跳QF1合母联开关保证正常供电。

4.4 手动切换

在检测到母联开关为合位，QF0或QF1为分位时，装置开放手动切换功能，切换逻辑如下:在母联开关、QF1为合位，且QF0为分位时，如检测到手动切换信号，跳母联开关合QF0。在母联开关、QF0为合位，且QF1为分位时，如检测到手动切换信号，跳母联开关合QF1。手动切换成功后，装置返回到正常运行模式。

经过一段时间的运行，SIB-40备用电源替续控制装置在提高供电质量方面取得了非常好的效果。

5 结语

中冶美利浆纸公司引入SIB-40备用电源替续控制系统，实现了35 kV供电双回路无扰动零失电快速切换，在一定程度上改善了35 kV供电系统供电质量的安全性、稳定性，结束了由于单回路供电轻微异常造成生产系统频繁跳停的情况。

［1］ 叶念国．电力自动装置的设计也要与时俱进［EB/OL］．http://www．szidd．com/jszcshow．asp?sendid=23．

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［3］ 张 辉，王淑梅，程金兰，等．我国制浆造纸装备科学技术的发展［J］．中国造纸，2011，30(4):55．

［4］ 李方园．浅谈纸机传动的控制方式［J］．中国造纸，2005，24(7):57．

Application of SID-40B Quick Switch Device in Power Supply System

YUAN Gui-quan*ZHAO Wei-hua XU Qian MENG Jin-fu
(MCC Meili Paper＆ Pulp Co．，Ltd．，Electric Instruments Factory，Zhongwei，Ningxia Hui Autonomous Region，755000)

Our company's production line is a modern continuous production system，any disturbance of the power supply system will cause production line sudden stagnation and heavy economic loss．35kV power supply system in our company has double circuit power supply condition．In September 2010，we introduced SID-40B uninterruptable power switch system device，realized 35 kV power supply double circuit quick switch without interference and power loss．This device is a new product which breaks through the traditional meaning of double circuit switching．

power loss;quick switch;residual voltage;the same term;phase angle;stability;continuity

TS78

B

0254-508X(2012)01-0056-05

袁桂泉先生，机械工程师;主要从事新技术应用、技改、电气设备管理及技术培训等工作。

(*E-mail:nxygq@163．com)

2011-09-07(修改稿)

(责任编辑:郭彩云)