无扰动快速切换技术在石化企业应用探讨

无扰动快速切换技术在石化企业应用探讨

          ,崔万吉1,李俭华2,颜云飞2,虞江华2李浩2

1.中石化工程建设有限公司；2. 安徽合凯电气科技股份有限公司

摘要：通过电压暂降对各类敏感电气负荷的影响分析，提出无扰动快速切换技术在配电系统的应用，解决了电压暂降对敏感电气负荷安全、连续运行的影响，为保证石化企业安全稳定运行提供了重要的保障。

关键词：无扰动快速切换，电压暂降，敏感负荷

一、概述

     石化企业主要生产设备包括压缩机和各类泵等设备。这些设备的驱动用电设备主要是交流电动机、直流电动机、变频调速装置等。石化企业电力负荷和运行特点，主要表现为用电规模大，非线性负荷多，负荷冲击高，电压波动大。因此，石化企业为保证安全生产，要求电力系统运行的安全性、可靠性和连续性。

大多数石化企业电力负荷为一级负荷，按《供配电系统设计规范》（GB 50052），采用双重电源供电，并在母联开关设计备自投装置，当一路电源失电后，另一路电源通过备自投装置恢复供电。石化企业的中压一次系统接线方式大部分采用单母线分段的方式。系统图如图1所示。

二、系统运行中电压暂降问题

石化企业电力系统运行中面临主要威胁之一是电压暂降问题，这对企业安全生产产生影响严重。图1中，如果外电网发生电压暂降（系统晃电）时，即图中的短路点S，会造成工艺生产打乱，严重影响产品质量和生产安全，给企业造成较大经济损失，因此有必要对当前的电力系统供电状况进行评估，找到原因，并提出解决措施。

1、上级电力系统失电或电压暂降对安全生产的影响。

当10kV上级电力系统发生外网短路故障时，会导致10kV母线电压大幅下降，即称为“电压暂降”，电压暂降会给电力系统稳定运行带来较大影响 。

    另外企业供电系统内10kV任何一个支路出现短路也会造成整个系统的电压跌落。

2、电压暂降对电力系统运行设备的影响

2.1石化企业中电压暂降现象

大中型石化企业电压等级涉及到110kV、35kV、10（6）kV、400V。一般而言，把企业内部的中低压电网称为内网，企业外部的供电电网称为外网。

当外网发生短路或企业内网任何一个支路出现短路都会造成整个电力系统的电压跌落，而且发生短路的支路电压等级越高，影响面越大。当短路发生后，该支路的保护装置动作使断路器跳闸切除故障支路，从短路发生到故障切除的这段时间，系统电压经历从跌落到恢复的过程，即“电压暂降”。

图 2 某企业110kV外网C相短路时电压有效值录波

图2是某企业110kV外网C相短路时的现场电压有效值实录波形，由该图可以看到110kV母线电压有一段明显凹陷。该短路事故致使该企业的电动机、变频器停止运行，整个工艺生产流程被迫中断。这种短时的电压凹陷可能造成危害的程度，与该支路中的负载特性、电压凹陷的时间长短、电压降大小以及电压恢复时刻的相位角度有关。

为充分研究电压暂降过程的影响，有必要对系统内的主要敏感运行设备和执行器件的暂态特性进行研究，以便根据特性提出解决措施。

2.2 电压陡降对继电器影响

继电器广泛用于电力系统的控制，在高低压开关柜中随处可见，其中大多是电磁继电器。其基本原理是利用线圈通过电流时产生的电磁力吸合触点，电流消失时触点反弹。当继电器的控制电压因晃电产生跌落时，继电器由吸合状态变为释放，当电压恢复时，该继电器不一定自动合上，其结果是造成正常生产中断。低压控制主回路中常用的交流接触器的原理与继电器大致相同，石化行业内常用的电磁阀也类似于继电器的动作原理。

应该注意到，继电器在控制回路中动作会产生时间延迟，其延迟时间为毫秒级，1-10ms不等。因此，对于快速切换装置，继电器的延迟造成的切换速度缓慢也是一个必须考虑的因素。

一般继电器线圈电压低于额定电压的50%，时间超过1个周波就会释放，因此对于有电压陡降发生的场合，特别是控制敏感型负载的继电器，必须考虑保证继电器不能长久欠压。为了避免此类事故的发生，业内有些方案把继电器用永磁铁维持，使得该继电器不依赖外电压继续保持吸合。这虽然一定程度上对电压的短时间陡降起了防护作用，但此举更改了继电器原设计的功能，留下了其他事故隐患。

2.3电压陡降对电动机影响

企业中所用的电动机大多是异步电动机。异步电机运行时必须输入感性无功功率，也就是说其励磁电流必须从系统供给，以维持旋转磁场。当系统短路引起的“电压暂降”发生后，系统不再给异步电动机提供励磁电流，此时异步电动机变成异步发电机，原有的磁场在旋转中切割定子，产生的定子电压对外部短路点提供短路电流。从定子侧看，此时电机等效出一个短路时间常数，该常数对3MW以下的电机而言一般为30mS左右，当100mS左右原有系统提供的磁场能量即可消耗完毕。

电压暂降结束后，系统电压恢复时加到电机定子上的电压将重新建立异步机内部的旋转磁场，此时电网对异步机产生的电流将是一个6-7倍于其额定电流的冲击电流，即数字上等于其启动电流，冲击时间也约为100ms左右，即磁场建立和磁场衰减的时间。该冲击电流可能会造成电机的微机保护动作，如果是大批量电机一起启动，过大的冲击电流会造成线路主开关过流跳闸，严重情况下会因电机群瞬间吸收过多无功而使电网电压长时间过低。

因此如果能在100mS之前，特别是尽量短的时间内恢复电机的定子电压，例如如果能在15ms以内恢复电机的供电，则电机此时衰减剩余的电压和磁场能量尚在70%以上，由于时间较短，此时产生的相角差不会超过3°，则此时电机的冲击电流仅为模差所致，约为电机启动电流的30%左右，也即为额定电流的1.5-2倍，对系统的冲击不会造成保护动作。

2.4电压陡降对变频器影响

常用的变频器大都采用交-直-交电压型变频方式，图2是其原理图。

图 3 变频器整流原理图

三相全波二极管整流电路将交流电压变成脉动的直流电压，跨接在直流母线上的电容可以减小电压的脉动。在外电压不能充电时，电容的电压降落是典型的指数函数：

，其中的， Pn是电机的输出功率，C是电容值。如果直流母线的脉动电压的波纹系数是5%（电压从最大值到最小值的降落不超过5%），则42.5ms。

当电网出现电压陡降时，直流母线电压高于交流侧电压，此时二极管受到反向电压而不导通，交流侧不能向直流侧提供能量。此时电容C上存储的电场能量维持着向电机的运行，能量的输出导致电容上的电压下降，且在42.5ms时电压降到的36%左右。在电压凹陷结束的时刻，交流电压突然恢复，通过整流线路重新在直流母线上产生陡升电压，它的幅值基本上是，与电容上的当时残存的电压U之间会出现一个电压差。恢复的时刻越迟，U 就越大，电容和整流二极管上产生的电流冲击就越大，严重时会损坏电容和整流二极管。

另外一个因素是，对于低压变频器而言其控制电源，包括开关电源和模块电源，往往取自电容C，也有的直接取自前置输入母线，当陡降发生时，同前所述，会导致变频器控制失电。

为了防止此类损害，变频器中设计了保护功能，即当直流电压下降到U0的70%时，立即封锁变频器的触发脉冲，使电容器不再继续向电机提供能量，把残存的电压保持在0.7 倍的U0。如果从方程解出时间t，我们得到：

也就是说，当电压凹陷发生后15.16ms时，变频器为保护自身不被损坏，将停止工作，电容不再向外输出能量。

图4和图5是一次外网晃电短路时现场实录的波形，图4记录了整流桥交流侧电流波形，图5是直流侧母线电压的波形。电压跌落后不再有电流输入变频器，同时母线电压迅速衰减，但跌落到70%左右时突然不再跌落，是由于变频器的自我保护动作，封锁了变频器的触发脉冲，使电容输出停止，电容上的电压得以维持。

图 4 变频器交流侧电流波形

图 5变频器直流侧电压波形

2.5各种敏感负载电压暂降容忍时间总结

短路事故发生的时刻，就是电压开始暂降的时刻。内网从这一刻开始，就能感受到电压降低的异常。敏感负载能容忍的电压暂降的时间是很短的。如果不能在一定的时间内恢复电源电压，其后果或是敏感负载的运行将停止，或是敏感负载的继续运行导致大电流的冲击，继而导致跳闸。通常在电压跌落低于50%的情况下，

★ 开关电源可容忍的凹陷宽度不大于20ms。

★ 灵敏低压继电器可容忍的凹陷宽度不大于25ms。

★ 电动机群可容忍的凹陷宽度不大于30ms。

★ 变频设备可容忍的凹陷宽度不大于20ms。

超过上述时间门槛值，即使电压又恢复到了正常值，敏感负载也无法确保正常运行。

3、目前市场上的防电压陡降方法及存在问题

3.1防电压暂降交流接触器

防电压陡降交流接触器是针对普通接触器在电压跌落时自动释放的特点而改进的。简单的如节能型交流接触器，其原理是降低接触器释放电压的门槛值，比如额定电压的50%甚至20%线圈才释放。由于对于继电器线圈电压而言，电压降低至80%与降低至50%，只是极短的时间差，分析可知这种方法效果甚微，调研结果也是如此。当电压暂降发生、电压跌至接触器的维持电压以下时，模块以储能释放的方式保持接触器继续吸合，当电压恢复后又继续储能。此类接触器维持电压可调，并可预设门限时间，不依赖辅助电源。这种接触器的应用，对雷电、短时重合闸造成的瞬间电压陡降起了较好的作用，但是对永久性短路故障或者时间稍长的、其他原因造成的电压暂降或失电显然是无法发挥作用，因为其本质不具备备用电源投入功能，当负荷电源必须切换时，任何以防瞬时抖动为目的的方法措施都是无能为力。

3.2不间断电源（UPS）

目前业内采用UPS预防电压陡降的做法有2种：其一是简单小功率的UPS只给接触器的控制回路供电，这种方法与前所述的方法本质是一样的，功能结果也相同。其二是对主回路的设备，包括变频器和电动机实现电网与UPS的不间断切换，这种方法的成本代价高，而且这种方法UPS短时工作之后，也必须依靠备自投的功能切换到电网备用电源。

三、无扰动快速切换技术对系统存在问题的解决方案

根据前面分析，断路器的固有动作时间在40ms以上，不能满足变频器和开关电源15ms的要求；

1、实现敏感设备连续性运行的条件

1）必须具备两路独立的工作电源；

2）对电动机设备必须在30ms时间内完成从故障电源到备用电源的切换；

3）对变频器设备必须在20ms时间内完成从故障电源到备用电源的切换；

4）必须在电压暂降刚开始的2ms时间暂态过程内，快速识别故障类型和运行方式及切换条件，并发出切换指令；

  5）必须具备使断路器分、合闸机构动作时间足够快，才能保证电压的幅值、相位、频率变化较小，才不会对用户的敏感负荷产生较大的冲击。

2、实现首波切换的无扰动快速切换技术

基于对电压暂降现象的分析、仿真，国内已成功推出分闸时间小于5毫秒的快速切换断路器，并研发了配套控制系统，实现了总体切换时间小于15毫秒的快速切换技术，能够满足石化企业内敏感型负载的快速响应要求。

2.1首波切换无扰动快速切换技术主要特点

★ 快切控制器应用独特的瞬态算法，能在2ms内对电压和电流的突变做出及时判断，分析内网和外网故障状况，并发出相应的控制指令。

★ 快切断路器采用快速涡流驱动技术，其分闸时间小于5mS，合闸时间小于10mS。采用精确分相的控制方式，使得高速断路器各相都是在电流过零前的零点几毫秒时开断，尽量减少断路器触头电弧燃烧。断路器合闸时，可采用分相合闸控制技术，使合闸冲击电流减至最小。使得高速断路器在接到切换指令后10ms内就能完成分合闸的动作，把敏感负载的支路切换到备用电源上继续运行。

★ 判断加动作的时间可确保在12ms以内，该时间即使对要求响应速度高的变频器也能满足要求。

四、无扰动快速切换的实现方式分类

根据系统的负荷敏感程度的不同可采用三种不同切换方式。

  1、整组切换方式

该种切换方式的条件是根据整段负荷都属于一级负荷，需要在事故情况下，全部切换到备用电源来保证连续运行。

切换方式有单母线切换和单母线分段两种情况。

2、分组切换方式

该种切换方式的条件是备用电源容量有限情况下，将整段负荷一级负荷与非一级负荷进行区分，并将一级负荷进行分组归类，将全部一级负荷接入无扰动快速切换装置进行控制，在事故情况下，将一级负荷全部切换到备用电源来保证其连续运行。

3、单机切换方式

该种切换方式的条件是在备用电源容量非常有限情况下，将整段负荷中特别重要负荷接入无扰动快速切换装置进行控制，在事故情况下，将单机负荷切换到备用电源来保证其连续运行。

五、无扰动快速切换技术的切换原则

1、当区外工作电源电压在非人工操作情况下失电时，应能快速投入。

2、应保证在工作电源可靠断开后，才能投入到备用电源。

3、区内短路故障时，只能隔离故障馈线，不能投入到备用电源。

4、PT一次、二次断线时，装置不动作。

5、备用电源容量不足，应先切除一部分非敏感负荷后，才能完成切换动作。

6、装置切换的总时间小于30ms。

7、对变频和电动机混合性负荷，要以变频的时间为主，但要校验短路电流和反馈电流。

六、结论

     石化企业主要生产用电设备是交流电动机、直流电动机、变频调速装置等敏感设备，在系统外部短路或失电，电压暂降情况下，必然会出现大面积低电压动作而停电、停机直至停产事故，给石化企业带来巨大的经济损失。

    运用无扰动快速切换技术，实现故障情况下的“首波同期切换”，能够保证企业设备在事故状态下的连续性供电，极大提高了供电系统的安全性和供电可靠性，大幅降低企业在事故情况下的经济损失。因此，无扰动快速切换技术为石化企业实现提质增效，提高效益提供重要的技术保证。

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