浅谈厂用电切换技术的原理及影响因素

刘建成

摘 要：厂用电对工厂的安全生产、稳定运行十分重要。本文对厂用电切换的概念及切换方法进行了分析；指出目前该领域的某些误解及不足。阐述了厂用电切换的基本原理及切换方式；提出了新形势下厂用电切换模式。

关键词：厂用电切换；快速切换；电机；低电压

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.20.197

0 引言

厂用电系统对工厂生产运行安全十分重要，而厂用电切换是其中的重要环节，其目的是当厂用工作电源故障时，及时退出工作电源并投入备用电源，维持连续性生产。目前市场上个别厂家在厂用电切换问题上大谈并联、串联，并联半自动等混淆视听的概念问题，让广大用户目不暇接，无所适从。本文将在切换原理、切换方式等方面系统阐述；同时结合笔者在工程实践中的体会，就串、并联切换，系统闭锁条件等用户关心的问题谈谈自身的观点，以供有关人员参考。

1 切换原理

当厂用电断电以后，旋转负载的转速不能突变，将在短时间内继续旋转，并将转动的机械能转变为电能。由于各旋转负载的转速、转动势能等参数不一致，此时部分异步电机转入异步发电机运行工况，因此厂用母线的电压实际上是所有负载反馈电压的合成，称为母线残压，母线残压的幅值和频率将随时间逐渐衰减，残压和备用电源电压间的相位差将逐渐增大。为了清楚的表示出残压相位的变化情况，用极坐标形式画出残压相量图（见图1）。

图1中，以A为圆心，以1.64（单位长度为1）为半径绘出弧线，其右侧为备用电源合闸的安全区域。在残压曲线的段，实现的切换称之为快速切换；BC段为切换的不安全区域，不允许切换，CD段允许切换，而在整个CD段中，与的交点处，ΔU最小，我们把在该处合上备用电源的切换称为首次同相切换；母线残压经过第一次同相点后，继续下降，当残压衰减到20%～40%时实现的切换称为残压切换；母线电压进一步衰减经过残压切换点后，延时一定时间，确保母线无压后执行的切换称为延时切换。

1.1 切换选择方式的分析

厂用电切换有3种切换选择方式分别是串联切换，并联切换及同时切换；下面分析下3种切换选择方式：

串联切换：指先分工作进线断路器，确认该断路器分闸后，再合备用电源断路器，串联切换存在有以下不足：

第一：切换过程时间长，切换时间T =T1+T2+T3++T5+T2+T4+T5>190ms，已失去最好的切换时机，有可能转至最不利的切换区间，即使切换成功，其切换质量也不可观。

T1 保护继电器故障检测时间 （约45ms）

T2快切装置的动作时间 （约10ms）

T3 断路器分闸时间 （约45ms）

T4 断路器合闸时间 （约60ms）

T5 断路器辅助接点响应时间 （约10ms）

第二：母线掉电时间过长，母线掉电时间T=T5+T2+T4>80ms

第三：整个切换过程环环相扣，任何一个环节的延误或失败都影响切换效果，比如：切换过程与断路器辅助接点动作可靠性密切相关。

并联切换：指先合备用电源断路器，确认备用电源断路器合闸后，再分工作进线断路器；并联切换主要有以下限制及风险：

在切换过程中，厂用电系统短路容量增大，如在并联过程中，系统发生电气故障，将造成严重后果。且由于系统接线方式和运行方式决定了正常运行时厂用母线电压与备用电源电压间的初始相角，若该初始角较大，并联切换会因环流过大而不能执行切换；即便执行切换也面临设备损坏事故的风险。

同时切换：同时发出分、合闸指令去分工作以及合备用电源断路器，同时切换其实就是真正的快速切换，阐述如下：

决定切换模式的关键是切换启动瞬间的系统状态，根据系统状态选择最优切换模式。同时切换可以在最短的时间切断故障电源以及恢复系统供电，保证系统的连续运行及设备安全，是最优的切换模式。随着国内电力市场的发展，国家在厂网建设方面的大力投资已及国外新设备、新技术的涌入，目前国内开关行业日新月异的发展水平；断路器的可靠性已大为提高，将以往断路器的拒动概率应用在今天是不合理的。如果辅以全面的闭锁条件，比如回路监视等，将断路器拒动的情况限制在機构问题上，几率就很小了。再考虑到故障同时率，即在切换的过程中同时出现断路器机构故障的概率就更小了。国外走在我们前面的厂用电切换早已鄙弃切换对机组带来冲击，增长母线断电时间的串联切换。而我们由于过时规程、过时技术的影响，还在无原则的全面继承“备自投”时期的串联切换理念，将它嫁接在如今的快速切换上。如果断路器机构在切换过程中发生故障，我们可以采用快速自动解耦合操作将备用断路器分闸即可；这时断路器在并联时间在50ms～100ms以内，这对系统是安全的，因为设备的故障耐受时间设计为3000ms～4000ms。

关于并联切换，这种方式存在切换过程中增大系统短路容量的潜在风险。因此并联时间应越短越好。当前国内有的快切厂家鼓吹的所谓“并联半自动”：正常切换允许自动并列合上备用断路器后，再人工去跳闸另一个断路器是尤其不可取的。这种操作就是BZT时期“同期合闸，人为分闸”的简单沿袭。用在如今的快切时代，可以说是一种设计思想的倒退。

2 几个关键的数据

厂用电切换是系统工程，它涉及到保护、断路器、快切装置的设计及选择，系统配置及装置运行方式的研究，继电保护与快切整定的配合。实际工程中，需要工程设计、安装施工、设备调试、定值整定、使用维护的多方配合。任何无根据的选择或相关配合失误都是危险的。下面就几个关键问题进行阐述。

2.1 全面、系统的闭锁条件

由于快速切换整体切换完成时间在100ms内，传统的BZT切换完成时间在1500ms以上。因此，很多BZT适用的闭锁条件已经不适用于切换速度比其快100倍以上的快速切换。比如在低电压启动切换中时，引入过流启动信号来闭锁母线故障情况下的低电压启动外，还有以下闭锁条件需要考虑：

（1）分、合闸回路监视。引入全工况的分、合闸回路监视可以时刻了解断路器分、合闸控制回路情况，同时结合辅助电压完好监视，断路器手车位置监视、断路器弹簧储能监视等将断路器的拒动原因降低到其机构问题上。

（2）PT回路斷线闭锁。灵活应用低电压启动切换，可以解决许多诸如“晃电”等电源质量问题。全面、系统的PT回路断线闭锁包括PT手车位置、PT熔丝完好情况、PT二次空开监视等。

2.2 厂用电切换与减载功能的结合

对于不要求自启动和不能自启动的负载应该切除，同时结合考虑在切换中哪些负载电流最大、最不安全，以及自启动时辅机恢复快慢情况等。减载功能主要应用在以下两方面：

（1）在切换启动的瞬间，此时切去一些不重要的负载或者是容量较小的负载以减缓母线电压的下降速率。这种减载功能还可以用在启备变容量在设计时不足的场合，比如几段母线同时故障，厂用电通过快速切换同时切换到启备变上，而启备变容量又不足的情况。

（2）在慢速切换时，比如首次同相切换时，此时母线掉电时间约为0.6s，母线电压衰减至70%左右，电机转速急速下降。这时通过减掉一些负载，减缓母线电压的下降，确保重要负载继续运行。

2.3 首次同相切换时的注意事项

首次同相切换是在系统失去快速切换时机后，在母线电压变幅值、变频率、变角度的情况下，装置捕捉母线电压与备用电源的第一个同相点时进行的切换。它是快速切换的有力后备。此时，相角差θ=3600，装置提前一个合闸时间窗发出备用断路器合闸命令。首次同相切换时应注意以下2点。

（1） 断路器操作时间的设定。厂用电快速切换需要具有短操作时间的断路器，应尽量选择相同厂家、相同型号的断路器。才能保证工作电源断路器分闸快于备用电源断路器合闸操作，而系统断电时间也不至太长（一般在15s～20ms）。

由于断路器分、合闸时间具有一定离散性；还需要较准确设定断路器的分、合闸时间。如果分、合闸时间设定不准确，将导致首次同相切换时不能合闸到θ=3600附近。由于断路器操作时间随辅助电源电压的高低而不同，在鄙弃串联切换的情况下，应设置辅助电源电压100%情况下对应的断路器分、合闸操作时间。必要时，可在现场调试时，通过录波测定断路器的操作时间。

（2） 滑差闭锁。首次同相切换仅检验母线电压与备用电源的相角差是不够的。对于母线残压下降迅速，在θ=3600附近，电压幅值可能远低于70%，在较大情况下，电机转速下降迅速且此时转速也远低于正常运行转速。此时执行首次同相切换，即使合闸时的相角差很小，但此时电动机需经历一个较长的暂态过程才能进入同步运行状态，对电机、系统造成很大冲击。故此时应闭锁首次同相切换的启动。

3 结论

伴随着计算机技术、通讯技术的发展，微机型继电保护装置迅猛发展；同时随着断路器生产技术的提高。我们应该摒弃旧观念，只要系统组快切区域内，切换时间越短，则切换质量越好。通过全面、系统的工程设计、精细的安装施工、设备调试、完善定值整定配合；新型的快速切换在保证高质量的动作成功率下，还能方便用户的操作使用、减少设备维护量；降低系统操作过电压，对确保电厂的安全生产，减少事故危害都有着重要作用。

参考文献：

[1]西北电力设计院.发电厂和变电所备用电源自动投入装置（BZT）.电力工程设计手册 二次部分[M].北京：中国电力出版社.

[2]许实章.电机学[M].机械工业出版社.

[3]ABB SUE3000厂用电快速切换装置用户手册[S].