电源无扰动快速切换装置在各类供电系统的应用方案

一、问题背景与挑战
      石化、煤炭、冶金、制药等是连续性生产企业，工艺和安全生产要求流程的连续性，任何电源波动，确保交流接触器不异常释放条件下（即确保对生产和工艺流程重要的开关不异常断开），作为企业动力的供电系统出现异常时（如：系统晃电、保护动作、失电脱扣、开关偷跳、系统联跳等），系统应迅速断开异常的供电回路，快速投入备用电源，保证母线段供电不中断（或母线不失压或极短时间失压），即确保电气设备不因供电系统异常停止运转，确保整个工艺生产流程的连续、安全运行（即整个工艺生产流程不中断），即保证整个工艺生产流程过程无任何扰动，实现系统的无扰动供电。
二、原系统存在的缺陷
1.  电网结构复杂性导致的供电中断风险
      电网中安装有大量的继电保护、自动装置等，供电网络复杂，目前由于电网庞大，受自然环境影响较大，设备多，故障的概率较高，易出现供电短时间中断现象，同时我国供电系统优先保证电网的稳定，因此电压等级越低，出现供电短时间中断（晃电）的概率越高，对用电企业的影响也就越大；至电网的供电回路越少，对用电企业的影响也就越大。
2.  内部系统特性引发的电压波动
      由于化工钢铁企业中压一般为不接地系统，但是由于系统大，系统电容电流大，虽然安装消弧线圈，往往发生单相接地后，迅速发展为多相短路，母线电压将迅速波动；同时由于生产工艺的需要，往往装有大容量的整流变压器，系统中有大量的谐波，对继电保护装置、自动控制设备造成干扰，设备故障率增加，从而造成供电系统异常波动；400V保护往往是热耦、熔断器保护，故障切除时间长（一般200mS以上）；系统有大量成组自启动电机存在时，往往启动电流特别大（有时可能引起保护误动作），存在母线电压波动大、时间长；对于部分大型企业为保证供电可靠性，中压系统为并列运行，系统中任何设备故障都会引起电源波动，设备越多出现电压波动的概率越高。以上多种原因造成的系统电压出现较大波动时，极容易造成母线段上部分设备异常停车，以至于导致工艺流程出现异常，甚至流程终止，造成生产紊乱。
3.  电动机系统的脆弱性
      对系统中的电动机而言，当电压下降至70%以下时，其出力将下降至50%以下，将影响工艺流程的正常进行，许多设备都装有0.5S的低电压保护，当系统出现异常时，即使系统备自投准确动作（母线失压延时往往大于过流时间，即切换时间大于0.5S，更大于交流接触器失电脱扣时间），也就是即使切换成功，0.5S的低电压保护也已经动作了，同时系统有大量成组自启动电机时，往往自启动电流特别大（有时可能引起保护误动作），存在母线电压波动大、时间长。如：易造成同步电机失步、失磁、低电压动作而退出运行，此时备用电源只能作为保安电源了，生产工艺流程将出现中断，存在生产安全的极大隐患。
4.  中小企业的特殊问题
      对于中小化工企业而言由于没有大量的高压电机，当系统中出现电压波动时，母线的残压衰减特别快，即系统对电压波动的抵御能力差，同时由于400V开关柜中大部分采用交流接触器，交流接触器的特性为：返回电压30%~70%，在60-80mS内交流接触器就断开，各种原因引起的电压波动，极易造成交流接触器非正常分开，生产工艺流程将出现中断。
5.  同步电动机的特殊风险
      对系统中的同步电动机而言，由于励磁电源往往来自同一电源，当电源发生波动时极易出现失磁保护动作；电源电压波动时，极易造成同步电机失步，导致同步电机退出运行；另外当电源出现较长时间波动时，低电压保护将动作，导致同步电机退出运行。同步电机等重要电机退出运行，将造成生产安全的极大隐患，甚至导致严重生产安全事故。
三、系统解决方案
1.  优化供电电源配置（减少晃电概率）
      由于电网供电的稳定性很难快速得到提高，目前企业仅能从增加进线回路数来进行弥补，一般不少于两路进线，最好能够大于两路，最好有一路来自不同的变电站，进线的电压等级较高为佳，系统的稳定性也较高，最好在一条供电线路上不同时向其他用户供电，以免其他的用户事故影响到本企业。
2.  配置专业无扰动切换装置
      6kV及以上电压等级中的备自投更换为RSS-800型无扰动稳定控制装置，实现馈线一低、馈线一高、馈线二低、馈线二高、母联多开关之间的快速切换；400V电压等级中的备自投更换为RSS-810型微机无扰动切换装置，实现多开关之间的快速切换。100mS内实现切换完成，确保母线电压不下降（或母线不失压，频率下降1Hz以内，角差30°以内，残压90%以上），低电压保护不启动，交流接触器不脱扣，同时防止事故切换中两电源并列合环，工艺流程正常、连续、平稳运行，实现系统无扰动供电。（当系统出现晃电或母线欠压、保护动作、开关偷跳、系统联跳等时，保证母线段供电不中断或母线不失压，减少低压脱扣，同时极大降低成组电机自启动电流）
3.  安装TPM-MD型辅助电源模块
      400V开关柜中采用交流接触器的重要回路需要安装TPM-MD型辅助电源模块，实现当电压下降或消失时交流接触器延时脱扣，延时脱扣时间可以整定，在开关正常分合闸时不延时，不影响正常操作。同时能够降低交流接触器运行噪音以及节能80%以上。（防止交流接触器低压脱扣，即防止电压波动）
4.  同步电动机的专项保护
      对同步电动机而言，励磁电源最好来自不同电源；退出低电压保护；其励磁调节装置应具备失步检测、失步预防、失步后的保护和再整步功能，当系统发生异常时或负载过重引起失步以及系统通过无扰动切换后，通过励磁调节装置使同步电动机不中断运行。
四、需要说明的问题
1.  系统晃电问题的复杂性
      供电系统的安全可靠性属于系统问题，需要采用系统解决方案，才能达到对工艺流程和安全生产无扰动的效果。系统晃电问题不管仅采用何种控制装置都不能完全解决：① 区内故障限制：当发生区内故障时，不管何种控制装置都不动作，只能等待故障的切除，对于400V保护配置为熔断器+交流接触器模式，而熔断器断开回路时间往往大于100mS，即发生400V短路故障时，即使正确切除故障，本段母线上其他交流接触器因失压时间过长而脱扣，生产的工艺流程已经至少部分异常中断；② 动作时间限制：在事故切换过程中为防止事故的扩大，严禁合环的可能性，因此只能采用串联切换方式，而串联切换时间为分闸时间+合闸时间（大约100mS），一般都大于交流接触器失电脱扣时间60-80mS。即晃电情况下即使动作成功，大部分交流接触器已经释放，生产的工艺流程已经中断；③ 区外故障判断：区外故障切除引起的电源短暂波动，考虑系统的稳定性，此时装置一般不启动切换，而晃电时（电源失压），装置无论采用何种原理都无法判断区外故障类型，即判断时间大于区外故障切除时间（波动时间为切除故障回路时间）；此时不管采用何种控制方式，整个动作时间（为电源失压时间）已经大于100mS，即使切换成功大部分交流接触器已经释放，已经没有实际意义；④ 同步电机问题：由于系统异常引起的同步电机失步、失磁、低电压保护动作，从而导致重要负荷同步电机退出运行，以至于生产的工艺流程已经至少部分异常中断。
2.  辅助电源模块的局限性
      安装了辅助电源模块后仍需加装微机无扰动切换装置：① 成组自启动问题：交流接触器安装了辅助电源模块后，原来的非自启动回路变成了自启动回路，切换后有大量电机成组自启动，成组自启动电流的大小与备用电源投入时电机的状态有关，如果是备自投切换（失压时间长，电机接近停机），切换后其自启动电流特别大，母线电压相当低，启动时间特别长，影响其他设备的正常运转，甚至有可能引起保护误动作，使整个系统运转中断；② 低电压保护问题：辅助电源模块虽然能保证交流接触器不脱扣，但是若动作时间过长（如备自投动作时间则大于过流保护时间），往往0.5S低电压保护会动作，造成部分装有0.5S低电压保护的回路异常分开，从而造成不必要的生产工艺流程的中断；③ 同步电机保护：同步电机有失步、失磁、低电压保护，当电源异常时间长、负载变化大，容易导致同步电机退出运行。
3.  装置配置与配合要求
      多变电站配合：当上级变电站为主变并列合环运行，任一馈线故障时，各个子站母线电压同时波动，因此要求装置应能判断是电源波动还是故障，如确认故障后立即动作，电源波动不完全闭锁装置；同时在事故情况下采用串联切换，不能采用同时或并联方式，严禁在事故切换情况下并列合环的可能性，以防事故扩大。多电压等级配合：当整个供电系统存在多个电压等级时，不同电压等级的切换装置需要有级差配合，即自动装置选择性。同时需要考虑与继电保护相配合，尽量缩短装置判断时间，有利于级差配合。故障判断准确性：自动装置动作应准确快速判别是区内故障还是区外故障，根据故障区间不同采取相应处理。自动装置采用装置内部判断与装置外部继电保护判断相结合方式。严禁将不可靠快速保护作为判据，主要由于中压系统采用的保护CT为P级，在母线短路故障时，其已经处于严重饱和，由于电磁的暂态特性，此时电流的幅值、相角已经严重畸变，用作方向判别时往往准确率低，如果把区内故障判断为区外故障，动作后整个系统将崩溃。同步电机专项：对同步电动机而言，其励磁调节装置应具备失步检测、失步预防、失步后的保护和再整步功能，当系统发生异常时或负载过重引起失步以及系统通过无扰动稳定控制装置动作后，通过励磁调节装置使同步电动机不中断运行（确保同步电机连续运转，工艺流程连续稳定运行）。
五、工程实施与效益
1.  工程实施方案
      辅助电源模块施工：在系统不停电情况下，即不影响工艺流程的生产，分别对各回路进行施工（工艺流程可以调整运行方式，对改造的回路逐一停电施工），施工中只需将辅助电源模块卡在U型导槽上，每个回路加两根线即可。施工改造简单、工作量小、时间短。微机无扰动切换装置施工：可组屏安装，也可直接安装于开关柜上，任意选择方案方便的安装方案。系统调试需停电。
2.  系统优化与管理
      当系统安装设备后，还需要配合适的定值，保证装置动作的快速性、选择性、可靠性、灵敏性。同时装置具备手动操作功能，大大简化操作，减少操作失误的几率。
3.  经济效益与安全保障
      当系统出现异常时，微机无扰动切换装置的自动投入可避免停电时间过长。即使一次简单的成功的动作，也可保证系统的持续工作，从而减少停电时间，节省了昂贵的重新启动的费用，即可补偿整个系统方案的投资，同时极大地降低了安全事故的发生概率。由此，大大地提高了设备的可用性，降低成本，赢回投资，保证了生产的连续性。