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1、快速切换装置切换过程及原理分析摘 要：论述了母线残压变化过程，并对母线残压和备用电源间的向量关系进行了分析。介绍了快速切换装置的切换原理、切换方式及各切换方式的安全切换区间。结合具体的切换实例和数据，对切换过程进行了分析和计算。 关键词：母线残压；备用电源；切换原理；快速切换0 引言在很多大型工业企业，如石化、钢铁等企业，供电的可靠性、连续性对企业具有非常重要的意义。这些企业的用电设备一般以电动机为主，供电系统一般都有两个独立的供电电源，两路电源间可互为备用，也可一路工作、一路备用，当一路电源故障时，需要将负荷安全、快速地切换到另一路电源供电，以保证生产的连续性。如何快速安全的在两路电源间切换
2、，就显得尤为重要，快速切换装置正是为满足这一特殊要求而设计生产的。1 切换原理分析要想实现安全、快速切换，必须分析切换中的物理量变化过程和实现原理。两路电源间切换时，切换时间不能太长，不能长时间中断供电，否则即使切到备用电源供电，由于中断供电时间较长，设备已停止运转，生产将不能连续。这对连续性要求很高的生产装置来说，没有多少实际意义。而且，切换时必须考虑母线残压和备用电源间的相位、频差等关系。若切换时残压和备用电源间的相位差较大，合闸时两者间的相角差刚好为180?，则合闸瞬间产生的合成电压很大，从而在电动机上产生非常大的转矩，可能造成电动机、联轴器、机械负载等设备损坏，这是我们不愿发生的。当外
3、部电源因故中断后，假设母线上仅有一台电动机，外部输入这台电动机定子的电流将为零，转子电流将逐渐衰减，由于转子和负载的惯性以及电机磁场中储存的能量，转子转速将从断电前的运行速度逐渐减小，转子电流在定子绕组中反方向感应出电动势，形成反馈电压。当定子绕组和母线相连时，反馈电压就会反馈到母线上。当多台电动机形成电动机群连接在同一段母线上时，由于各台电机容量、惯性、负载等情况不一样，在“惰行”运转时，一部分电机将表现出发电机特性，而另一部分电机表现出电动机特性，整个电动机群将在母线上形成合成电压，这就是我们常说的母线残压。它具有动态的频率、幅值、相位，其特性与电机类型、负载特性、负载惯性等很多因素有关。
4、具体而言，母线上电动机负载的惯性越大，断电后母线频率衰减越慢，这对残压相位变化程度有直接影响。负载惯性越小，母线频率衰减越快，引起相位变化越快，母线残压和正常电源的频差增加越迅速。对全是异步电动机负载的母线而言，电动机容量越大，残压频率和幅值衰减速度越慢，衰减过程持续时间越长。若母线上同时运行有异步电动机和同步电动机，切换期间同步电动机将试图维持母线上的电压。转换期间，若电动机负载越重，母线频率衰减越快。为了说明母线残压和备用电源间的关系，引入压频比这一概念。压频比既电压和频率的比值，一般以电动机或系统的额定电压与额定频率之比作为标幺值的基准值。例如，对10KV系统，假设二次侧线电压为100V
5、，可取基准值为57.7V/50Hz = 1PU （标幺值）。母线残压和备用电源电压的向量关系如图一所示，根据向量合成原理有式中，ES是备用电源系统额定压频比，标幺值，EM是母线残压的压频比，标幺值，ER是备用电源电压和母线残压的合成向量，标幺值，是备有电源电压向量和母线残压向量的夹角，根据ANSI/IEEE C50.41-2000规定，安全切换的一个重要条件是切换合闸的瞬间ER 1.33 PU。2 切换方式分析快速切换装置一般配备以下几种切换方式：快速切换、首次同期捕捉切换、残压切换、延时切换、并联热切。并联热切属于闭环转换模式，采用“先合后分”原理，切换过程中会将两路电源并列，负载不会瞬时断
6、电，一般是有计划的人为正常切换；快速切换、首次同期捕捉切换、残压切换、延时切换则属于开环转换模式，采用“先分后和”原理，切换时不会并列两路电源，但负载有一个短时中断供电的过程。快速切换和首次同期捕捉切换速度很快，过程较短；而残压切换和延时切换的过程则相对较长，一般会造成负载停止运行，不能保证工艺生产连续。快速切换、首次同期捕捉切换、残压切换、延时切换四种切换方式在切换过程中的时区如图二所示。发生切换时，在10个波形周期内是快速切换的安全区，这也符合ANSI/ IEEE C50.41-2000对快速转换的要求。随着时间推移，母线残压与备用电源的相位差逐渐增大，退出快速切换的安全区域，当相位差第一
7、次接近360?时，进入首次同期捕捉安全区域，并在母线残压与备用电源电压向量第一次重合时合闸，合闸命令是在跟踪残压变化的基础上结合断路器固有合闸时间提前发出的。当母线残压降低到额定的20%40%以下后，进入残压切换和延时切换区域。在这两种方式下，断电时间比较长，母线残压衰减比较多，根据向量合成原理，若备用电源ES = 1PU，则只要EM 0.33PU，无论两者相角差为多少，肯定满足ER 1.33 PU。3 切换时序分析除了有不同切换方式外，快速自切装置一般还有两种切换类型可选择：串联顺序切换和 同时切换。这两种类型下，快速切换、首次同期捕捉切换、残压切换等几种切换方式的启动时间和发出分合闸命令的
8、时序等是不一样的。对美国BECKWITH公司生产的快速切换装置M4272而言，在串联顺序切换中，转换触发后延时10ms，装置发出跳闸命令，等待断路器跳闸、状态反馈回装置，装置延时4ms确认断路器已跳闸，然后同时启动快速切换、首次同期捕捉切换、残压切换三种方式，再经过30个周波的延时，启动延时切换方式。若相位、频差不满足快速切换的设定范围，快速切换不成功，将自动进入首次同期捕捉切换，若也不成功，将自动进入残压切换，再不成功，则进入延时切换。在同时切换中，转换触发后延时10ms，装置发出跳闸命令，同一时刻快速切换、首次同期捕捉切换、残压切换三种方式同时启动，不待断路器跳闸，也不待断路器状态反馈。但
9、是，断路器状态反馈回装置后，装置延时30ms才启动延时切换方式。这个过程中，若母线残压和备用电源的相位满足快速切换的参数设定，装置发出跳闸命令的同时发出合闸命令。4 切换实例及结论在某次电源故障引起的自动切换中，M4272快速切换方式触发并切换成功。切换过程中装置自动录波并采集了数据，根据设定，装置在75%低电压并延时40ms后启动，启动时相角差约为-7?，频差约为-0.02Hz。从装置启动到出口命令继电器动作（同时切换类型，同时发分合闸命令）用时约T1=5ms，从装置启动到工作电源断路器分闸，用时约T2=55ms，从装置启动到备用电源断路器合闸，整个切换过程用时约T3=67.4ms。合闸瞬间
10、，母线残压降至71.2%（41.1V），相角差为 -12.7?，频差为 -0.78Hz。因为该母线上存在大容量同步电动机，所以电压、频率等参量波动都比较小，在切换过程中，装置自动减载功能根据设定自动切除了部分负荷。从中也可计算，该型断路器分闸时间约T4=55-5=50ms，合闸时间约T5=67.4-5=62.4ms，既断路器的固有分闸时间比固有合闸时间短。合闸瞬间的电压向量由此可见，快速切换装置不仅能实现快速切换、满足连续性生产的需要，而且还能保证切换过程中不对设备造成损坏，满足了实际生产的需要，提高了企业供电的可靠性，能为企业带来合理的经济效益。参考文献1傅知兰. 电力系统电气设备选择与实用计算M. 北京，中国电力出版社，2004（1版）.2张永强. 快切装置在电厂的应用探讨J. 石油化工应用，2009，28（7）：94-97.3张宝华，周金程，周雪松，等. 快速切换装置在大型企业多电源供电系统中的应用J. 天津理工大学学报，2013，29（1）：25-28.4郑曲直，程颖. 备用电源自投装置设计、应用的若干问题J. 继电器，2003，31（8）：18-21.喻勇斌（1977-），男，汉，湖北省京山县人，本科，高级工程师，电气主管，主要从事高、低压电气设备的运行维护、瘠薄啊试验等方面的管理工作。
