电源快速切换装置应用分析

王梦然

中国石化集团金陵石油化工有限责任公司；江苏省南京市 210046

摘要：电源快速切换装置现阶段已广泛应用于变电系统中。本文将备自投装置与电源快速切换装置的功能特点进行比较，阐述了传统备自投装置的局限性。通过介绍电源快速切换的基本原理及启动方式，分析电源快速切换装置在实际生产中的配置与应用，更好的提高供电可靠性,保证生产装置的平稳运行。

关键字：电源快速切换装置 备自投 切换

石化企业由于生产工艺流程的特殊性，具有生产连续性强、供电可靠性要求高等特点。当企业外部电网或内部各级变配电设备发生故障时，会对企业电力系统产生影响，造成设备停运、工艺流程中断等严重后果，给企业带来经济损失，甚至引发安全事故。

传统备自投装置的启动判据为母线电压和进线电流，当母线电压下降到失压定值时启动，经延时后备自投切除进线后投入母联。备自投完成切换的过程持续时间长达数秒，切换时的母线电压一般也在30%以下。此时，母线上的电动机等负荷已由低电压保护动作跳闸，对400V系统而言，低电压将造成接触器脱扣，变频器停止工作。虽然完成了备用电源的投入，但是备自投装置并没有真正起到保障供电连续性的作用，无法满足安全生产的需要。

电源快速切换装置采用母线电压、频率、相位实时跟踪技术，实现快速切换，与备自投装置相比具有更加快速、准确的优点。本文将针对电源快速切换装置的基本原理、启动方式和配置应用进行分析。

1、电源快速切换装置的基本原理

石化企业负荷多为异步电动机，当母线失电时，由于机械惯性，电动机转子转速将从额定值逐渐减速，转子电流磁场将在定子绕组中反向感应电势，形成反馈电压。此时母线电压即为众多电动机的合成反馈电压，也就是残压。残压的幅值和频率将衰减随时间逐渐衰减，残压和备用电源之间的相角差也逐渐变大，如图1所示。

图1母线残压与备用电源角差关系

母线残压的衰减有三个过程：第1阶段，母线残压幅值和角差变化较小，在此区域内合上备用电源，母线的电源降落、电动机转速下降都很小，这就是快速切换；第2阶段，当母线失电后，残压向量和备用电源电压每360°出现一次同同相点，捕捉反馈电压与备用电源电压第一次相位重合点实现合闸，这就是同期捕捉切换；第3阶段，母线残压幅值低，当衰减到20%—40%额定电压后实现的切换称为残压切换，此时电动机自启动成功率与时间都将受到较大的限制。如果能第1、2阶段投入备用电源，就可以达到母线电压降幅小、对负荷冲击尽可能小的效果。

2、电源快速切换装置的启动方式

电源快速切换装置的启动方式可分为数字量启动与模拟量启动两类，主要包括手动启动、保护启动、误跳启动、失压启动、无流启动、逆功率启动和频压启动几种方式。

2.1数字量启动方式

数字量启动方式包括手动启动、误跳启动、保护启动。

手动启动方式多用于进线检修和和故障后进线恢复时使用，由人工通过开入量启动快切装置。手动并联切换可实现进线开关之间，或进线开关与母联开关之间倒闸操作。

误跳启动用来解决本侧开关偷跳问题，当系统正常运行时，若本处于合位的开关跳开且进线电流小于无流整定值，此时判定为开关误跳，则快切装置启动，保证供电。

保护启动是将线路或变压器等电源侧设备的主保护接点接入快切装置中，当检测到电源侧差动保护或重瓦斯保护等主保护动作时，快切装置判断故障线路断开后，立即启动切换。这种启动方式是最快速的。

2.2模拟量启动方式

模拟量启动方式包括失压启动、无流启动、频压启动、逆功率启动。

失压启动主要判据为母线电压低于失压启动电压幅值，同时为防止母线PT断线造成误动，还需有进线电流小于无流整定值的辅助判据。经过一定时间延时后，快切装置启动，此延时应躲过母线或相间短路保护动作时间，一般为0.3s以上。因此，失压启动不属于快速切换的启动方式，属于后备判据。

无流启动利用电流从有到无的变位为特征，当进线发生故障且被对侧的保护跳开时，进线电流呈现下降趋势，同时频率也会下降。当装置检测到进线电流小于无流整定值，且母线频率小于无流启动频率定值时，经过一定时间延时后，快切装置启动。当CT断线时判据应不误动，低负荷运行时电压波动应不误动。

频压启动主要适用于母线上有分布式发电机的场合，当进线电源消失后，工作负荷孤网运行，工作母线的频率会偏离工频。当工频50Hz与工作母线频率的差达到整定值时，经过一定时间延时后，快切装置启动。

逆功率启动利用故障时功率方向的变化作为特征，适用于进线无快速保护的情况。为防止快切装置在区外故障时动作，逆功率启动延时应按躲过相邻线路快速保护故障切除时间加电压恢复时间整定。

3、电源快速切换装置的配置应用

某工厂高压系统主接线图如图2所示，电力系统采用35kV双回路供电，两路电源进线分别经主变压器降压至6kV后，为全厂各分变电所提供电源。

2019年，工厂35kVI段进线故障停电，导致35kVI段母线失电，6kV进线开关跳闸，6kV母联开关备自投经5s延时后动作，造成全厂122台设备停机，无法满足安全生产的需要，故在6kV母联处装设电源快速切换装置，加快母联开关的响应速度，提高用电安全可靠性。

图2某工厂高压系统主接线图

正常运行时，601开关闭合，带I段母线运行；602开关闭合，带II段母线运行，两段母线互为备用。当进线故障时，电源快速切换装置动作跳进线开关，合母联600开关，保证两段母线所带负荷不间断运行。

由上述分析可知，电源快速切换装置启动方式以保护起动为主，将变压器差动保护和非电量保护的备用出口，接入电源快速切换装置保护起动。当变压器后备保护动作时，说明母线或母线出线发生故障，此时电源快速切换装置应闭锁切换。将变压器后备保护的出口接入电源快速切换装置闭锁回路，避免将备用电源投切到故障母线处，防止因误切换造成的全所停电事故。

对于电容补偿装置，电源快速切换装置动作时应联切并联电容器。根据《并联电容器装置设计规范（GB 50227-2017）》6.2.4描述，“由于经保护装置动作而断开的电容器组在一次重合闸前的短暂时间里，电容器的剩余电压不能降低到允许值，如果设置了自动重合闸，将使电容器在残压较高的情况下，重新加压，致使电容器过电压超过允许值而损坏。”

在电源快速切换装置安装调试完成后，应通过带开关切换试验与带负荷试验检测装置的动作准确性，并根据试验报文和波形，对定值做微调，得出下一步工作要求，保证装置的稳定运行。

4、结论

本文就电源快速切换装置的基本原理及配置应用进行了阐述，通过对进线和母线电压、频率、相位的快速追踪，电源快速切换装置能够快速切除故障电源并投入备用电源，克服传统备自投装置的不足，提高供电可靠性，有利于企业安全、平稳生产。

参考文献：

[1] 金智科技股份有限公司．MFC5103A型工业企业电源快速切换装置说明书V2.06．

[2] 冯小兰、李杰、苗世华、于志国．新型电源快速切换装置在工业企业变电站的应用．电电力自动化设备，2011．

[3] 陈永亮．工业企业电源快速切换装置分析及应用．电力技术与应用，2012．

[4] 魏家勇．线路变压器和快切装置的应用设计．第五届全国石油和化工电气设计与应用论文大赛入选论文集，2021．