基于電源快速切換的工業(yè)企業(yè)低壓母線連續(xù)供電研究

孫希玉

（本鋼設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，遼寧 本溪 117000）

電源快速切換裝置在發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)的應(yīng)用已有多年，早已得到行業(yè)認可，在確保發(fā)電廠廠用電負荷的連續(xù)及安全運行上發(fā)揮了巨大的作用。一方面大量參與連續(xù)化生產(chǎn)的電動機存在使其對系統(tǒng)的供電可靠性要求很高，工業(yè)企業(yè)中低壓母線供電的原則:既要保證連續(xù)供電，又要保證設(shè)備安全。低壓母線一般采用單母分段方式，另一方面這些電動機的故障或不良起動增加了內(nèi)部故障的概率，所以解決此問題的一個重要方面就是如何使電源不中斷。工業(yè)企業(yè)供配電系統(tǒng)是為其生產(chǎn)服務(wù)的專用供配電系統(tǒng)，既是變電樞紐。低壓電機的非計劃停機除了因自身故障以外，正常運行時兩臺變壓器各帶一段母線，由另一臺變壓器帶所有負荷繼續(xù)運行。

1 電源快速切換基本原理

由于各電動機的容量、參數(shù)不一致，電動機之間將有電磁能與動能的交換，此時部分異步電動機實際上已轉(zhuǎn)入異步發(fā)電機運行工況，因此工作母線的電壓即是多臺異步發(fā)電機發(fā)出的反饋電壓的合成，稱為母線殘壓。切換邏輯是指跳開工作開關(guān)和合上備用開關(guān)的順序，主要有串聯(lián)切換、同時切換和并聯(lián)切換。所謂起動邏輯，就是裝置起動電源切換的條件判據(jù)，電動機在短時間內(nèi)將繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，并將磁場能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。電源快速切換主要由起動邏輯、切換邏輯和實現(xiàn)邏輯等三部分組成。實現(xiàn)邏輯就是什么條件下發(fā)合備用開關(guān)命令的判據(jù)，由于大量旋轉(zhuǎn)負荷的存在，造成不必要的重起動，主要有保護起動、無流起動、變位起動及失壓起動等。而快切可以化弊為利，利用殘壓緩慢變化的特性，實現(xiàn)快速切換或同期捕捉切換，配合一定的外部電路，殘壓的幅值和頻率將隨時間逐漸衰減，殘壓與備用電源電壓間的相位將逐漸增大。為保證切換安全，一般應(yīng)使合閘時電動機承受的電壓，通過負荷預(yù)測，將大大減少電動機重起動次數(shù)。工作電源故障時裝置的根本目標是既要在工作母線電壓幅值較高的時候?qū)溆秒娫赐度?，適時將備用電源投入，達到工作母線電壓降幅最小、對負荷沖擊盡可能小的效果。更要確保投入時對負荷設(shè)備的沖擊在允許范圍之內(nèi)。快切裝置應(yīng)用于400V電源切換，毫無疑問是一個更好的解決方案。

2 低壓母線連續(xù)供電方案

2.1 電動機的重起動

電動機重起動作為電動機保護控制器的一項重要功能，不僅與電源有關(guān)，而且與生產(chǎn)工藝有關(guān)。連續(xù)運行的電動機在系統(tǒng)短暫失電時，為了盡快恢復(fù)工藝流程，電源恢復(fù)時可以自動重新起動。電動機重起動需要很大的容量，決定再起動的是系統(tǒng)容量和電動機母線允許的壓降，電動機的分批起動也是由這些因素決定的。在失壓重起過程中，電動機是從失速到增速的過程。要避免這種沖擊，若在短時間內(nèi)無法切換至備用電源，在兩側(cè)進線都失電的情況下，這些都會造成系統(tǒng)的短時失電。短時失電可能是本級電源切換引起的，在電源恢復(fù)后重新起動。也可能是上級電源故障引起的電源恢復(fù)后，需要電動機的再起動來實現(xiàn)設(shè)備的連續(xù)化生產(chǎn)。電源若超過了一定時間不曾恢復(fù)，當(dāng)電源恢復(fù)時，由于電動機的轉(zhuǎn)速無法突變，造成電磁功率和機械功率的不平衡，以免發(fā)生人員傷亡和設(shè)備損壞。這將會造成很大的力矩沖擊，有些負荷因工藝要求不能承受這樣的沖擊。快切取代備自投后，快切可能在個別情況下快速切換不成功。

2.2 低壓母線應(yīng)用遇到的問題

鑒于電源快速切換在工企中高壓電壓等級得到了很好的應(yīng)用，由于母線電壓故障相電壓接近于0，考慮能否同樣可以用在低壓來解決因故障導(dǎo)致的停機問題。通過在兩個鋼鐵廠低壓母線進行的試用研究，發(fā)現(xiàn)單獨應(yīng)用電源快速切換存在很大的問題，很難在電源故障情況下實現(xiàn)不停機的電源切換。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，接觸器線圈電壓通常額定220V，目前約定俗成的做法都是直接由低壓母線經(jīng)隔離變得到。由于釋放延時太短，相關(guān)接觸器主觸頭可能在變壓器主保護動作前就跳開。相對于低壓電機，這樣的時間足夠?qū)⑹щ娯摵赊D(zhuǎn)移到備用電源。而面對幾乎沒有延時的接觸器，可能在電源快速切換起動之前接觸器主觸頭就已跳開，如果發(fā)生金屬性接地或兩相短路等嚴重故障時，單憑電源快速切換根本無法實現(xiàn)在故障情況下的低壓電機不停機切換。

3 解決方案

3.1 采用UPS電源交流接觸器

基于UPS電源的交流接觸器抗晃電技術(shù)是應(yīng)用成熟的UPS技術(shù)，為低壓配電柜的二次控制部分提供可靠的電源。另外，當(dāng)配電柜的主母線失電超過一定的時間后，提供的可靠電源正常工作，結(jié)構(gòu)簡單，在低壓配電柜里構(gòu)建獨立的供電系統(tǒng)，則根據(jù)該系統(tǒng)二次控制部分設(shè)定斷開輸出，避免事故的發(fā)生。根據(jù)系統(tǒng)特點和設(shè)定保持主觸頭的吸合，避免了由于晃電的發(fā)生引起的電機停機甩負荷事故。該系統(tǒng)可以可靠地防止由于晃電帶來的不必要的停機甩負荷事故的發(fā)生，在系統(tǒng)發(fā)生短時的晃電時，接觸器的線圈能夠依靠UPS，二次控制回路不增加接線難度、適合配備于多數(shù)量回路有抗晃電要求的配電柜中。

3.2 采用抗晃電交流接觸器

抗晃電交流接觸器是一個雙線圈的交流接觸器，在晃電情況下，交流接觸器的啟停和常規(guī)交流接觸器沒有任何區(qū)別，若工作電壓降低到接觸器的保持電壓以下時，控制模塊開始工作，以儲能釋放的形式保持接觸器繼續(xù)吸合，電源正常情況下，控制模塊處于儲能狀態(tài)，當(dāng)電源電壓恢復(fù)后，控制模塊又轉(zhuǎn)入儲能狀態(tài)。

結(jié)論

在大量旋轉(zhuǎn)負荷的母線上，備自投顯然不適合進行電源切換。對外部電路做些調(diào)整，提出一個完整的解決方案，使低壓電機在面對電源故障情況下也可實現(xiàn)不停機的電源切換，將電源快速切換裝置與經(jīng)過防晃電設(shè)計的交流接觸器配合。快切的參與可以做到母線瞬時斷電而電動機不掉電。電動機保護控制器中的失壓重起功能，快切可以更好地勝任。針對在該電壓等級應(yīng)用遇到的問題，可以使電動機在短時斷電實現(xiàn)分批起動，為企業(yè)的連續(xù)生產(chǎn)及安全運行提供了一套行之有效的方案。

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