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低压快速切换装置
【日期】 2012年11月23日   【浏览】 [7642]
.什么是晃电
大中型企业,特别是连续生产作业型的企业,须配备完备的供电电源,多母线、多变压器、多断路器拓扑成复杂的供电系统。电压级别多涉及到110KV、35KV、10(6)KV、400V。一般而言,把企业内部的中低压电网称为内网,企业外部的供电电网称为外网,特别情况下针对某些负荷,也可以把负荷外部的电网部分统称为外网。企业供电系统内任何一个支路出现短路都会造成整个系统的电压跌落,而且发生短路的支路电压等级越高,影响面越大,跌落值也越大。短路发生后,该支路的保护装置将动作使断路器跳闸切除故障支路。从短路发生到故障切除的这段时间,系统电压经历从跌落到恢复的过程,这种现象在不同的行业有不同的叫法,有的被称为“晃电”,有的被称为“失电”,或“晃动”、“陡降”等等。

1 某企业110KV外网C相短路电压有效值录波
 
图1是某企业110KV外网C相短路时的现场电压有效值实录波形,由该图可以看到110KV母线电压有一段明显凹陷。该短路事故致使该企业的变频器停止运行,整个生产流程被迫中断。这种短时的电压凹陷可能造成危害的程度,与该支路中的负载特性、电压凹陷的时间长短、压降大小以及电压恢复时刻的相位电角度有关。高压母线电压短路后,会连锁造成低压母线电压迅速跌落,跌落的波形与图1基本相同。
在本资料中提到的晃电的定义是:当电力系统中某处发生短路,线路上的电压有明显下降;当发生短路的支路被切除后,电压恢复正常。这种电压凹陷现象我们称之为晃电。电压凹陷的时间一般在0.1秒以上,是断路器切除短路故障的时间。晃电现象在系统运行时出现的几率很高,而100ms的时间对很多连续生产型企业而言是足以造成灾难性后果的,因此需要一种专门针对消除晃电的危害而进行设计的快速切换装置,迅速判断故障类型、切除故障并快速投入备用电源。
需要说明的是,晃电与外网主线路上断线或开关误跳闸造成系统停电现象明显不同,后者所需恢复的时间很长,称之为“断电”。短路造成的晃电现象与开路造成的停电现象,线路上的电流和电压的特征有很大的不同。如图2、图3所示:图2是系统出现短路时晃电的情况。由图可见,电压降得多而快,短路电流极大;图3是主线路出现开路断电的情况,由图可见,电压降得少而慢,开路电流为零。

2 短路发生
图2 中,A是母线电压晃电时电压的瞬时值的波形,B是事故支路的短路电流波形,t是晃电的时间。
3 断电波形
 
图3中,A是开路断电前后的电压波形,B是线路上的电流。
发生断电故障在现实中出现的几率极低,如开关偷跳是概率极低的事件。事实上系统中众多支路上任意点发生短路的情况要比外网主线路出现开路的情况多得多。而目前市场上已有的快速切换装置却主要是针对断电现象设计的,是没有真正的工程意义的。
根据如上所述,着重总结指出:
★ 晃电的时间基本等于控制器判断时间+断路器的固有分闸时间+电弧自然过零时间,以目前的断路器工艺这个时间和总体不小于60ms,因此快速切换装置必须具备不同于目前常规断路器工艺的快速执行机构,并在控制判断方面缩短时间。
★ 快速切换装置必须具备快速切换至备用电源的功能,并具备常规的微机保护功能。
★ 快速切换装置针对外网短路造成的晃电现象,针对外网断路现象而设计的快切装置没有实际的工程意义。
低压负载相对高压负载对电网晃电更敏感,原因如下:
●  高压负载的控制电源一般来自于直流屏,电网晃电对其控制电源无影响;而低压负载的控制电源一般直接取自低压电网,并使用开关电源等敏感型部件。
●  高压负载的分合机构为断路器,其功能闭锁,即使控制失电仍保持原状态;而低压继电器和接触器一般不保持,如果改用自保持的方式,又会留下隐患。
●  低压负载分支数目多、电流大,可能的故障点也更多,出现晃电事故的几率更大。
综合上述因素,在低压场合使用快速切换装置更有必要,前景非常可观。
二.晃电对连续生产型企业的危害
如前所述,晃电的时间一般为100ms左右,这个时间间隔对于一般负载而言,不会造成过大危害,而对连续生产型的企业而言,这个时间却是无法容忍的。这类企业一般为石化、化工、冶金、铸造、纺织纤维、半导体加工、制药等企业,以及热电厂、核电厂等发电厂的厂用电部分。这些企业的供电电网一旦发生电压跌落,如果不能在一个最短的时间内及时投入备用电源,企业生产必然中断,给企业造成重大损失。而常规的备自投设备速度不够快,其总体切换时间不会小于100ms,无力挽救企业的损失。
首先以石化型企业为例,这类企业按照电能稳定性的要求属于一类用户,是需要重点保护的对象,一般都配备有多路外网电源。由于石化企业使用大量的电机来作为动力驱动泵、压缩机、风机等设备,控制电机一般又用继电器,一旦晃电发生,继电器欠压释放,电机失电停机。而流体失去动力会使生产的的工艺参数偏离控制指标,或发生全面停机,或损坏设备,并可能导致恶性爆炸事故。一次晃电引起的事故会给石化企业带来重大的经济损失,以石化企业的核心设备裂解装置为例说明,每一次裂解气压缩机因晃电停机时,为了保护裂解炉的炉管,会有大量的已经裂解的烃类放入火炉烧掉,为保证裂解炉管上本身的结焦不脱落,此时不能很快停止进料。一个中型以上的石化企业,从正常生产到事故停工,每小时要白白烧掉60吨以上的原料,而重新恢复生产至少需要4个小时,仅仅此4个小时的时间导致的损失就上百万。
其次以煤化工企业为例,煤气化技术的核心是气化炉,其安全连续稳定运行极为重要。高压液氧泵将液氧连续均匀的送入气化炉内确保氧煤比稳定,是气化炉运行稳定的关键。在化工生产工艺调节过程中,一般高压液氧泵是通过变频器拖动电动机来实现的。因此高压液氧泵对电机拖动系统要求极其严格:要求连续稳定运行,一旦停止运行,气化炉会因为氧煤比变化连锁跳车,引起生产系统停车;要求电动机输出力矩平均稳定,保证输出的液氧流量恒定,晃电发生时,电动机输出力矩正比于电压的平方,会随电压跌落而出现更大波动,同样会因为液氧流量、压力的变化而停车。
最后再以半导体企业为例,该行业的设备遭遇晃电时,同样可能会使设备停机,而备自投装置切换时间过长,会导致冷却装置、直流电机驱动、PLC、可调速驱动装置受电压跌落影响过大而引起工艺流程的终止,产生大量的残次品。
综上,在连续型生产企业从根本上预防并治理晃电,已经成为迫不及待的技术要求。但目前业内已有的方案,都无法从根本上解决晃电问题(详见第四部分)。所以在现阶段对生产连续性要求很高的一些企业,不得不采用双套设备互为备用的工程设计方案。这样无疑增大了工程投资和设备运行的维护,关键是这样仍然根本解决晃电造成的危害。
三.晃电对敏感负载影响的分析
连续生产型企业受晃电影响大,是因为企业的负载中包括对电压敏感的部分,而且是核心器件。各种用电负载对晃电的反应差别很大,对它们可以根据晃电产生的后果进行分类;当晃电结束后,负载能够继续正常运行的,称之为非敏感负载,比如照明、电炉等(当一个烘箱在运行中遇0.1秒的晃电,恢复后可以毫无问题地继续运行,其温度的变化是微不足道的)。在电压发生凹陷过程中以及在电压恢复的时刻,运行中断的负载,或对电路产生大电流冲击的负载,称之为敏感负载,如开关电源,电动机,变频调速电动机组,继电器等。这类负载的特点是有机械运动以及有电或磁储能元件的存在。各种敏感负载对晃电的反应机理分别在下面分析阐述。
3.1 开关电源

                   图4 开关电源及模块电源
 
图4所示的是低压负载控制中常用的开关电源及模块电源,前者常配置于低压机柜中,后者直接焊接于电路板上。与高压负载的控制不同,低压场合没有直流屏提供DC220电源,而是直接从低压电网引入相电压或线电压作为开关电源的输入。

图5 开关电源功能模块图
 
图5所示的是开关电源的功能模块图,其中对电压敏感的模块是输入过欠压保护单元和PWM控制器。因为一旦电压过高或过低,PWM控制器将无法正常工作,此时前端的输入过欠压保护单元会启动保护,开关电源将停止输出。其结果是导致低压负载的控制系统,包括各种控制器、PLC掉电,看门狗动作,控制复位甚至崩溃。一般开关电源的输入范围为176V~264V,更高级的开关电源输入范围可达85V~264V,但由于短路引起的晃电现象中的电压下降速度很快,一两个周波之后即跌至40%以下,而开关电源的欠压保护是微秒级的,因此低压负载控制的开关电源必须加以措施,使其输入交流电源不能长时间掉电。
3.2 继电器
继电器广泛用于电力系统的控制,在高低压的机柜中几乎随处可见,其中大多是电磁继电器。其基本原理是利用线圈通过电流时产生的电磁力吸合触点,电流消失时触点反弹。当继电器的控制电压因晃电产生跌落时,继电器由吸合状态变为释放,当电压恢复时,该继电器不一定自动合上,其结果仍是造成生产流程的中断。低压控制主回路中常用的交流接触器的原理与继电器大致相同,石化行业内常用的电磁阀也类似于继电器的动作原理。
应该注意到,继电器本身在控制回路中会造成时间延迟,其延迟时间为毫秒级,1~10ms不等。因此,对于快速切换装置,继电器的延迟造成的切换速度缓慢也是一个必须考虑的因素。
一般继电器线圈电压低于额定电压的50%时间超过1个周波就会释放,因此对于有晃电发生的场合,特别是控制敏感型负载的继电器,必须考虑保证继电器不能长久欠压。为了避免此类事故的发生,业内有些方案把继电器用永磁铁维持,使得该继电器不依赖外电压继续吸合。虽然一定程度上对电压的短时间陡降起了防护作用,但此举无疑更改了继电器原设计的作用,留下了其他事故隐患。这一点在4.1节会详细讲述。
3.3 电动机
工业中所用的电动机大多是异步电动机。异步电机运行时必须输入感性无功功率,也就是说其励磁电流必须从系统供给,以维持旋转磁场。当系统短路引起的晃电发生后,系统不再给异步电动机提供励磁电流,此时异步电动机变成异步发电机,原有的磁场在旋转中切割定子,产生的定子电压对外部短路点提供短路电流。从定子侧看,此时电机等效出一个短路时间常数,该常数对3MW以下的电机而言一般为30ms左右,则100ms左右原有系统提供的磁场能量即可消耗完毕。
晃电结束后,系统电压恢复时加到电机定子上的电压将重新建立异步机内部的旋转磁场,此时电网对异步机产生的电流将是一个6~7倍于其额定电流的冲击电流,即数字上等于其启动电流,冲击时间也约为100ms左右,即磁场建立和磁场衰减的时间。该冲击电流可能会造成电机的微机保护动作,如果是大量电机一起启动,过大的冲击电流会造成线路主开关过流跳闸,严重情况下会因电机群瞬间吸收过多无功而使电网电压长时间过低。
因此如果能在100ms之前,特别是尽量短的时间内恢复电机的定子电压,例如如果能在15ms以内恢复电机的供电,则电机此时衰减剩余的电压和磁场能量尚在70%以上,由于时间较短,此时产生的相角差不会超过3°,则此时电机的冲击电流仅为模差所致,约为电机启动电流的30%左右,也即为额定电流的1.5~2倍,对系统的冲击不会造成保护动作。
3.4 变频器
常用的变频器大都采用交-直-交电压型变频方式,图6是其原理图。

6 变频器整流原理图
三相全波二极管整流电路将交流电压变成脉动的直流电压,跨接在直流母线上的电容可以减小电压的脉动。在外电压不能充电时,电容的电压降落是典型的指数函数:
,其中的 , Pn是电机的输出功率,C是电容值。如果直流母线的脉动电压的波纹系数是5%(电压从最大值 到最小值的降落不超过5%),则t= 42.5ms。
当电网出现电压陡降时,直流母线电压高于交流侧电压,此时二极管受到反向电压而不导通,交流侧不能向直流侧提供能量。此时电容C上存储的电场能量 维持着向电机的运行,能量的输出导致电容上的电压下降,且在42.5ms时电压降到 的36%左右。在电压凹陷结束的时刻,交流电压突然恢复,通过整流线路重新在直流母线上产生陡升电压,它的幅值基本上是 ,与电容上的当时残存的电压U之间会出现一个电压差 。恢复的时刻越迟,DU就越大,电容和整流二极管上产生的电流冲击就越大,严重时会损坏电容和整流二极管。
另外一个因素是,对于低压变频器而言其控制电源,包括开关电源和模块电源,往往取自电容C,也有的直接取自前置输入母线,当晃电发生时,同3.1中所述,会导致变频器控制失电。
为了防止此类损害,变频器中设计了保护功能,即当直流电压 下降到U0的70%时,立即封锁变频器的触发脉冲,使电容器不再继续向电机提供能量,把残存的电压保持在0.7 倍的U0。如果从方程 解出时间t,我们得到:
也就是说,当电压凹陷发生后15.16ms时,变频器为保护自身不被损坏,将停止工作,电容不再向外输出能量。
图7和图8是一次外网晃电短路时现场实录的波形,图7记录了整流桥交流侧电流波形,图8 是直流侧母线电压的波形。电压跌落后不再有电流进入变频器,同时母线电压迅速衰减,但跌落到70%左右时突然不再跌落,是由于变频器的自我保护动作,封锁了变频器的触发脉冲,使电容输出停止,电容上的电压得以维持。
7 变频器交流侧电流波形
 
8 变频器直流侧电压波形
 
3.5 总结各种敏感负载的容忍时间
短路事故发生的时刻,就是电压开始陡降的时刻。内网从这一刻开始,就能感受到电压降低的异常。敏感负载能容忍的凹陷的时间是很短的。如果不能在一定的时间内恢复电源电压,其后果或是敏感负载的运行将停止,或是敏感负载的继续运行导致大电流的冲击,继而导致跳闸。通常在电压跌落低于50%的情况下,
★ 开关电源可容忍的凹陷宽度不大于20ms。
★ 灵敏低压继电器可容忍的凹陷宽度不大于25ms。
★ 电动机群可容忍的凹陷宽度不大于30ms。
★ 变频设备可容忍的凹陷宽度不大于20ms。
超过上述时间门槛值,即使电压又恢复到了正常值,敏感负载也无法确保正常运行了。
四.目前业内晃电预防及治理的措施
晃电对连续生产型企业的危害已经引起了足够的重视,业内已经提出了若干预防及治理晃电危害的方法及产品,下面逐一简单介绍。
4.1 防晃电交流接触器
 
防晃电交流接触器是针对普通接触器在电压跌落时自动释放的特点而改进的。简单的如节能型交流接触器,其逻辑是降低接触器释放电压的门槛值,比如额定电压的50%甚至20%线圈才释放。由于对于继电器线圈电压而言,降低至80%与降低至50%,只是极短的时间差,分析可知这种方法效果甚微,调研结果也是如此。
将上述节能型交流接触器铁心改用半硬磁钢,利用剩磁保持吸合,成为一种简单的永磁型接触器,在业内也有一定的应用。其原理与效果也与上述基本一致。
采用双线圈结构、利用储能机制的防晃电专用交流接触器目前在市场上有一定的应用。这种接触器在电压正常时储能,接触器的启动与停止与常规接触器相同。当晃电发生、电压跌至接触器的维持电压以下时,模块以储能释放的方式保持接触器继续吸合,当电压恢复后又继续储能。此类接触器维持电压可调,并可预设门限时间,不依赖辅助电源。这种接触器应用来,对雷电、短时重合闸造成的瞬间晃电起了较好的作用,但是对永久性短路故障或者时间稍长的、其他原因造成的晃电显然是无法发挥作用的,因为其本质不具备备用电源投入功能,当负荷电源必须切换时,任何以防瞬时抖动为目的的方法措施都是无能为力的。
4.2 延时模块
     防晃电延时模块与防晃电接触器的逻辑基本一致,延时模块控制交流接触器,以通过躲过晃电时电压跌落的方法达到防晃电的目的。同样,这种做法对雷电、短时重合闸造成的瞬间晃电能起到一定的作用,但其本质不具备备用电源投入功能。
4.3 分批自启动装置
分批自启动装置也是业内应对晃电的措施之一,其方法是在晃电过后,为避免大量电机群同时启动拖垮电网,采用分批延时的方法逐批启动电机。显然,这种方法是在晃电发生后电机群已经停机的情况下采取的补救措施,对于某些工艺而言,晃电已经造成危害,比如化纤流程,停机后管道凝固,需要清除管道后才能重新开工。
4.4 不间断电源(UPS)
    目前业内采用UPS预防晃电的做法有2种:其一是简单小功率的UPS只给接触器的控制回路供电,这种方法与4.1、4.2中所述的方法本质是一样的,功能结果也相同。其二是对主回路的设备,包括变频器和电动机实现电网与UPS的不间断切换,这种方法的成本代价极高,即使短时间的主回路供电,其成本也是不可想象的。而且这种方法短时之后,也必须依靠备自投的功能切换到电网备用电源。
4.5 业内宣称已有的快速切换装置
根据晃电的需求,以及上述多种措施的不足,已经有企业意识到了实现快速切换装置的必要性,宣传已经实现,并提出了快速切换、首次同相切换、剩余电压切换、延时切换等多种方式。但是分析则可发现这些‘快速切换装置’立足的基础都是错误的。
●  这些快切装置使用的是常规的断路器,却认为断路器合闸的时间在数毫秒内完成,完全脱离了现实。
●  由于断路器的固有时间和离散度,无法捕捉特定时刻进行分合闸的操作。
●  这些设备和其多种切换方式,混淆了短路和开路,认为短路状态下十多个周波后仍然有较强的电压。
如图9所示,是某公司宣传的快速切换装置中的‘首次同相切换’和‘剩余电压切换’方式的原理说明波形图,该图是典型的开路波形图,图中曲线①是母线电压波形,③和④是线路电流,可见线路电流事故期间为0,外网开路,而且被开路的负载中含有大量的电机,所以电压才会缓慢下降。

图9 某公司的快切原理示意图
 
有企业报告说,其安装的切换装置在空载时对变频系统或电动机成功地进行了切换,一旦加上负载,切换却不能成功。其原因正如前所述,电容的放电时间是输出功率的函数。输出功率越大,放电越快,反之放电越慢。空载时,输出功率几乎为零,电容上电压不降,切换当然可以从容地进行。电动机若不带负载,电压凹陷期间相位电角度差比带负载时小得多,易于切换,带上负载,则输出功率越大,越不容易切换。
五.快切装置说明
5.1 快速开关是快速切换装置的关键
当外网短路故障是晃电的主要原因时,要把内网切换到电压正常的备用外网电源上,用普通开关切换是不可能成功的。因为晃电危害的根源是普通开关切除短路支路太慢,而切换必须先将负载从故障电网上切除,然后再把它投入到正常的备用电源上,切除加上投入,切换完成两个动作比晃电切除一个动作时间必定要长,何况切投之间还要加上电流自然过零的时间。
市场上现有的中低压大容量断路器的合闸时间都大于30ms,加上控制器的采样、计算到发出分合闸指令的时间10ms左右,超过了敏感负载可以容忍的晃电时间,在晃电情况下是不能保证敏感负载的正常运行的。只有将现有的切换装置的切换时间(从事故发生到切换完成的时间)减少到敏感负载可容忍的凹陷宽度之内,晃电的危害问题才能得到解决。不提高断路器的速度,控制器发出切换指令再快,也没有意义,因为切换时间必然大于晃电时间,更大于敏感负载可容忍的时间。
对电动机而言,无论电机的机械时间常数多大,最理想的切换完成时间是在电压陡降后的30ms之内,此时的电压差不管电机的机械时间常数多大,总是低于0.5倍或更低的额定电压。对变频设备和继电器而言,15ms内完成切换,能确保其继续运行。
综合前面所述,开关的分闸与合闸动作的快慢,是晃电现象的根本,也是解决晃电危害的根本。解决企业晃电的根本在于快速切换,真正的快速切换,必须具备不同常规断路器的分合机构。同时因为执行机构的快速,电压短时下降时的幅值、相位、频率变化都不够大,都可以不做考虑。
5.2 快速切换设计纲领
基于对晃电现象的分析、仿真,及对业内已有产品的借鉴、总结,研制成功切换时间小于12毫秒的快速切换开关,并研发了配套控制系统,在业内首次实现了总体切换时间小于15毫秒的快速切换装置,完全满足目前业内任何敏感型负载的快速响应要求。拥有全部的相关专利。
快速切换控制器从电压陡降的时刻起在2ms内捕捉到电压的变化,并据此判断此次变化持续是否有可能造成敏感负载的停运或冲击,如有必要就发出切换指令。高速断路器在接到切换指令后10ms内就能完成分合闸的动作,把有敏感负载的支路切换到备用电源上继续运行。
为了在分闸时提高断路器的短路电流开断容量,提高断路器的使用寿命,切换控制器发出的是精确分相的控制指令,使得高速断路器各相都是在电流过零前的零点几毫秒时开断,尽量减少断路器触头电弧燃烧。该断路器合闸时,可采用分相合闸控制技术,使合闸冲击电流减至最小。另外快速切换控制器提供全面的常规保护。
以一套三菱110KW变频器为例,根据说明书的规定,系统失电超过15ms,变频器瞬时停电保护动作。图10到15分别是电压陡降后在10.8ms、16.1ms和18.4ms时刻,整套装置完成切换动作的交流侧电流和直流侧母线电压的现场实录波形,它们分别测试了及时切换(<15ms),临界切换(稍大于15ms)和无效切换(>>15ms)的切换效果。
对图14切换时间18.4ms交流侧电流波形-变频器停电保护动作和图15切换时间18.4ms直流侧电压波形,变频器停电保护动作无效切换波形的解释如下:变频器发出闭锁信号后,恢复的外网电源电压还能短暂地向电容充电,直到电容电压与外电压平衡后,由于变频器的正常工作脉冲已经被封锁,电机不再从变频器获得能量,电容电压保持不变,外界不输入电流到变频器。

 
10 切换时间10.8ms的交流侧电流波形
11 切换时间10.8ms的直流侧电压波形
12 切换时间16.1ms的交流侧电流波形
13 切换时间为16.1ms的直流侧电压波形
14 切换时间18.4ms交流侧电流波形-变频器停电保护动作
 
15 切换时间18.4ms直流侧电压波形,变频器停电保护动作
 
5.3 快速切换工程设计方案
针对连续型生产的企业中的敏感负载,设计了多种工程实现的方案,主要有全部负载切换方案和敏感负载切换方案。图16、图17是全部负载切换方案的2种情况,图18是敏感负载切换方案的示意图。
图16全部负载切换的方案中,敏感负载与其他低压负载同作为负载内网,K1、K2为一对切换组合。当外网电源1发生晃电,内网电压降低,流过K1的电流大于额定值且小于变压器T1提供的短路电流值时,控制器1通过采集PT和CT的信号进行计算判断,发出切换命令:K1分闸,K2合闸。以此完成切换。同理当外网电源2出现晃电时,K2分闸,K1合闸。当内网短路时变压器T1提供了很大的短路电流,控制器不发切换命令,但可以提供最快速的过流保护。
图17全部负载切换的方案中,同样敏感负载与其他低压负载同作为负载内网,K1、K3形成一对切换组合,K2、K3形成一对切换组合。当外网电源1发生晃电,内网电压降低,流过K1的电流大于额定值且小于变压器T1提供的短路电流值时,控制器1通过采集PT和CT的信号进行计算判断发切换命令:K1分闸,K3合闸。以此完成切换。同理当外网电源2出现晃电时,K2分闸,K3合闸。当内网短路时变压器T1提供了很大的短路电流,控制器不发切换命令。
此方案无需过多的工程改造,但其缺点是,外网备用电源要有很大的裕度容量来保障切换后的运行。事实上,非敏感的负载在晃电结束后可以正常运行,不必将其一起切换,此举增大了备用电源的负担,也大大增大了开关的容量。更大的缺点是,此方案在内网中非敏感负载引起的晃电时不能运用。

图16 全负载切换方案1

 图17 全负载切换方案2
 
对全负载切换方案略加改造,在外网晃电时只对敏感负载进行切换,即为敏感负载切换方案。这种保证了敏感负载的运行不被中断,而非敏感负载不进行切换,备用电源容量和开关容量可以相应减少。变频器或电动机可以多台合并成一组切换,重要的敏感负载也可以考虑用单个切换。这种方式的显著优点是,在发生外网晃电或内网中非敏感负载短路造成晃电时,都能进行切换。
如图18中,4部分敏感负载各自形成一个内网,则虚线外的部分对这4部分敏感负载而言都成为外网。K1、K3和K2、K3各形成一对变频器负载切换组合,K4、K6和K5、K6各形成一对电动机负载切换组合。当内网电压降低,流过K1电流为零,流过K4的电流增大,控制器1和4判断为外网电源1晃电故障或低压电网中的非敏感负载短路(如图a点),发切换命令:K1、K4分闸,K3、K6合闸。以此完成变频器负载和电机负载的切换。
变频器负载切换组合切换时间小于15ms,电动机负载切换组合切换时间小于30ms。之所以把变频器和电动机区别对待,是因为变频器所在的支路以外发生短路时,变频器交流侧电流为零,切换装置可以在15ms内完成切换。但电动机所在的支路以外发生短路时,需要等该支路输出的短路电流过零才能开断。所以电动机的切换时间相对于变频器要多增加电流过零时间15ms,切换装置应该在30ms内完成切换。

5.4 控制器原理
控制器可在工作电源系统发生短路故障或失电的2ms之内发出动作信号,实现两路电源的自动切换。
当本支路以外支路或外网发生短路故障时,对电动机来说,本支路的电动机向短路点反馈电流较小,电压大幅下降,以此来判定为外网短路,可以进行切换。对变频器的支路来说,电压大幅下降,变频器交流侧电压低于直流侧母线电压,该支路输入电流为零,立即进行切换。
当本支路内部发生内网短路时,短路电流较大,电压大幅下降,为内网短路。此时只能切断支路,不能把发生短路的支路切换到备用电源上去。用户可以选择是否允许快速开关启动过流保护。
当工作电源发生上级开关偷跳等停电故障时,电流为零,电压持续下降,应立即进行切换。
通过对系统电流、电压变化特征的分析,可以判断系统故障类型,从而采取相应的投切策略。本公司研发的快速算法,能在短路电流上升2mS内完成对短路电流、母线电压的计算,判断内外网短路及电压凹陷,并发出动作信号。对于有电动机的支路,控制器立即发出分闸信号和切换信号,在第一个周波的过零点切断短路电流,在30mS内完成将敏感负载从短路系统中切开、并换切到备用电源的操作。对于有变频器的支路,由于系统电压下降到低于变频器电容电压,输入电流为零,开关可在15ms内完成将变频器从短路系统中切开、并切换到备用电源上的操作。
正常运行时控制器检测工作电源各相电压,面板上显示工作电源母线各相电压和所控支路的负荷电流。若发现备用电源异常则闭锁备用电源切换回路并报警,面板显示故障状态,输出无源开关量接点信号,并通过微机通讯系统向控制中心报告故障信息。
对于雷电、重合闸造成的瞬间晃电,用户可以选择是否在原用电源恢复之后切换到原电源。
5.5 快切控制器特点
为快速切换装置研发的配套控制器,是集DSP技术与电力电子控制技术于一体的5U标准机箱,有如下特点:
A采用Rogowski 线圈测量系统电流,具有动态范围大,测量精度高的优点,且没有电磁感应式电流互感器因存在的磁饱和问题。采用霍尔传感器测量电压。
B采用16位高速、高精度AD转换器,实现高分辨数据采集。大容量CPLD和32位高速浮点DSP构成强大的运算能力,确保2ms内完成短路电流计算、电流过零电预测、电压凹陷计算。
C使用大功率电子开关直接驱动真空断路器,信号延时不大于20mS,远小于普通继电器的5~15ms的动作时间。
D 电源采用专门电磁兼容性设计,本身抗干扰性强,特别是抗晃电能力,能持续1秒续航供电。
E 除了功率电力电子器件的输出,还提供8路数字输出,可供机柜使用。
F 提供16路数字输入。
G 大彩屏人性化界面,多种功能可选。
H 提供常规的电能质量分析,有功功率、无功功率、谐波等多项指标,谐波可分析至25次。
I  提供MODBUS与其他设备进行通信。
          图19 快切控制器
 
 
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