供电电源快速切换原理及ETAP仿真策略报告.docx
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供电电源快速切换原理及ETAP仿真策略报告
供电电源快速切换原理
及ETAP仿真策略
深圳市康必达控制技术有限公司
2016．2
1.导言
微机型电源快切装置最早应用于发电厂厂用电电源快速切换上面，其对厂用电系统在失电后快速恢复供电，保证电厂正常生产起着巨大作用。
近年来，快切装置也逐渐被应用于工矿企业的供电电源的快速切换上，以取代常规备用电源自投装置。
2.切换方式
供电电源切换的方式可按开关动作顺序分类，也可按启动原因分类，还可按切换速度进行分类。
尽管绝大多数情况下，采用相同的切换方式，如正常切换采用并联方式，事故切换采用串联方式，但以下所述的其他所有方式都有实际应用的场合和应用的原因和理由。
2.1按开关动作顺序分类（动作顺序以工作电源切向备用电源为例）
.并联切换：
先合上备用电源，再跳开工作电源。
这种方式多用于正常切换，如起、停机。
并联方式另再分为并联自动和并联半自动两种，并联自动指由快切装置先合上备用开关，经短时并联后，再跳开工作电源；并联半自动指快切装置仅完成合备用，跳工作由人工完成。
并联切换母线不断电。
.串联切换：
先跳开工作电源，在确认工作开关跳开后，再合上备用电源。
母线断电时间约为备用开关合闸时间。
此种方式多用于事故切换。
.同时切换：
这种方式介于并联切换和串联切换之间。
先发跳工作命令，经短延时后再发合备用命令，短延时的目的是保证工作电源先断开、备用电源后合上。
母线断电时间大于0而小于备用开关合闸时间。
这种方式既可用于正常切换，也可用于事故切换。
2.2按启动原因分类
.手动切换：
由运行人员手动操作启动，快切装置按事先设定的手动切换方式（并联、同时、串联）进行分合闸操作。
.事故切换：
由保护出口启动，快切装置按事先设定的自动切换方式（串联或同时）进行分合闸操作。
.不正常情况自动切换：
有两种不正常情况，一是母线失压。
母线电压低于整定电压且进线无流达整定延时后，装置自行启动，并按自动方式进行切换。
二是工作电源开关误跳，由工作开关辅助接点启动切换，在合闸条件满足时合上备用电源。
2.3按切换速度或合闸条件分类
.快速切换
.同期捕捉切换
.残压切换
.长延时切换
下节将重点说明这四种切换的原理，这是本文重点和核心内容。
3四种快切切换原理
市场上所用微机快切装置主要应用下面四种快切方式：
快速切换、同期捕捉切换、残压切换、长延时切换。
3.1快速切换
假设有图1所示的供电系统，正常运行时1DL和2DL合，3DL分。
#1进线和#2进线互为备用。
当＃1进线发生故障后，必须先跳开1DL，然后合3DL，反之亦然。
以#1进线到#2进线切换为例，跳开1DL后#1母线失电，电动机将惰行。
由于负荷多为异步电动机，对单台电动机而言，电源切断后电动机定子电流变为零，转子电流逐渐衰减，由于机械惯性，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。
多台异步电机联结于同一母线时，由于各电机容量、负载等情况不同，在惰行过程中，部分异步电动机将呈异步发电机特征，而另一些呈异步电动机特征。
母线电压即为众多电动机的合成反馈电压，俗称残压，残压的频率和幅值将逐渐衰减。
通常，电动机总容量越大，残压频率和幅值衰减的速度越慢。
图1一次系统简图
以极坐标形式绘出母线残压相量变化轨迹如图2所示。
图2母线残压特性示意图
图中VD为母线残压，VS为备用电源电压，△U为备用电源电压与母线残压间的差压。
为了分析的方便，我们取一个电源系统与单台电动机为例，将备用电源系统和电动机等值电路按暂态分析模型作充分简化，忽略绕组电阻、励磁阻抗等，以等值电势VS和等值电抗XS代表备用电源系统，以等值电势VM和等值电抗XM来表示电动机，如图3所示：
图3单台电动机切换分析模型
由于单台电机在断电后定子电路开路，因此其电势VM就等于机端电压，在备用电压合上前，VM＝VD。
备用电源合上后，电动机绕组承受的电压UM为：
UM=XM/（XS＋XM）×（VS－VM）
因VM＝VD，
则（VS－VM）＝（VS－VD）＝△U
所以，UM=XM/（XS＋XM）×△U
（1）
令K＝XM/（XS＋XM），则
UM＝K△U
（2）
为保证电动机安全，UM应小于电动机的允许启动电压，设为1.1倍额定电压UDe，则有：
K△U＜1.1UDe（3）
△U（％）＜1.1/K（4）
设XS:
XM=1：
2，K＝0.67，
则△U（％）＜1.64。
图2中，以A为圆心，以1.64为半径绘出弧线A'－A''，则A'－A''的右侧为备用电源允许合闸的安全区域，左侧则为不安全区域。
若取K＝0.95，则△U（％）＜1.15，图2中B'－B''的左侧均为不安全区域，理论上K＝0～1，可见K值越大，安全区越小。
假定正常运行时工作电源与备用电源同相，其电压相量端点为A，则母线失电后残压相量端点将沿残压曲线由A向B方向移动，如能在A－B段内合上备用电源，则既能保证电动机安全，又不使电动机转速下降太多，这就是所谓的“快速切换”。
在实现快速切换时，厂用母线的电压降落、电动机转速下降都很小，备用分支自启动电流也不大。
切换过程中相关的电压、电流录波曲线如图4所示。
图4快速切换时的电流电压波形
在实际工程应用中，是否能实现快速切换，主要取决于工作电源与备用电源间的固有初始相位差△Φ0、快切装置启动的方式（保护启动等）、备用开关的固有合闸时间以及母线段当时的负载情况（相位差变化速度△Φ/△t（或频差△f））等。
例如，假定目标相位差为不大于60°，初始相位差为10°（备用电源电压超前），在合闸固有时间内平均频差为1Hz，固有合闸时间为100ms，则合闸时的相差约46°，或倒过来讲，只要启动时相差小于24°，则合上时相差小于60°；相同条件下，若初始相差大于24°，或合闸时间大于140ms，则无法保证合闸瞬间相位差小于60°。
从理论上讲，根据上述计算公式，在装置启动后，可以通过实时计算动态确定B点的位置，结合当时的其他条件，如频差、相差等，来判断是否能实现快速切换。
B点通常还是由相角来界定。
3.2同期捕捉切换
在1997年以前，国内外所有的文献和产品中，都只有快速切换、残压切换、延时切换，而没有“同期捕捉切换”。
同期捕捉切换，由原东南大学东大集团电力自动化研究所（现改制为东大金智电气和金智科技股份公司）提出，并首次成功运用于MFC2000－1型快切装置，其原理如下：
图2中，过B点后BC段为不安全区域，不允许切换。
在C点后至CD段实现的切换以前通常称为“延时切换”或“短延时切换”。
因不同的运行工况下频率或相位差的变化速度相差很大，因此用固定延时的办法很不可靠，现在已不再采用。
利用微机型快切装置的功能，实时跟踪残压的频差和角差变化，实现C-D段的切换，特别是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”。
实际工程应用时，可以做到在过零点附近很小的范围内合闸，如±5°。
以上图为例，同期捕捉切换时厂母电压为65％－70％额定电压，电动机转速不至下降很大，通常仍能顺利自启动，另外，由于两电压同相，备用电源合上时冲击电流较小，不会对设备及系统造成危害。
同期捕捉切换过程中，相关的电压电流录波曲线如图5所示。
图5同期捕捉切换时的电流电压波形
同快速切换一样，理论上可以动态确定C点的位置，抢在刚过这一点时合闸，以尽量缩短母线断电时间，但因许多现实的问题，工程实施也需要满足一定条件。
3.3残压切换
当母线电压衰减到20％－40％额定电压后实现的切换通常称为“残压切换”。
残压切换虽能保证电动机安全，但由于停电时间过长，电动机自启动成功与否、自启动时间等都将受到较大限制。
如上图情况下，残压衰减到40％的时间约为1秒，衰减到20％的时间约为1.4秒。
而对另一机组的试验结果表明，衰减到20％的时间为2秒。
残压切换过程中，相关的电流电压录波曲线如图6所示。
图6残压切换时的电流电压波形
3.4长延时切换
目前，一些大容量机组，如某些600MW机组工程，发电机出口设置开关，正常切换通过发电机出口开关完成。
当工作电源发生故障时，需切换至备用电源以便安全停机。
如备用电源的容量不足以承担全部负载，甚至不足以承担通过残压切换过去的负载的自启动，只能考虑长延时切换。
4.快切设备若干争议问题
市场上国产微机快切设备主要供应厂商为东大金智、深圳智能等，它们的快切设备在实现原理上存在许多矛盾和争议的地方。
本节主要讨论这些争议问题。
（本节主要以厂用电快切为例，工矿企业供电电源快切原理相同）
4.1厂用电快速切换与发电机自动准同期
厂用电快速切换和发电机自动准同期都是发电厂中最重要的电气操作之一，在操作对象、操作管理、功能要求、性能要求等方面有很大的不同，但在具体的实现技术上，有部分相同之处。
因此部分厂商认为：
“厂用电正常切换是地道的同期操作，应严格地按同期数学模型控制切换过程”；另外一些厂商认为这个看法存在误区，他们认为：
厂用电切换与发电机自动准同期最大的区别在于：
1）厂用电正常切换发生在发电机并网之后，同期的三要素：
频率、电压幅值和相位差无法像发电机同期那样可以调整。
.频率：
工作电源的频率与备用电源相同，不可能调、也无必要调。
.电压幅值：
正常运行时厂用电工作电源与备用电源电压幅值的一致性是由厂用电一次系统的设计来保障的，在不同运行方式下两侧电压幅值差一般较小，不影响厂用电合环。
如果电压差很大，理论上可以通过调节发电机端电压来实现，但发电机端电压首先应满足电网调度及发电机安全运行的需要，仅为满足精确同期而调发电机励磁在实际运行时是不现实和不必要的。
.相位差：
工作电源与备用电源间的相位差取决于备用电源的引接方式及电网不同运行方式下两侧电压的功角差，这是个不可控量，只能通过不同的切换方式来适应它。
而发电机自动准同期则不同，发电机并网前，频率、电压幅值、相位都可调、可控，完全可以实现精确的同期。
因此，厂用电正常切换，既不是地道的同期操作，也不可能严格按同期数学模型控制切换过程。
2）在事故切换等自动切换时，在备用电源投入前，由于工作电源已断电，电动机开始惰行，母线电压的幅值、频率将逐渐下降，与备用电源电压间的相位差持续增大，严格来说，已完全失去了与备用电源同步的可能。
另一方面，此时电动机只有转子衰减电流和惰行转速产生的交变磁场，而没有强迫励磁产生的同步磁场和力矩，如电动机转速下降不太大（一般指母线电压不低于60－65％），当备用电源投入时，新的同步磁场将很快将异步磁场拉入正常转差范围。
因此，厂用电事故切换，更不是地道的同期操作，也不可能严格按同期数学模型控制切换过程。
4.2关于正常并联切换
正常并联切换即先合上备用（工作）电源开关，后跳开工作（备用）电源开关，由于存在两个电源的短时并列，构成厂用工作电源－发电厂接入系统－电网－发电厂备用电源系统－厂用备用电源－厂用工作电源的环路，因此并联切换也称合环操作。
国内目前只有极少数电厂的厂用电切换发生在不同频率的两个独立电网之间，这种情况下不允许合环操作，而应采用同时切换或串联切换。
同频情况下，合环操作对并列点两侧电压的相位差有要求，如不大于20°。
国内有少数电厂的初始相位差在某些运行方式下超过10°，有的接近20°，这种情况下，需要当地调度中心进行合环潮流、静态安全分析计算和稳定分析计算等，以确保合环不引起系统问题。
有的厂商对这20°定值产生质疑，认为“实际上通过潮流计算完全可以获得这个闭锁角的运行值，一般运行方式下，这个允许值远不止是20°，而是更大，这意味着实现并联切换的机会更多”。
这个观点存在争议，反对的理由如下：
首先，在我国历来颁布的调度规程中，明确说明：
“合环操作，必须相位（序）相同，电压差、相位差应符合规定；应确保合环网络内，潮流变化不超过电网稳定、设备容量等方面的限制……”。
合环引起潮流的重新分配，或使某些元件减轻负载，或使某些元件增大负载，可以通过合环潮流计算校验是否过载，这是其一；合环，特别是相角差较大时的合环，将引起较大的有功扰动，对电力系统的静态稳定和动态稳定安全构成影响，必须通过复杂的稳定计算进行校验，这是其二。
因此，上述仅以潮流分布来确定合环条件的观点是片面的。
实际上，目前各地电力调度中心在进行合环时控制的相角差比20°还要小。
其次，《电力工程电气设计手册电气二次部分》，第二十二章发电厂和变电所的自动装置，有明确表述：
“……初始相角的存在、在手动并联切换时，两台变压器之间要产生环流，环流过大，对变压器是有害的……初始相角在20°时，环流的幅值大约等于变压器的额定电流……故如果厂用工作/备用变压器的引接可能使它们之间的夹角超过20°时，厂用备用电源切换装置和手动切换时应加同步检查继电器闭锁”。
4.3关于实切过程中安全区域的控制
有观点针对上述关于快速切换和同期捕捉切换的理论分析，进一步认为就取母线断电前合成负载的XM，及取备用变短路电抗作为XS，可实时计算△U的允许值，厂用电实切过程中快速切换和同期捕捉切换安全域就以该△U为界线：
“为了准确得到与厂用电运行方式相关的ΔU值，……在厂用电正常运行时不断实时测量厂用负荷的等值阻抗，直到工作分支跳闸为止，用最后的阻抗值与已知的起备变短路电抗值就很容易计算出ΔU的允许值，确保在投入备用电源瞬间电动机群所承受的电压在容许值……把“快速切换”定义在ΔU到达允许值前的整个区间内，此时投入备用电源时的相角差中可能已是100多度了……如果由于……无法实现快速切换，……继而进入Φ>180°的区间实现慢速切换，但不会去捕捉同期点，而仍然是去捕捉电动机群能耐受的ΔU点……”（以上观点由深圳智能提出，并在SID-8BT同期快切设备上得到应用）。
这个观点看起来似乎有道理，但实际上争议非常大，甚至被认为是错误的，原因在于：
1）适用模型参数错误
一般分析是以电动机暂态分析模型为基础的，电抗XM为电动机的暂态电抗。
与稳态模型相比，忽略了绕组电阻，且视转子为短路，等同于电动机处于停转状态，此时从定子侧观察到的等值电抗即为XM。
我们知道，电动机转动时，转子绕组模型中有一个代表电动机机械功率的等值电阻Rr×（1－s）/s，其中Rr为转子绕组电阻，s为转差率。
厂用电自动切换，都发生在机组运行过程中，特别时切换前，电动机的转速通常为额定转速。
母线失电前测量出的等值阻抗是转子额定转速下的稳态参数，以此来替代电动机转子静止状态下暂态参数XM，显然是错误的。
厂用母线上运行着众多的负载，从模型上看，有电动机模型、变压器模型，还有恒定阻抗模型，因此，实时测量到的等值阻抗也许仅对分析稳态潮流有意义，而要用它来代表每台电动机的暂态电抗，继而分析电动机的可承受电压，是行不通的。
2）计算公式错误
我们知道，上文所作的推导是以单台电动机投入备用电源为例的，并对电动机模型本身作了简化。
就以简化模型为基础，若以两台电动机对备用电源为模型再作分析，可以发现两台电动机绕组承受的电压是不相等的，并不是两台电动机并联的合成电抗与系统电抗之间的分压关系，而变得相对复杂了。
两台电机时的分析模型如下图7所示：
图7两台电动机分析模型
电动机1承受的电压为：
UM1＝（XM1*XM2*VS+XM1*XS*VM2-XM1*XM2*VM1-XM1*XS*VM1）/（XM1*XM2+XM1*XS+XM2*XS）。
电动机2承受的电压为:
UM2＝（XM1*XM2*VS+XM2*XS*VM1-XM1*XM2*VM2-XM2*XS*VM2）/（XM1*XM2+XM1*XS+XM2*XS）。
注意，这是相量计算，在各电势幅值相同时若相位不同计算结果将不同。
假设VS=1.0，VM1=0.8，VM2=0.7，且VS、VM1、VM2同相，XS：
XM1：
XM2=1：
2：
3，则UM1=1.0，UM2=2.1。
显然，两电动机承受的电压相差很大。
原因其实不复杂：
单台电机时，母线断电后，定子绕组开路，电动机反馈电势就等于母线机端电压，备用电压投入时，绕组承受的电压为系统电压与母线电压之间的压差在电动机电抗与系统电抗之间的分配。
两台电机时，由于工作电源断电后两台电机之间并没有相互断开，定子绕组并没有开路，两台电机的容量、特性等不同，此时很可能一台转入异步发电机运行，另一台为异步电动机运行，两台电机的定、转子磁场及电势将重新进行调整，当备用电源投入时，两台电机均转入异步电机运行，每台电机承受的电压将取决于两台电机的电抗、电势及备用电源系统的电抗和电势。
厂用母线上连接着的电动机很多，除了电动机外，还有变压器和其他负载，厂用电断电及备用电源投入的过程中，各电动机承受的电压计算异常复杂，是不能简单处理的。
3）应用过程错误
对计算模型进行定性分析：
在厂用电失电后，如有辅机电动机断开，所有电动机总的XM将增大，K值将增大，允许的△U将减少。
在残压与备用电源电压角度差进入Φ>180°的区间后，部分辅机可能被切除，这意味着按失电前等值阻抗计算出的安全区域，已经变得不安全了。
综上所述，所谓实时捕捉电动机耐受△U点的办法是缺乏理论基础的，如贸然在实际工程中应用，是完全不负责任的。
关于这个问题，相关的规程其实早已有明示，《电力工程电气设计手册电气二次部分》，第二十二章发电厂和变电所的自动装置：
“在厂用母线上接有电动机，它们的特性可能有较大的差异，合成的母线残压特性曲线与分类的电动机的相角和残压曲线之间的差异较大。
因此，按母线残压为基准来确定所有电动机是否危险是不严格的，最完善的方法是按每台电动机的技术参数和特性来计算或试验确定，这种计算很复杂，美国EBASCO公司提供的计算机程序《感应电动机母线切换》可供参考”。
基于以上原因，国内外快切生产厂家都采用相对可靠的、符合工程实际要求的厂用电切换安全控制办法。
在快速切换阶段，以最严酷的情况，即取K＝1、电动机承受的电压不超过额定电压为原则，在此原则下，安全差压△U≦UDe，由于实现快速切换时电动机断电时间很短（一般不超过4－5周波），母线电压下降不大，△U≦UDe的条件可以用更直观的方法来表示，即母线电压与备用电压间相位差不超过60°。
对于同期捕捉切换，当然也可以－60°作为目标合闸点，但综合考虑下来，0°合闸点更合适些，因为一方面这一阶段母线的频率已有一定程度的下降，母线电压与备用电压的角差变化得较快，-60°时刻与0°时刻相差时间很小，对辅机电动机自启动影响不大，但另一方面，0°时，压差要比60°小许多，合闸冲击要小得多。
采用这种方案的有SIEMENSAUE型快切、ABBPARAMID快切、ABBSUE3000型快切等。
4.4关于励磁涌流抑制
励磁涌流是指当变压器空载合闸、外部短路切除后电压突然恢复或两台变压器一台在运行，另一台投入并列（称共振励磁涌流）等情况下，引起的变压器暂态电流激增，前两种情况下，励磁涌流的大小有时可以和短路电流相比拟。
变压器停运时，即使电源断开、励磁电流变为零，但其铁心中的磁通并不为零，而是沿着其铁心的磁滞特性环降为某一剩磁值，设为Φr，因为磁通波形与电压波形一样是交变正弦波，Φr当然是有正负极性的。
当变压器再次接通时，其瞬时电压产生的磁通波形将与Φr相接。
假设接通瞬间磁通波形瞬时值本身恰好等于Φr且波形方向与剩磁回降的波形一致，则磁通波形将沿以前的磁通波形平滑地继续下去，就没有励磁涌流产生；假如Φr为正，变压器接通时磁通波形瞬时值为负最大值点，则连接的结果是一个周波后的磁通值将是磁通波形最大值与Φr之和，由于饱和现象存在，对应的励磁电流就可能高达数倍甚至数十倍变压器额定电流。
从以上分析可以发现，要控制变压器励磁涌流，一是必须跟踪剩磁Φr，而是必须控制变压器再次投入的电压瞬时（即相位）。
变压器励磁涌流是一个客观存在的现象，目前尚无有效的办法予以根除，单就开关和机构而言，合闸时间离散性造成合闸时间相差3－5ms也许很正常，但因此造成的相位误差就达54－90°，这就使控制开关合闸角度的设想成为空想。
为此，微机变压器保护想出了许多“躲”的办法，如二次谐波制动、间断角、波形对称、波形叠加、波形拟合法等等。
对开关的控制涉及到正常操作、保护跳闸、自动装置跳合闸以及分相操作等各方面，并不单纯与厂用电快切相关，或影响的不仅限于厂用电快切，如能真正做到抑制甚至消除变压器励磁涌流，将是一次划时代的进步，将彻底改变现有的变压器继电保护原理以及变压器设计、运行和管理规程。
4.5关于快速切换时间
快速切换时间主要涉及到两个方面，一是开关固有跳合闸时间，二是快切装置本身的动作时间。
就开关固有跳合闸时间而言，当然是越短越好，特别是备用电源开关的固有合闸时间越短越好。
从实际要求来说，固有合闸时间以不超过3-4周波为好，国产真空开关通常都能满足。
若切换前工作电源与备用电源基本同相，快切装置以串联方式实现快速切换时，母线断电时间在100ms以内，母线反馈电压与备用电源电压间的相位差在备用电源开关合闸瞬间一般不会超过20°-30°，这种情况下，冲击电流、自启动电流、母线电压的降落及电动机转速的下降等因素对机炉的运行带来的影响均不大。
对开关速度的过分要求是不必要的，因为快速切换阶段频差和相位差的变化较慢，速度提高10ms，相位差仅减小几度，但对机构的要求不小。
快切装置本身的固有动作时间包括其硬件固有动作时间和软件固有时间。
装置硬件固有时间主要包括开关量输入、开关量输出两部分的光隔或继电器动作时间，再加上出口跳合闸继电器的动作时间等。
软件固有时间指软件完成运算、逻辑判断、执行出口等指令必须的时间。
与开关一样，过分追求快速对快切装置来说同样是不必要的，而且是有害的。
从硬件来说，就目前的硬件技术而言，进一步提高速度意味着减少或取消继电器隔离环节，或有的厂家无视反措的要求，采用无物理断点的MOSFET继电器。
从软件来说，针对开关断流时灭弧引起的暂态电压波形畸变，必须花一定的时间进行滤波等处理；针对开关接点抖动，必须保证一定的去抖时间以保障可靠性，省却这些时间只能使装置加快几毫秒，于切换几无影响，但对装置动作可靠性来说是致命的。
5.ETAP仿真策略
正是因为有上面这些模糊不清的问题，通过ETAP仿真软件将快切暂态的全过程搞清楚就显得特别重要。
5.1仿真目标
1）各种负荷模型（电动机、变压器、容感阻和变频器等）正常运行下，从突然失去电源到母线电压降为零全过程母线电压变化规律。
2）上面过程中，各时间段突然合上备用电源，备用电源和各负荷支路电流电压变化规律。
3）通过上面两过程，分析并获得快切合闸条件和合闸时间点。
5.2仿真步骤
1）首先，建立单电动机负荷模型，仿真在正常工作时，突然失去电源后的运行状况，调整不同的电动机运行参数以获得各种电动机模型下的不同工况。
同时，还要了解加装变频器的电动机失电后的运行工况。
单电动机正常工作下突然失电后的工况是我们下一步研究的基础，因此必须搞清楚它的运行状况以及ETAP仿真软件在这方面的仿真特性及仿真结果。
2）建立两电动机负荷模型，仿真在正常工作时，突然失去电源后的运行状况，调整不同的电动机运行参数以获得不同工况，特别是要搞清楚电动机在什么情况下会按异步发电机运行，什么情况下会按异
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