合理设计及正确使用电力自控设备是安全发供电的重要保证
叶念国 翁乐阳
[摘要] 发电、供电及用电的规模随着国民经济的发展在飞速扩大，伴随的技术及安全问题也日益突出，基于电力系统故障所引发的严重后果，铸就了电力工作者对“安全”超乎寻常的关注。与关注相伴的另一突出表现则是“保守”，其后果是因循守旧，以致使那些早已与当今电力系统要求格格不入的过时技术、过时规程及过时产品还大量地充斥在发电厂、变电站和用户中，事故频出就是这些过时“古董”诱发的必然结果。面对当前及今后电力系统的现状和发展趋势，人们必须以创新、求实的精神，重新考察现有的继电保护自动装置，合理设计与系统发展相适应的产品，并在广大电力工作者中树立尊重科学、勇于创新、无私无畏的求实精神。本文通过剖析电力系统广泛使用的同期装置、备用电源自动投入装置在设计上的片面性及其危害性，提出新的设计准则。同时介绍具有广泛应用前景的励磁涌流抑制器的原理及应用。
[关键词] 同期 快切 备自投 励磁涌流抑制
0 引言
电能是一种特殊形态的工业产品，其生产、运输、分配及使用和常规产品有极大的差异，诸如电能不可储存，现买现卖；故障以光速蔓延；停电事故殃及千家万户；电厂是国民经济中的能耗大户等等都赋予电力工作者一项重要的使命，即在保安全发、供电的前提下实现高效益。电力系统中的机组容量越来越大，电压等级越来越高，网络结构越来越复杂，因而对支撑其正常运转的技术要求也越来越高。然而，人们出于种种原因，将“保安全”演变为“保守”，无形中流行着技术越老越可靠的思潮，导致在发电厂、变电站及受电用户中不仅生产设备的技术更新受阻，而且人们的技术观点更新停滞不前，致使相同的事故频频发生，而人们束手无策。因此抛弃抱残守缺、明哲保身的观点，直面现实成为当今电力系统安全、高效运行的关键。
1 正确认识自动同期操作实现真正的无人值班
同期操作是电力系统中经常面对而且非常重要的一项操作，实现同期操作自动化是保证系统安全的重要措施之一。然而长期以来人们对同期操作的理解仅仅局限在发电机并入系统的操作，或是两弧立系统通过联络线并列。事实上同期操作应理解为：联接两个交流电源的操作，如图1-1，不仅通过断路器A将发电机G1并入系统，以及当输电线L1停运时通过断路器B或J将发电机G1与系统S并列是同期操作。而且在线路L2、L3运行时，通过断路器C或D将线路L1投入运行也是同期操作，因这一操作同样是联接两个电源的操作。
图1-1 环网示意图
但是通过A将G1并入系统和通过B（J）将G1与S并列这种同期操作的特点是：断路器A和B（J）合上之前其两侧的频率是不相同的，即两侧的电源是各自独立的，我们称此操作为差频同期。而通过C（D）进同期操作时，断路器两侧的电压频率是相同的，因G1、S、G2三个电源在C（D）合上前已经联通了，我们称此操作为同频同期。显然，差频同期遵循的同期准则是：断路器两侧的电压差△U、频率差△f值小于给定值时，捕捉相位差
接近或等于0时完成合闸操作。而同频同期所遵循的准则则不同，我们在断路器C（D）合闸前其两侧只有电压差和相角差，没有频差，而相角差的值不象差频同期那样不断在0º-180º-360º之间变化，而是个基本不变的角度。以图1-2（a）为例，如双回线中L2停运，即断路器C断开，A、B、D合上，发电
图1-2（a） 一个简单的双回路输电线示例
机G通过升压变T及线路L1向系统S传送功率。当L1的传送功率增加到一定数值时将使L1的稳定储备下降，S侧的电压降低，以及L1的线损增大。为此需要投运L2，在合上断路器C之前，我们会在C两侧测量到存在一定的电压差，及某一个角度
，不是差频同期时的相位差而 是功角，的数值随L1传输的功率增大而增大。图1-2（b）及（c）是系统等值电路图及相量图，
图1-2（b）
发电机G输出电磁功率PE的表达式可写成：
式中 
进而可画出相应的系统功角特性曲线，如图1-3所示，当传输功率P小于最大功率PM时系统运行是稳定的，其判据是
>0。当P越出PM时，即>90º，此时
<0，输电线两侧电源将失步而出现振荡。
因此，在进行同频同期操作时应受制于断路器C两侧的压差及功角数值，压差过大，合闸后将引起大量的无功功率交换，功角过大时合闸则会使新投入的线路L2分流过多的负荷，甚至引起L2线路保护再次跳开断路器C。长期以来人们对合环操作（同频同期）怀有畏惧心态，认为在断路器两侧有角差时合闸引起的环流是可怕的，所以几乎在所有能出现合环操作的断路器合闸回路中，都串联了一个同期检查继电器的接点。以便当功角大于整定值（一般取20º至30º）时闭锁合闸回路，这就是说放弃合环操作。显然，这是错误的。对于允许合闸的功角是可以通过潮流计算来确定的，因合环操作或称同频同期操作所引起的结果就是新投入的线路要分流运行线路一部份负荷，只要其分流负荷不致引起新投入线路的继电保护跳闸，这个操作就是容许的，与最大允许分流负荷对应的功角就是用来闭锁合闸回路的允许功角。解决了这一问题就可以彻底解决当前大量变电站线路的同频同期操作。
不难看到，如果将合环操作的合闸闭锁角定值一律设置为20º或30º，这就意味着在图1-2（a）中运行线路L1在轻负荷时因在断路器C两侧检测到功角小于20º或30º，具备合环操作条件。而当L1的负荷增大到已危及系统稳定，或是末端电压过低，线损很大，正是迫切需要投入L2进行分流时，而断路器C的合闸回路已因功角超过20º或30º被闭锁，无法投运，这不就是见死不救吗？通过潮流计算确定允许功角的定值往往会比30º大很多，也就是说能大大改善系统稳定性，提高电压质量、降低线损。
至此，必定会引起人们质疑当今的同期装置，难道自动同期装置仅仅是为发电机并网用的吗？显然同期操作是联接两个交流电源的操作，那么合环操作也是同期操作，事实上在发电厂和变电站中合环操作（同频同期）比差频同期的概率大得多，而至今没有引起人们重视，当前在发电厂中有90%以上的断路器不能自动合闸，在变电站中几乎100%的断路器不能自动合闸的现实就是明证，人们一直在规避合环操作，万不得已就是在无任何依据的情况下盲目进行合环操作，因此而造成的事故并不少见。所以必须纠正人们对同期操作理解的片面性，并且必须对传统的自动同期装置进行改造，使其能适应差频同期和同频同期的双重需要。
对传统同期装置的改造最主要的内容就是赋予其自动识别同期性质的功能，因在电站中同一个断路器在系统运行方式变化时，其同期操作的性质也会跟着变化。从图1-2（a）中可以看到，当L1、L2两条线路都在停运状态时，如要投入L2，此时可先对断路器D进行线路检无压合闸的操作，然后对断路器C进行差频同期操作，即在压差和频差满足定值要求后，捕捉两侧电压相位差为零的时机合上C。如L1在投运状态时要投入L2，则在D进行线路检无压合闸操作后，在C进行同频同期操作，即在C两侧电压的压差和功角满足定值要求时立即进行合闸操作。当今我们所见到的各类自动同期装置产品，要么根本漠视同频同期操作的存在，要么是由人工整定同期性质。显然，这是极端错误的，前者将造成电站大量的断路器不能实现自动合闸，后者则会造成因运行方式改变使同期性质与原整定值不符而造成误操作，甚至引发事故。例如原整定值为同频同期（他们常用“线路”表示），而当前运行方式变化后同期性质为差频同期，但装置却在相角差等于允许功角定值时合闸，从而引发非同期合闸的事故。
我们SID-2系列同期装置是当今唯一具有自动识别同期性质功能的同期装置，装置按当时的识别结果实施相应的控制。自动识别的基本方法是在给定的时段（时间窗）内如同期点两侧电压的频差始终保持在规定的频差（我们称之为同频阈值）之内，则判为同频同期，否则为差频同期。不难想到选择合理的时间窗及同频阈值是关系到识别精确性的重要参数，对此我们作过长期的实时数据统计工作，获取了大量不同系统的定值依据。不难想到一旦同期装置具备自动识别同期性质的功能后，不论是发电厂或是变电站中所有有同期需求的断路器都可以实现自动合闸，变电站的无人值班也就真正的成为现实了。
2 认真审视备用电源自动投入装置的设计错误
备用电源自动投入装置（简称备自投）在电力系统中得到了广泛应用，作为一项保证连续供电的设备理应将其主要功能定位在“连续供电”上，但事实上传统的备自投装置未能做到这一点，其症结在于设计思想的片面性。归纳起来当今的备自投需作以下原则性更正：
2-1 确保工作电源切除后，所有负荷特别是电动机负荷能迅速恢复到正常工况
传统备自投在工作电源被切除后，投入备用电源的一个重要条件是工作母线完全无电压，其目的是避免原工作电源向备用电源倒送电，这就意味着挂在工作母线上的照明负荷及电动机负荷已全部停止运行。显然，当备用电源投入后照明负荷能很快恢复运行，而电动机负荷将经历一次集体自起动，为了保证重要电动机的自起动，在有些场合不得不将一些电动机用低压保护切除。还有一批接触器作为电源开关的电动机，因母线已失压接触器自动断开，电动机停止运行，整个工艺流程已完全被破坏，需要付出很大的代价才能恢复正常工艺流程，究其原因就是备用电源恢复投入不及时。
在工作电源切除后，所有电动机依靠原来的惯性及转子剩磁转入异步发电状态，也就是说在工作母线上将出现一个电压和频率在逐步下降的残压，如图2-1所示，残压V相对备用电源VB运动的角度θ不断增大，而电压数值不断衰减，经过一段时间才衰减到零。过去人们担心在工作母线上有电压时投入备用电源会产生损坏用电设备的恶果，事实上这是不正确的。图2-2是在工作电源切除后备用电源电压UB和残压UG的相量差电压ΔU的变化相量图，δ0是在正常工作时备用电源UB和工作母线电压UG0的初始功角，当工作
图2-2 工作电源切除后ΔU相量图
电源切除后，工作母线电压由UG0变为残压UG1、UG2、UG3、UG4、UG5、UG6…，与此同时对应产生了差电压
G-
B，随着UB与残压间的相位差Φ的增大，ΔU由小到大，再由大到小。如果在某个ΔU值时合上备用电源，我们可从图2-3看到ΔU一部份落在备用变压器（或线路）
图2-3 备自投主接线及等值电路
的电抗XB上，另一部份落在负荷（电动机）等值阻抗XM上。一般电动机可以长期承受1.1~1.2倍额定电压，因此，只要选择合上备用电源时施加在电动机上的电压不超过这个值，电动机就是安全的，我们称这一控制准则是捕捉电动机耐受电压点的准则，实现这个准则的方法就是在工作电源切除后，备自投装置不断测量当前的ΔU值，并根据已采样的数据预测ΔU的变化，只要保证在ΔU值增大到超过允许值之前完成备用电源的投入就能既保证所有电动机不被切除，也不停转，这就大大有利于迅速恢复工作。
ΔU是按备用变压器（或线路）阻抗XB与负荷阻抗XM比例进行分配的，由于工作变（或线路）的阻抗XG、备用变（或线路）的阻抗XB可预先知道，这样我们完全可以在正常运行时通过不断测量UG和UM，由下式求出负载阻抗XM：
，一旦当工作电源切除立即记录最后的一次XM计算值，再通过已知的XB即可计算出容许合闸的最大ΔU值，确保备用电源投入的速度又快又安全。
此外，应特别指出，目前工业企业广泛使用的感应电动机具有如图2-4的静态电压特性曲线，它描述电动机向电源吸收的有功功率P及无功功率Q与端电压V的关系，不难看出在电动机端电压下降到接近额定电压的60%时，电动机将大量吸取无功，并且转矩急骤下降，这说明如果备用电源在工作母线残压下降到该临界电压以下时再接入，将大大恶化电动机的自起动条件，甚至自起动失败使备用电源因过流和低电压而跳闸。因此为保证生产过程的连续性，备用电源应在临界电压之前投入。这样在很多工业企业的电动机电源接触器也不会因此出现所谓的“幌电”而自动跳闸。当然，使用永磁自愈接触器可避免“幌电”带来的危害。
图2-4 感应电动机静态电压特性
2-2 备自投装置必须考虑在备用电源投入时的同期问题
在很多情况下工作母线上不仅有用电的照明和电动机负荷，还可能有来自其他电源的线路，因此，备自投装置必须在切除工作电源的同时切除那些有电源的线路。而在投入备用电源的同时起动为各该线路配备的快速同期控制器，以最短的时间完成这些电源线路与备用电源的再同期。这个同期控制器的重要指标是确保同期点的压差和频差满足定值要求的前提下，捕捉到第一次出现的零相角差的时机完成并网。为了加速同期速度，可放宽容许压差和容许频差的定值。同期控制器还需具备自动识别是差频同期还是同频同期的功能，以便应对可能在环网中进行同期操作的要求。
2-3 变压器的备自投装置应能支持备用变压器按冷备用方式运行
众所周知，空投变压器可能引起很大的励磁涌流，并且诱发变压器差动保护误动跳闸，因此，人们为了保证备用电源一次投入成功，忍痛以变压器长年处在有空载损耗的热备用状态为代价，选择备用变压器为热备用方式。一般变压器的空载损耗大约为额定容量的1%，因此，一台变压器一年的空载损耗是很可观的。为了降低发、供电成本采取冷备用方式应该是一个方向。我们将一个励磁涌流抑制器技术的发明专利转化为一项新产品——励磁涌流抑制器，它可以彻底杜绝变压器空投时产生励磁涌流。将这种抑制器与备自投联动即可实现备用变压器按冷备用方式运行。
2-4 备自投装置应能获取相关变电站状态信息的远方功能
由备自投装置控制的工作电源和备用电源的状态是备自投动作的重要依据，特别是备用电源的相关信息。例如不知道当前备用电源前级电源侧的开关状态就无法确定备自投的动作，又如几个变电站通过联络线串联起来并由两个主电源供电时有时会出现断口，这几个变电站就不能同时使用备自投。所以要求变电站的备自投具备获取相关变电站电源和开关状态的远方功能，即需要将各变电站经过处理后的诸开关量状态通过通讯方式发布到相关变电站的备自投，这样才能使各站的备自投正确工作。
例如图2-5所提供的A、B两个变电站的接线图，每一个变电站都安装有具有获取远方信
图 2-5
息功能的备自投，假设当前的运行方式是DL1、DL2、DL4为合状态，DL3为开环点在分状态。如线路1故障则A站备自投断开DL1，B站备自投在获取DL1在分状态的信号后立即合DL3，完成备自投操作。如线路2故障，则A站及B站的备自投都不动作，但如果再发生线路1短路，为避免B站备自投合上DL3向故障点供电，应闭锁B站备自投和A站备自投。如线路3故障则仅依靠B站备自投的当地备自投功能即可，即切断DL4、合上DL3。变电站间需要远传的信息主要是开关量，在站内可由RS-485、CAN等现场总线汇集到以太网上作为各变电站共享信息，为提高信息的可靠性，最好使用已有的光纤通道。
2-5 备自投装置要确保无扰动投切电容器
当备自投切除电源时需同时切除无功补偿用的电力电容器，而在投入备用电源后应恢复电力电容器的工作，即要投入电容器。在切除电容器电源时可能诱发很大的电弧及过电压，其后果是损坏开关、电力电容器和其他电气设备。在给电容器重新上电时可能产生很大的充电电流，对电网电压和电容器本身都产生很坏的影响。因此，需要采取无扰动投、切电容器的措施，我们使用了SID-3YL涌流抑制器，抑制器精确控制电力电容器分闸及合闸时的电压、电流相位角，实现对电弧、过电压及充电电流的最大限度抑制，这样可以实现电容器的切除和投入与备自投装置切除工作电源和投入备用电源同步进行，也确保了电容器、开关及相关电气设备的安全。特别需要指出的是电容器的投切不要求使用三相分相分时操作开关，而是使用通常的三相联动开关。
3 涌流抑制器是保证电站安全、经济运行的重要手段
空投电容器可能产生极大的充电电流，切除时可能产生很强的电弧和过电压，这会导致设备损坏。同样空投变压器也可能产生极大的励磁涌流，引起继电保护装置误动，使空投失败。不论是电容器或是变压器它们有一个共同特征，即都是储能元件，在外施电压骤增或骤降时会诱发一个暂态过程，涌流就是这一暂态过程的表现。涌流不仅威胁电力系统运行的安全性，还会使经济性受到影响，例如备用变压器作为备用电源本可以按冷备用方式运行，但为了躲避励磁涌流，不得不以承担可观的空载损耗为代价让备用变压器工作在经常带电的热备用方式。
由于抑制电容器或变压器涌流有相似的机理，下面只简要的介绍励磁涌流的抑制原理。
在电力变压器空载接入电源时及变压器出线发生故障被继电保护装置切除时，因变压器感受到外施电压的骤增而产生有时数值极大的励磁涌流。励磁涌流不仅峰值大，且含有极多的谐波及直流分量。由此对电网造成如下极为不利的影响：
1．引发变压器的继电保护装置误动，使变压器的投运频频失败；
2．A电站一台变压器空载接入电源产生的励磁涌流诱发邻近其他B电站、C电站等正在运行的变压器产生“和应涌流”而误跳闸，造成大面积停电；
3．数值很大的励磁涌流会导致变压器及断路器因电动力过大受损；
4．诱发操作过电压，损坏电气设备；
5．励磁涌流中的直流分量导致电流互感器磁路被过度磁化而大幅降低测量精度和继电保护装置的正确动作率；
6．励磁涌流中的大量谐波对电网电能质量造成严重的污染。
7．造成电网电压骤升或骤降，影响其他电气设备正常工作。
数十年来人们对励磁涌流采取的对策是“躲”，但由于励磁涌流形态及特征的多样性，通过数学或物理方法对其特征识别的准确性难以提高，以致在这一领域里励磁涌流已成为历史性难题。
抑制器的重要特点是对励磁涌流采取的策略不是“躲”，而是“灭”。理论及实践证明励磁涌流是可以消灭的，因产生励磁涌流的根源是在变压器任一侧绕组感受到外施电压骤增时，基于磁链守恒定理，该绕组在磁路中将产生单极性的偏磁，如偏磁极性恰好和变压器原来的剩磁极性相同时，就可能因偏磁与剩磁叠加而导致磁路饱和，从而大幅度降低变压器绕组的励磁电抗，进而诱发数值可观的励磁涌流。由于偏磁的极性及数值是可以通过选择外施电压合闸相位角进行控制的，因此，如果能掌握变压器上次断电时磁路中的剩磁极性，就完全可以控制变压器空投时的电源电压相位角，实现让偏磁与剩磁极性相反，从而消除产生励磁涌流的土壤——磁路饱和，实现对励磁涌流的消灭。
长期以来，人们认为无法测量变压器的剩磁极性及数值，因而不得不放弃利用偏磁抵消剩磁的想法。从而在应对励磁涌流的策略上出现了两条道路，一条路是通过控制变压器空投电源时的电压合闸相位角，使其不产生偏磁，从而避免空投电源时磁路出现饱和。另一条路是利用物理的或数学的方法针对励磁涌流的特征进行识别，以期在变压器空投电源时闭锁继电保护装置，即前述“躲”的策略。这两条路都有其致命的问题，捕捉不产生偏磁的电源电压合闸角只有两个，即正弦电压的两个峰值点（90°或270°），如果偏离了这两点偏磁就会出现，这就要求控制合闸环节的所有机构（包括断路器）要有精确、稳定的动作时间，因为如动作时间漂移1毫秒，合闸相位角就将产生18°的误差。此外，由于三相电压的峰值并不是同时到来，而是相互相差120°，为了完全消除三相励磁涌流，必须断路器三相分时分相合闸才能实现，而当前的电力操作规程禁止这种分时分相操作，何况有些断路器根本无法分相操作。
用物理和数学方法识别励磁涌流的难度相当大，因为励磁涌流的特征和很多因素有关，例如合闸相位角、变压器的电磁参数等。大量学者和工程技术人员通过几十年的不懈努力仍不能找到有效的方法，因其具有很高的难度，也就是说“躲”的策略困难重重，这一策略的另一致命弱点是容忍励磁涌流出现，它对电网的破坏性依旧存在。
抑制器的主要特点是通过变压器断电时的分闸相位角获知磁路剩磁的极性，进而在下次空投电源时不刻意追求不产生偏磁，而只要求偏磁与剩磁极性相反即可。变压器在正常带电工作时，磁路中的主磁通波形与外施电源的波形基本相同，即是正弦波，也就是说磁路中的磁通在一个工频周期中前半个周期为正极性，另半个周期为负极性。不难想到如在变压器电源电压断电时，磁通在正半周某个相位角上，则断电后磁路剩磁为正极性，而在负半周某个相位角上则为负极性，即在一个工频周期中有半个周期为正极性，另半个周期为负极性。变压器空投上电时产生的偏磁也一样，在电源电压上电时的初相角在半个周期区间内产生的偏磁极性为正，而初相角在另半个周期区间内产生的偏磁极性为负。由于变压器的主磁通滞后电源电压的相位角约为90°，故可根据切除电源时的电压相位角得到剩磁的极性。下图为电源电压U合闸初相α与偏磁Φp的关系曲线，以及电源电压U分闸初相角α与剩磁ΦRes的关系曲线。不难看出对应同一个合闸初相角或分闸初相角所产生的偏磁和剩磁的极性正好相反，也就是说通过分闸时测量电源电压分闸角α，并将α保存下来，在下次空投变压器时选择在同一α角时加上电源，偏磁就可抵消剩磁，它们的合成磁通将小于饱和磁通Φsat，从而实现对励磁涌流的抑制。由于三相电源在断路器三相联动切除时所得到的三相分闸初相角各相差
120°，剩磁极性也是三相各相差120°，而在三相联动合闸时三相的合闸初相角也是相差120°，三相偏磁极性也各相差120°，这样就自然实现了变压器三相磁路中的偏磁和剩磁都是抵消的，从而避免了一定要断路器分相分时操作才能消除励磁涌流的苛求，也就是说三相联动断路器支持对三相涌流的抑制。
由于消除励磁涌流只要偏磁和剩磁极性相反即可，并不要求完全抵消，而且因偏磁与剩磁在同一个电压合闸或分闸初相角α时都是极性相反的，这就大大降低了对断路器操作机构动作时间的精度要求，为这一技术的实用化奠定了基础。
励磁涌流抑制器仅仅是在变压器空投时进行合闸操作，因此不会带来任何有害后果，退一万步，如果涌流抑制器失效或故障，其合闸后果和人工操作也是一样的，一般涌流抑制器的合闸控制输出和手动合闸控制是并联的，可选择自动，也可选择手动。
抑制器对电力系统的安全运行及净化电能具有划时代的意义，不仅可用于电力变压器的无涌流空投，还可与变压器出线的继电保护装置配合，使出线故障切除时所产生的电压骤增不会诱发运行变压器产生和应涌流，当然变压器也不会因此跳闸造成大面积停电。抑制器可做成独立的装置，也可作为断路器操作箱的一个部件，和变压器继电保护装置的一个部件。
电力电容器的投切过程与电力变压器的投切有相似的机理，空投电容器所产生的充电涌流与合闸时电源电压的相位角有关，切除电容器时电容器上的剩余电荷极性和数值也与分闸时电源电压的相位角有关。同样可以证明，如果在电源电压相位角为α时，进行分闸，再在α时进行合闸，此时的合闸充电涌流将被大幅度抑制。由此可以完全改变传统的电容器投切方法，即以往电容器在切除电源后要对剩余电荷进行足够时间的放电，直到剩余电荷已接近为零时才能再进行电容器上电操作。SID-3YL涌流抑制器则可在电容器断电后不需经历放电过程即可再次投运。
作者简介：
叶念国 男 （1935—） 教授 深圳市国立智能电力科技有限公司董事长，武汉大学电气工程学院兼职教授，深圳市科技顾问，长期从事电力系统自动化技术领域的科研与教学工作。
翁乐阳 女 （1961—） 高工 深圳市国立智能电力科技有限公司总工程师，长期从事工业过程控制及电力系统自动控制装置研究与开发工作。