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电力自动装置的设计也要与时俱进

更新时间:2014-5-29

电力自动装置的设计也要与时俱进

——剖析当今一些自动装置致命设计错误的症结——

叶念国

 

[摘要]我国电力系统及大型企业用电系统在大踏步向前发展,机组容量越来越大,电压越来越高、系统结构越来越复杂,无疑,它们需要更新的技术支撑。但遗憾的是长期持保守战略的人们,下意识的抵制新技术,于是几十年本质不变的技术设备仍频频在新建发电厂和变电站中现身,这些隐患极大地危害着电力系统及生产的安全。对一些常用自动装置致命设计错误的剖析,有助于引起人们对其危害性的重视。

关键词:自动识别同期性质;捕捉电动机耐受电压;剩磁;偏磁;切换电源控制

1 概述

   电力生产及输送的过程对自动控制技术的要求远高于其他生产过程。原因很简单,因这是一个靠人力无法掌控的快速生产过程,其事故的波及的速度和蔓延面积的扩展是惊人的,因此,无论对继电保护的设计或对自动装置的设计都必须根据对象的特征精心设计。然而,我们面对的电力设备及系统,它的特征随着时间在不断的变化,而我们的设计却没有本质性的改变,进而诱发了不少事故,这是发人深省的现实。下面想通过对几个典型的电力自动装置设计错误的剖析,提出相应的改进对策,作为一种提示,供业内同行参考。

(1)     几十年前的检同期还要继续再用下去吗?

(2)     自动同期装置可以不理会合环操作(同频并网)吗?

(3)     备用电源自动投入装置必须要在负荷母线上无压时才能投入备用电源吗?

(4)     厂用备用电源快速切换装置为什么非得要捕捉同期点?

(5)     交流电动机应怎样在变频和工频电源间切换?

(6)       电力变压器的励磁涌流能够抑制吗?

2 关于“检同期”

两个交流电源的联接必须建立在它们的电压、频率及相位相同(或相近)的前提上,这被称之为“同期”、“并网”、“同步”,而在几十年前人们处理双端电源线路自动重合闸时使用了“检同期”这一技术概念,其涵义是在两端电源的电压相位差小于一定值(同期闭锁角)时就允许实施重合闸,显然,它略去了电压、频率两个重要同期条件。不难想到,这是因为重合闸要求动作速度快、容不得等三个同期条件都满足再去重合闸。事实上,当时的技术条件也无法做到快速捕捉到三个同期条件的时机。然而几十年后的今天我们还在大量的使用这个粗放甚至常常诱发扩大事故的“检同期”,尽管人们早已解决了捕捉首次出现同期时机的技术问题。

更具讽刺意义的是大量以32CPUDSP为核心的保护测控装置还难舍“检同期”情结。

举个简单的例子:

2-1a)描述了联接电源1及电源2联络线L的检同期示意图,同期检查继电器TJJ的两个电压线圈分别联接到母线电压UM及线路电压UX的两个电压互感器TV的次级,TJJ的接点串接在断路器DL的合闸控制回路中。如果TJJ整定的同期闭锁角为,显然,在断路器DL合上之前由于电源1和电源2之间存在频差,因此TJJ的接点将随着UXUM间的角度的由小到大,再由大到小的变化而时闭时开,当时接点闭合,反之打开,也就是说在一个频差周期中,TJJ区间接点闭合,而在360°-区间接点打开。可以看到,所谓“检同期”就是确保在区间按下合闸按钮才能实现两电源的并网。但是如果两电源解列后频差很大时,以致使TJJ区间的接点持续闭合时间小于断路器DL保证可靠合闸的必要时间时,断路器将产生跳动,即触头未合上又断开,只要合闸按钮未释放,跳动就持续进行,甚至损坏断路器。有时即使断路器合上了,但因频差过大,在线路上会出现两电源间过大的有功功率交换而再次跳闸。

可以看出“检同期”是个极其粗糙的概念,当下的各类微机型自动同期装置或真正意义的测控装置完全可以快速、平稳的承担精确、快速同期操作的任务。为什么还丢不掉这个“检同期”?

3 关于“差频同期”和“同频同期”

3-1是一个简单的环网示意图,当两条联络线L1L2停运时两电源解列运行,此时如通过断路器1DL投运L1,则需在1DL处实施同期操作,同期条件是:压差、频差、相位差相等或相近时合上1DLL1投运后,如再要通过断路器2DL投运L2,人们则采用了前述的“检同期”方式,即只要断路器2DL两端的“相位差”小于TJJ的定值就可以合上2DL,这样做是片面的甚至是错误的。首先必须清楚2DL两端的角度不是相位差,而是正在运行的线路L1的功角的数值正比于线路上传输的有功功率P1P1越大,也越大。显然,当P1不大时,2DLL2投运后所分流的负荷P2也不大,但当P1很大时,在2DL两端看到的也很大,合上2DLL2分流的负荷也很大。一旦当P2的值大到足以引起2DL的继电保护装置起动跳闸时,则这次的投运L2将失败,因此容许2DL进行合闸的功角是要经过系统在不同运行方式下的潮流计算获取的,而不是TJJ的一定固定不变的定值能实现2DL安全投运的。

操作2DL合闸本质上也是一次同期操作,它与前述在1DL处的合闸不同,在合1DL时其两端有压差,频差和相位差,而在合2DL时其两端只有压差和功角,而无频差。所以我们把1DL处的同期操作称之为差频同期,而把2DL处的同期操作称之为同频同期或合环操作。正是由于这一原因不仅要淘汰传统的检同期,而且还必须使用具备自动识别同期性质的同期装置。可以通过对拟操作断路器两端频差的特征进行识别,当识别结果为差频同期时,装置自动调用为差频同期设置的允许压差和允许频差定值,在条件满足时快速捕捉首次出现的零相位差时发出合闸命令,完成差频同期操作。当识别结果为同频同期时,装置自动调用为同频同期设置的允许压差和允许功角定值,在条件满足时立即发出合闸命令,完成同频同期操作。应该指出,差频同期实施后不会产生任何冲击电流,而同频同期实施后一定会出现“冲击”电流,但这不是真正意义的冲击,而是系统的潮流在合闸瞬间进行了再分配。因此,人们常常把合环操作后的环流看成是有危害的冲击,这是不对的。

不难想到在电力系统中一个断路器的同期性质并不是固定的,在系统不同运行方式时,对同一个断路器有时会进行差频同期操作,而有时又可能要进行同频同期操作,所以自动同期装置必须具备自动识别同期性质的功能。

4 备自投和快切装置的最优组合——备用电源快速无扰动替续控制系统

4-1是一个双电源供电系统的示意图,低压侧母线上挂接有发电机(多为自备电厂)、电动机、电容器、电阻性负荷,高压侧来自不同系统的两个电源互为备用,其中一路工作,另一路备用。为了在工作电源因故障被切除时保证对负荷供电的连续性,配置有备用电源自动投入装置(简称备自投装置),或备用电源快速切换装置(简称快切装置),它们的任务是在工作电源被切除后快速投入备用电源。

传统备自投装置起动的条件有三个:①确认工作电源(设为T1)完全断开,即1DL2DL均跳闸,工作电源无电流;②确认备用电源(设为T2)电压正常;③确认低压侧负荷母线无压,即电压降到20%额定电压以下。条件①、②是合理的,而条件③正是当今广泛流传的备自投装置的致命伤,它忽视了不同负荷的特征,对于纯电阻性负荷一旦工作电源断开,母线电压很快下降到零,而对于电动机或电容性负荷,则由于感性或容性负荷的储能效应,特别是电动机将进入异步发电状态,从而导致母线电压衰减较慢,待前述条件③即母线无压满足时,全部电动机都已停转,其中使用接触器和装有低压保护的电动机都已与母线断开。此时再投入备用电源,只有部分重要电动机在很恶劣的条件下自起动,整个生产工艺流程遭到严重的破坏。前述条件③的设计目的是躭心备用电源在母线残压很高时投入会导致用电设备损坏,而忽视了负荷中大量电动机惰转时残压的衰减时间很长,进而使备用电源迟迟不能投入,造成生产流程被严重破坏。图4-2是工作电源断开后母线残压UG相对备用电源电压UB的变化极坐标图,不难看到,母线电压UG从正常值UGO衰减的过程中,UGUB间的夹角θ不断变大。图4-3是描述残压UG变化的相量图,图中U是备用电源电压UB 与母线残压UG的相量差,其幅值UG UB 的角差180°时达最大值。如果备用电源在B点投入,即3DL4DL开关合上,此时△U1将一部分施加在变压器T2的阻抗上,而另一部分施加在母线的全部负荷上。如果在C点投入备用电源,则分配到负荷上的电压将更高。显然,只要这些负荷(主要是电动机)所承受的电压不大于其容许的耐受电压,则电动机是不会受到伤害的,而这个耐受电压一般为额定电压的1.1~1.2倍。因此,完全可以不要等母线残压降到很低时才投入备用电源,而是只要确保投入备用电源时负荷所承受的电压不超过1.1~1.2倍额定电压就可以。不难想到,将前述备自投装置起动的条件③更改为捕捉母线电压不超过电动机耐受电压的时机这一条件,从而大大提高了备用电源投入速度,几乎可以实现不损失任何负荷完成电源的切换。因为母线残压还未降到接触器释放电压和电动机低压保护起动电压时备用电源已投入运行了。

     

    捕捉电动机群耐受电压时机的控制准则是建立在已知负荷等值阻抗的前提下,由于人们认为不可能获得这一数值,长期以来一直在使用母线无压的条件③,进而导致备自投被很多企业禁用,因为由于备用电源投入缓慢,导致生产工艺过程受到极大破坏。事实上我们很容易获得母线上负荷群的等值阻抗XM。图4-4是双电源供电系统的一次接线等值电路图。图中XGXB分别为工作电源和备用电源的阻抗,这是已知的。XM为负荷群的等值阻抗,这是待求的。在工作电源正常供电时,通过实测UGUM,再根据已知的XG就可以求得实时的XM,因

当然,正常运行时这个XM值是没有什么用处的,但一旦当工作电源跳闸,立即记录最后一次的XM计算值,

然后将失电过程中连续采集的实测△U值去预测即将出现的△U值,寻找出现最大允许投入备用电源的△U值的时机,只要在这之前投入备用电源就能保证分配到XM上的电压不超过电动机群耐受电压,这样对所有负荷都是安全的。事实上用工作电源刚断电时获得的XM值来计算允许合闸最大△U值是偏保守的,因随着电动机的转速下降,电动机的阻抗也在不断减小,因此,真正在投入备用电源时施加到负荷上的电压要比计算值小,也就是说电动机更安全。

4-5是大中型感应电动机的静态电压特性曲线,即电动机从电源吸取的无功功率和有功功率与端电压的关系曲线,不难看到当端电压下降到额定电压的60%以下时,电动机将大量向电源吸取无功功率,而吸取的有功功率则急剧下降,在这两者的共同作用下一方面使电源电压急剧下降,一方面使电动机加速制动。不难看出备用电源的投入必须在这个临界点K的电压之上,而前述条件③完全忽视了电动机的这一特性。

综上所述,传统的备自投装置将演变为具有综合控制功能的备用电源快速无扰动替续控制系统(TXXT),其由具备各项控制功能的TXXT主机和若干同期模块,涌流抑制模块、通讯模块组成,系统的功能大致分为以下几项:

4-1 遵循捕捉电动机群耐受电压时机的备用电源投入准则;

4-2 对可能发生励磁涌流或充电涌流的断路器配备具备涌流抑制功能的SID-3YL型涌流抑制模块。合闸控制命令通过涌流抑制模块传递给断路器合闸回路;

4-3 对可能发生操作过电压的断路器分合闸控制命令通过涌流抑制模块传递给断路器分合闸回路;

4-4 在母线上挂接有发电机电源支路时的备自投可选择如下备自投方式:

    4-4-1 发电机容量足以承担工作电源切除后的全部负荷时:

        工作电源切除后立即起动备用电源断路器的同期模块,实行同期投入;

    4-4-2 发电机容量不能全部承担工作电源切除后的全部负荷时:

        工作电源切除后立即切除所有发电机,随即快速投入备用电源。

4-5 在母线上挂接有补偿电容器时,工作电源断路器的涌流抑制模块记录分闸时的有关分闸角参数并通过通讯接口传递给备用电源的涌流抑制模块,随即备用电源断路器在不切除电容器的情况下迅速按前述分闸角投入备用电源,这种即切即投控制方式确保电容器平稳地再受电,使备用电源投入前、后的负荷工况即电压、无功及功率因数不变。

5 变压器的励磁涌流是可以抑制的

励磁涌流的危害众所周知,诸如使保护误动、使空投变压器频频失败、超强电动力损坏电力设备、大量谐波污染电网、和应涌流诱发大面积停电、涌流中的直流分量导致电流互感器磁路的不可逆过度磁化等。然而,长期以来人们采取的对策是“躲”,但难度很大,至今也没能安然无恙。

既然励磁涌流并不是次次空投变压器都会发生,这说明可以创造不产生励磁涌流的条件实现对励磁涌流的抑制,这较之“躲”的策略更具积极性及主动性,我们顺利且可靠地实现了抑制。

5-1 励磁涌流的成因

5-1为双绕组变压器的结构图,合上开关K将交流电压U1施加在初级绕组N1上,将产生电流i1i1的初始值可能很大,这就是励磁涌流,稳定后i1很小,这就是变压器稳态时的励磁电流。电流为什么先大后小,这说明初级绕组的电抗先小后大,同一个绕组为什么不同时间电抗不同,唯一的解释就是磁路的导磁系数先小后大,作为一个带铁心磁路的初级绕组,其电抗值取决于匝数N、绕组尺寸及磁路导磁系数,前二者是不变的常数,唯一的解释就是导磁系数在合闸初瞬变小了。为什么会变小?这要从空投合闸过程中的磁路特征变化来分析。

5-2是铁磁材料磁滞回线,它是一个非线性的多值函数、即磁通密度B和磁势H不是单值函数关系,当在变压器初级绕组施加一个交流电压U1时,磁路的磁通将沿着磁滞回线随交变的磁势H变化。变压器绕组上电前磁路中已存在前次断开电源后留下的剩磁,剩磁的极性及数值与切除电源电压时的分闸相位角有关,也就是说和磁路运行在磁滞回线上具体的位置有关,在磁滞回线的第Ⅰ、Ⅱ象限断电,剩磁为正极性,在第Ⅲ、Ⅳ象限断电,剩磁为负极性,如果磁路所处环境的温度不超过该磁路材料的居里点,剩磁可以长期保留在磁路中。这是在空载合闸上电前的磁路状态,即存在剩磁。

任何一个电感线圈都遵循磁链守恒定律,即穿越线圈的磁路中不允许发生磁通的突变,因而当图5-1中开关K突然合上的瞬间,电压U1施加在绕组上企图产生穿越绕组的磁通将会被电感线圈相应产生的与之大小相等、极性相反的反磁通所抵消,这个反磁通是一个偏离时间轴的单方向直流磁通,故人们称之为“偏磁”。变压器的绕组N1具有电阻R,因此这个偏磁将会按时间常数衰减,直至消失。如图5-3所示,图中U为变压器正常运行时的初级电压、为由U产生的稳态磁通,在相位上滞后U90°(忽略变压器损耗),在a点断开电源电压U,磁路中的磁通b点沿着磁滞回线减小,直至稳定在剩磁水平上。经历一段时间变压器在电压Uc点重新上电,基于磁链守恒定律磁路中的磁通从剩磁d点跃变到g点,dg段即为上电瞬间的偏磁,其值正好与当时稳态磁通的瞬时值ef大小相等,极性相反,即。此后偏磁从g点开始按线圈的时间常数衰减,在衰减过程中与稳态磁通叠加,即可得到图中的总磁通。可以看到总磁通是剩磁、偏磁和稳态磁通的合成,例如总磁通的瞬时值等。总磁通在①~②区间和③~④区间已超出了变压器饱和磁通,进而导致在这两个区间磁路的导磁系数下降,进而引起初级绕组电抗急剧下降,於是出现了励磁涌流。随着偏磁的逐渐衰减,总磁通也渐趋与稳态磁通靠扰直至重合,空投过渡过程结束。

在图5-3中描述的是在初级电压U的第Ⅲ象限的a点切断电源,也就是在稳态磁通的正半周b点断电,因而剩磁是正极性,可以推断如果在电压U的第Ⅰ和第Ⅲ象限断电,也就是在稳态磁通的负半周断电,则剩磁是负极性。这说明在电压U的不同相位角时分闸,可以得到不同极性的剩磁。在图5-3中我们又看到在电压Uc点合闸,此时对应的稳态磁通应是负极性,即线段ef,在合闸瞬间为了抵制相当于ef值的磁通破坏磁链守恒定律,绕组N1在原剩磁de的基础上突然产生一个和ef大小相等方向相反的反磁通dg ,这就是偏磁。随后偏磁开始衰减,稳态磁能逐步形成,出现了它们的合成总磁通,直到偏磁衰减到零,总磁通与稳态磁通重合。

5-2 如何抑制励磁涌流?

如果能够做到在变压器空载合闸时的总磁通值不大于变压器磁路的饱和磁通,这样磁路不饱和,初级绕组的电抗就不会下降,因此就不会产生励磁涌流。显然,只要人们能知道变压器断电后的剩磁极性,就可以通过控制变压器上电时电压的合闸相位角,使偏磁的极性与剩磁的极性相反,磁路就不可能饱和,励磁涌流就被抑制了。从图5-3中可以看到选择变压器断电时电压的分闸角就可以控制磁路的剩磁极性,或者通过监视变压器断电时的电压分闸角也可以知道剩磁的极性,励磁涌流抑制器的原理模型就形成了,概括起来就是“监视分闸角,控制合闸角”。用以单片机为核心的电路实现这一目的是不难的。

5-4是一个单相变压器在不同分闸角’操作时励磁涌流的实录试验曲线,可以看到如果选择每次合闸角都是在电压U90°或270°相位角上,则不论变压器断电时的分闸角是什么角度,都不会产生涌流,即在电压U的峰值点合闸的电流与剩磁大小无关,且涌流为零。道理很简单,在图5-3中可以看到,在电压U的峰值点合闸上电时其产生的磁通正好过零点,即不产生稳态磁通,磁路的磁链没有发生变化,因而不诱发偏磁,磁路就不会饱和,从而没有励磁涌流。

而在其他相位角时实施上电则与分闸角(即剩磁)有关,图5-4中选取了在0~360°间不同的角度分闸(即产生不同剩磁), 一条曲线每次都是在  0°合闸,另一条曲线每次都在180°合闸。可以看到有时涌流为零或较小,在时则很大。从这组曲线人们不难看到“监视分闸角、控制合闸角”本质就是利用偏磁抵消剩磁的策略,基于这一原理我们欣慰地看到实现励磁涌流能被抑制的分闸角不是一个点,而是一个带,这个带宽大约有120°。从此可以得到一个重要的结论,即这种励磁涌流的抑制方法不要求变压器的电源开关有很稳定的动作时间,动作时间有五、六个毫秒的漂移都不影响对涌流的大幅度抑制,因此不需要像国外那些靠捕捉电压峰值点或过零点原理构造的装置,一定要对开关的动作时间进行温度、油压及操作电压的漂移在线补偿。

前面所叙述的内容是针对单相变压器,三相变压器可以使用这种原理吗?回答是肯定的。我们不难想到,由于三相电压每相的相位差是120°,如果用三相在机械上固定联接的开关进行变压器的分闸和合闸,完全可以实现三相磁路的剩磁和偏磁都抵消(对三相磁路独立的变压器,和没有联接固定电容性设备的三柱或五柱变压器而言),因不仅三相的电压互差120°,剩磁和偏磁也互差120°,这样只要一相磁路的剩磁与偏磁极性相反,其他两相也相反。因此,在涌流抑制器的设计上只要取一相的电压进行数据采集,就可保证三相涌流的抑制。目前国外的有关产品对励磁涌流的抑制采取的控制策略不是基于磁路的磁通特性而是通过三相变压器三相电源分相操作上电,即捕捉三相电压在峰值点上合闸。这一方法在理论上是可行的,但其有两大缺陷,一是分相合闸会因产生负序电压导致保护误动,二是要求开关的动作时间极为精确和稳定,如果开关的动作时间漂移2毫秒,就意味着在50赫频率的系统合闸角度要漂移36°,从而导致产生很大的励磁涌流,为此,不得不采取对开关动作时间进行温度、操作电压、油压等因素影响的在线实时补偿。

操作过电压在电力系统中常常造成电气设备的损坏,基于对变压器空投时励磁涌流的抑制原理,抑制器还可用于对操作过电压的抑制,其主要原理就是控制切断电流的分闸角和投运电路的合闸角。抑制器采集三相电流或电压的瞬时值,通过三相联动或分相操作的模式在给定的电流或电压相位角时切断或投入电路。

32ARM9 MCU单片机、16A/DDSP为核心,对变压器的电源三相电压和电流进行高速采样,获取电压电流的瞬时值及相位角参数,同时测量变压器电源开关的实时分/合状态,随时记录开关的分闸角。当抑制器接收到合闸指令时,立即根据已预先整定的开关合闸时间捕捉发出上电合闸命令的时机,在精确计算的时刻发出合开关的命令,完成变压器无涌流上电。

抑制器可选择不同的工作模式,以针对不同结构三相变压器的特点,例如三相组式变压器、三相芯式变压器,不带固定电容性负载变压器,带固定电容负载(如电容分压式电压互感器、电缆、补偿电容等)、使用三相联动操作开关、使用三相分相操作开关等。SID-3YL涌流抑制器还可用于空投电力电容器、空投长距离架空线、空投电力电缆线路的涌流抑制。

抑制器还可作为科研试验用,例如制造给定特征的励磁涌流,以检验继电保护装置对励磁涌流的识别能力等。

5-4 涌流抑制器应用示例

5-4-1原理接线  如图5-5

5-4-2 几种典型应用

    如图5-6、图5-7、图5-8

应用配置要点如下:

1 SID-3YL应安装在变压器或电容器的电源侧的断路器分、合闸控制回路中。对端无电源的馈线断路器不需要安装。

2  SID-3YL支持三相断路器三相联动分、合,也支持三相分相、分时分、合。

3  输入SID-3YL的合控制或分控制信号可来自于手动、自动装置或继电保护装置。SID-3YL的输出直接控制断路器的合闸与分闸。

4  SID-3YL具有自动识别并保存分闸时电源分闸角的功能,故分闸控制信号可不经SID-3YL,而是由人工或自动装置或保护装置直接对断路器实施分闸控制。

5  SID-3YL可接受经RS-485总线来自上位机的合、分控制命令,及全球定位系统GPS的对时信号,如图5-6,变压器各电源侧断路器的SID-3YL在执行分闸控制后立即经现场总线向其他电源侧的SID-3YL广播分闸时间及分闸相位角,以确定最后使变压器脱离电源时的分闸角,作为下次第一个实施空投变压器操作的合闸相位角。在没有上位机的变电站,SID-3YL之间也可实现分闸时间及分闸相位角的互传。

6  SID-3YL可实现电力电容器的即切即投,免除电容器断电后必须经放电设备放电的操作,例如备自投装置切除工作电源时,虽同时切除了电力电容器,且电容器上留有与分闸相位角相关的剩余电压,随即在备自投装置投入备用电源时,通过涌流抑制器按原分闸相位角投入电容器。应该指出,当电容器停运时间较长时,其剩余电压将会因放电而减少,不能使用前述三相即切即投的方式,而应采取在电容器三相放电完成后实现三相电压过零点投运。

7  由于使用了SID-3YL变压器空投时不产生励磁涌流,因此,相关运行变压器也不会产生“和应涌流”,避免了和应涌流造成的大面积停电。

8  SID-3YL可根据变压器初、次级绕组接线组别不同实现相位差修正。

9  当变压器初、次级具有电容负载时,例如接有电容分压式TV、电缆及长线等,将影响变压器断电后的剩磁状态, SID-3YL为此设计了专用的抑制算法及控制策略。

10  SID-3YL可实现两台或多台并联运行变压器按负荷水平自动投退功能,保证在轻负荷时自动切除轻载变压器,以降低变压器的损耗。SID-3YL通过实时测量变压器的电流和电压获取变压器的有功及无功负荷,再与具备一定死区带宽的功率定值比较,实现对变压器的无抖动投退控制。如图5-9

结论:如果没有偏磁或没有剩磁就没有励磁涌流

由此引发的三种抑制励磁涌流的方法:

1、在电压过峰值(90°或 270° )时,也是磁通过零时给变压器上电(没有偏磁)。保证措施:三相分相分时合闸。

特点:A、要有分相操作开关;B、要求开关合闸时间有极高的稳定性。

2、在电压过峰值(90°或 270° )时,也是磁通过零时变压器断电(没有剩磁)。保证措施:三相分相分时合闸,或给磁路进行去磁(不可行)。

特点:A、要有分相操作开关;B、要求开关分闸时间有极高的稳定性。

3、利用偏磁与剩磁互克(极性相反)(利用偏磁)。保证措施:在变压器断电时记忆电压某相的分闸角,上电时选择与该相分闸角相近的相位角合闸。

特点:A、支持三相联动开关;B对开关合闸时间的稳定性没有严格要求。

 

6  交流电动机如何在变频电源和工频电源间进行平滑切换?

交流电动机几乎无处不在,它是一种方便的动力设备,但被电动机消耗的电能也是一个惊人的数字,电费占据产品成本的比例不容忽视。变频调速器的诞生,以其可观的节电功能开始在各行各业大量采用,在使用过程中为了兼顾节能和设备投资两项指标,几乎在所有变频器的应用场合全都出现了需要将电动机的电源在变频电源和工频电源之间进行切换。下面举两个应用实例:

1:多台电动机共用一台变频器,即1N

如图6-1即为N台电动机共用一台变频器的示意图,变频器的容量选择能承担最大容量电动机满负荷运行需要的功率。每台电动机通过相应的切换开关实现在工频电源及变频电源之间切换,一般情况是电动机的起动由变频器执行,当#1电动机完成起动过程后,变频器根据工况通过调速来调节电动机负荷,当该台电动机接近满载时则通过切换开关将其切换到工频电源,变频器转而起动第二台电动机,并控制第二台电动机的运行工况,直到在其接近满载后再将其切换到工频电源,如此循环直至最后#N电动机在变频器控制下运行,不难想到,当最后#N电动机的负荷减到已接近空载时,则可将此台电动机电源切除进入停运状态,而通过#N-1切换开关将#N-1电动机由工频电源切换到变频电源,由变频器控制该台电动机的运行。如果负荷继续减小,按此程序切除#N-1电动机,变频器转而控制#N-2电动机。这种工作模式常常用在恒压供水的场合。

2:一台电动机专用一台变频器,即11

如图6-2即为11的示意图,正常时电动机的工况由变频器控制,但当变频器故障时,为了电动机不致停止运行,此时可通过保护装置快速切断B1B2开关,继而如条件满足时快速合上开关B3,使电动机改由工频电源供电继续运行。此处所说条件主要是指电动机原来运行的电压频率和工频电源频率的差值。

然而变频器的应用已普遍展开的今天,一次不经意的调查发现,几乎所有交流电动机在变频电源和工频电源之间的切换竞随意得使人吃惊。切换操作大都是随机任意实施的,稍谨慎一些的则是在两电源频率相近时实施切换。这种切换常常引起很大的冲击,甚至因为冲击电流太大导致开关被保护跳闸,无疑,这是必然的结果。尽管如此,人们还未意识到这种冲击产生的结果是使电动机以及其驱动机械绕组变形、绝缘水平下降,轴应力增大而受损、短命。

事实上当电动机在切换过程中基于转子的惯性及剩磁,使其由电动机工况转入发电机工况,电动机端的电压携带着原供电电源的特征(即电压、频率、相位),脱离电源后电压和频率按惯性规律下降,相位也在变化,一旦当电动机随机切换到另一电源时,如果其电压、频率和相位与该电源有差时必然产生冲击,特别是当相位有较大差值时产生的冲击扭矩对电动机和拖动机械的伤害是很大的。因此,这种电源切换必须保证电动机端电压的电压、频率、相位在完成切换瞬间与新电源的相关值一致或相近,事实上这种切换类似于两交流电源的同期操作,不同的是电动机脱离原电源后电压和频率按一定规律下降,相对原电源而言相位也在向滞后方向加大。

为了保证交流电动机能平稳无冲击的在两电源间进行切换,设计了电动机专用的SID-2AM型交流电动机双向电源切换控制器,其基本原理就是在电动机正常运行时,控制器实时监测两电源电压的电压U、频率和相位差,如图6-3所示,图中电源切换控制器的输入信号为两交流电源的电压 U1U2,其输出则为控制自动转换开关ATS的输入端,一般ATS开关有两个输入端,即正向切换和反向切换输入端。

控制器以32ARM7单片机为核心,微机系统在上电后快速对U1U2两交流电压进行瞬时值采样,并计算出两电压的实时电压差、频率差及相位差,控制器按预先设置的允许切换频率差、允许切换电压差及ATS开关切换动作时间诸参数不断计算发出切换命令的精确时机,一旦控制器接到人工或上位计算机发来的允许切换命令,控制器将在第一时间实施无扰动切换操作,完成电源切换。不难想到当电动机切换到新电源的瞬间应该满足电动机端电压与新电源电压、频率及相位相等的条件,所以控制器发出切换命令的时刻应较两电压相位差为零的时刻前相当于切换开关的动作时间的提前量。在电动机与新电源接通瞬间,两电压的电压差将导致电压高的一侧向低的一侧突发性的输送与压差数值相当的无功功率;频率差将导致频率高的一侧向低的一侧突发性的输送与频差数值相当的有功功率;而相位差将引起电动机转子突发性地向相位差减小方向加速旋转,其中伴随着有功功率和无功功率的交换。因此,应尽量在压差、频差及相位差较小时实施切换。还应指出由于变频器的输出电压谐波含量很高,特别是当变频器处在空载状态时波形畸变更大,因此,控制器对交流电压的采样必须实施严格、快速的数字滤波处理,提取电压中众多谐波中的基波分量作为计算依据。SID-2AM控制器具有简洁的人机界面,侧如电子相位表,电压差越限指示、正反向切换开关动作时间及允许频差、允许压差设置拨码开关。为了加速切换过程,控制器可对变频器进行升频和降频控制。此外,控制器在控制算法上应计及电动机在脱离原电源后惰转频率下降的因素,以提高捕捉零相位差切换的精度。

控制器还可用于电动机在运行中不明原因断电的快速再上电,如图6-4所示。

目前进行电动机电源切换的开关,大都使用两个通过辅助接点在电气上互锁的接触器,互锁的目的是保证电动机不会同时连接到两个电源上,因这样会造成变频器受损。这种方式的优点是投资较少,但存在一定的隐患,因当电气闭锁电路出现问题时可能导致两个电源通过接触器联通而使变频器烧坏。比较可靠的切换开关应使用在机械上互锁的自动转换开关(ATS),这种开关可确保不会出现将两电源短接的问题,当然其价格较用两个相同遮断容量的接触器高一些,但从保护变频器的角度看,还是使用ATS开关合理。应特别指出ATS开关有不同工作模式,例如:①开关在切换过程中不可能短路两电源;②开关在切换过程中会短暂短接两电源;③开关在切换过程中还经历一个与两个电源都断开的稳定状态。显然在运行电动机电源切换时应使用第①种模式的ATS开关。

 

7 结束语

随着电力事业的高速发展,很多原来行之有效的技术都不再有效,甚至起着反作用,作为从事电力技术行业的技术人员的一个重要素质就是与时俱进。固步自封、因循守旧不仅不会给我们带来“安全”,而是会使电力系统更不安全,本文阐述的一些观点是笔者部分实践经历的汇报,望不吝指正!

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作者简介:叶念国 男(1935- ) 长期从事电力系统自动化的教学和研究工作,现任深圳市智能设备开发有限公司及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