CN117040104A - 一种高速的双电源切换系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种高速的双电源切换系统及控制方法，包括切换控制器、主电源进线开关K1、主电源电压监测PT1、备用电源进线开关K2、备用电源电压监测PT2、母联开关K3(三切系统配备)、两组人工过零支路、限压装置MOV、合闸器S(三切系统配备)。本发明以供电电源故障快速判断技术为控制基础，采用涡流驱动快速开关，切换速度快，开断能力强。本发明配备人工过零支路，切换系统的主电源侧开关和备用电源侧开关结合人工过零技术与切换控制器快速算法，母联开关结合合闸器快速导通技术，实现负载5ms内完成从故障电源切换到备用电源，在短路发生后的第一个半波内，将短路故障隔离，避免了电机失稳，确保了生产的连续性。

Description

一种高速的双电源切换系统及控制方法

技术领域

本发明涉及电源切换系统领域，具体涉及一种高速的双电源切换系统及控制方法。

背景技术

大中型工业企业的内部电网(简称内网)和国家电网(简称外网)，组成的供电系统中，某一总降母线上发生短路故障，母线电压将会出现骤降。在断路器切除该故障支路之前，该条母线上所有的负荷将一直处于低电压工况。故障切除后，电压才开始恢复。由于异步电动机群磁场重建的二次冲击电流会延缓母线电压的恢复，母线电压从骤降直至恢复到额定电压的70％以上的短暂低电压供电的电压凹陷现象，被称为晃电。

中、低压系统断路器的控制电源为直流，不会因为交流系统的低电压而跳闸，因此它们所控制的异步电动机在低电压期间一直在网，并以发电的方式向短路故障点反馈输出短路电流，直到绕组内磁场衰减完毕或短路故障点被切除。当短路故障点被断路器切除时刻，母线电压进入恢复期。所有异步电动机同时重建磁场，此时电动机的软启动装置都处于退出状态，实际上就是电机群直接启动，启动伊始要向电网索要5～7倍的无功电流，将形成强烈的电流冲击。只要当造成冲击电流的电机群总容量达到该系统电源容量40％以上时，母线电压极易低于70％，一旦这些电机处于额定负载状态，必然导致电机群失稳停转，最终使该系统崩溃。

对于连续型生产的企业，一旦发生晃电或者短时停电，将会造成电动机停转、二次保护动作等事故，对企业产生重大经济损失。目前市场上应对此类生产事故的切换系统多采用普通断路器，不仅动作时间长，而且切换条件苛刻(需要电压跌落到50％以下才能切换成功)。因此迫切需要一套快速有效的快速切换系统来解决当下面临的问题。

发明内容

本发明提出的一种高速的双电源切换系统及控制方法，可解决上述技术问题。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种高速的双电源切换系统，包括切换控制器、主电源进线开关K1、备用电源进线开关K2、母联开关K3，还包括两组人工过零支路、限压装置MOV及合闸器S；

所述两组人工过零支路分别并联在所述主电源进线开关K1、备用电源进线开关K2进出线两端；

所述人工过零支路包括电感L、电容器C、放电间隙GAP_，电感L、电容器C、放电间隙GAP依次串联，组成人工过零支路；放电间隙GAP导通，LC回路产生高频振荡电流，与主回路中的故障电流进行反向叠加，人为制造一个电流过零点，实现通过主电源进线开关K1的故障电流快速过零；

所述的合闸器S并联在母联开关K3的两端；

所述的限压装置MOV并联在所述电容器C与所述放电间隙GAP串联支路的两端，用于吸收主回路开断后电感L中储存的能量，并对人工过零支路进行关断；

所述的切换控制器安装在主柜的继电器室仪表门上，经过控制器二次端子分别与所述主电源进线开关K1、备用电源进线开关K2、母联开关K3连接，实时检测开关位置状态及储能状态，并对开关发送动作指令；

切换控制器通过光纤分别与所述合闸器S、放电间隙GAP连接，控制合闸器S及放电间隙GAP的通断；

所述的切换控制器根据断路器的状态自动识别是运行于主、备用电源的方式或是主、备用电源加母联的方式，从而选择相应方式的投切策略。

进一步的，还包括主电源电压监测PT1和备用电源电压监测PT2，所述的主电源电压监测PT1、备用电源电压监测PT2分别连接在主电源进线开关K1、备用电源进线开关K2的上端；

切换控制器还分别与所述主电源电压监测PT1、备用电源电压监测PT2的二次端子连接，实时采集主、备用电源电压状态。

进一步的，所述主电源进线开关K1进线端与主电源相连，出线端与母线I相连；

备用电源进线开关K2进线端与备用电源相连，备用电源进线开关K2出线端与母线II相连。

进一步的，所述主电源进线开关K1、备用电源进线开关K2、母联开关K3均采用均采用基于快速涡流驱动技术的高速真空断路器。

进一步的，所述备用电源是发电机、超级电容，或者是与主电源相同电压等级的母线。

另一方面，本发明还包括一种高速的双电源切换系统的控制方法，基于上述的高速的双电源切换系统，包括以下步骤：

当运行主、备用电源加母联的方式，正常运行时，主电源进线开关K1处于合闸状态，由主电源给母线I馈线上的负载供电；备用电源进线开关K2处于合闸状态，由备用电源给母线II馈线上的负载供电；母联开关K3处于分闸状态；

切换控制器实时监测主、备用电源的电压同期状态，符合并网条件时，快切功能解锁，不符合并网条件时，快切功能闭锁，并报警；

当主电源侧发生故障时，并且主、备电源的电压同期性满足切换条件，切换控制器检测到电压跌落，迅速命令K1分闸，人工过零支路介入，同时命令K3和S合闸，至此实现对负荷供电的切换。

进一步的，所述方法还包括故障解除后，自动或手动复归。

由上述技术方案可知，本发明的一种高速的双电源切换系统及控制方法主要是为了快速阻断负荷系统异步电动机磁场能量向故障主电源短路点衰减的通路、减小切换电源时异步电动机的二次冲击，避免切换后电机失稳停转。对于连续型生产的企业，一旦发生晃电或者短时停电，将会造成电动机停转、二次保护动作等事故，对企业造成重大经济损失。

本发明的一种高速的双电源切换系统及控制方法以供电电源故障快速判断技术为控制基础，采用涡流驱动快速开关，切换速度快，开断能力强。本发明配备人工过零支路，切换系统的主电源侧开关和备用电源侧开关结合人工过零技术与切换控制器快速算法，母联开关结合合闸器快速导通技术(三切系统配备)，实现负载5ms内完成从故障电源切换到备用电源，在短路发生后的第一个半波内，将短路故障隔离，避免了电机失稳，确保了生产的连续性。本发明具有监测灵敏、切换速度快、可靠性高的特点，能在生产事故发生前，快速切断故障电源，迅速投入备用电源，保证设备运行稳定性和生产连续性。

总的来说，本发明所选用的切换控制器采集动态范围大、测量精度高，运算能力强；所选用的涡流驱动快速断路器分合闸速度快，安全可靠。结合人工过零技术，能在5ms内完成主、备用电源切换，能有效避免生产事故的发生。

附图说明

图1是本发明的快速切换逻辑图；

图2是本发明的同期切换逻辑图；

图3是本发明的残压切换逻辑图；

图4是本发明的手动切换逻辑图；

图5是本发明的过流闭锁逻辑图；

图6是本发明的后备失电闭锁逻辑图；

图7是本发明的装置闭锁逻辑图；

图8是本发明的PT断线闭锁逻辑图；

图9是本发明的第一种实施方式系统图；

图10是本发明的第二种实施方式系统图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

本实施例所述的高速的双电源切换系统，包括切换控制器、主电源进线开关K1、主电源电压监测PT1、备用电源进线开关K2、备用电源电压监测PT2、母联开关K3(三切系统配备)、两组人工过零支路、限压装置MOV，合闸器S(三切系统配备)；

所述的主电源进线开关K1进线端与主电源相连，出线端与母线I相连。备用电源进线开关K2进线端与备用电源相连，出线端与母线II相连。

所述的主电源电压监测PT1、备用电源电压监测PT2分别连接在主、备电源进线开关K1、K2的上端。实时监测主、备用电源的电压，一旦出现电压异常现象，立即将信号传送给切换控制器。

所述的人工过零支路包括电感L、电容器C、放电间隙GAP，放电间隙GAP导通，LC回路产生高频振荡电流，与主回路中的故障电流进行反向叠加，人为制造一个电流过零点，实现通过主电源进线开关K1的故障电流快速过零。所述的两组人工过零支路分别并联在所述的K1、K2进出线两端。

所述的主电源进线开关K1、备用电源进线开关K2、母联开关K3均采用加拿大Max-Swi公司原装进口的高速真空断路器，所述的高速真空断路器将涡流驱动技术与永磁保持技术结合，配以极少的运动部件，拥有极低的故障率，和极高的分闸速度，分闸时间少于2ms。采用可控硅控制分合闸操作，对继电保护命令响应快至微秒级。该断路器工作时，通过线圈磁通在涡流盘中感应出反向磁场，形成斥力，通过拉杆传递到开关动触头，完成分合闸动作。涡流盘作用力方向与动触头运动方向同轴，直动式机构，驱动系统力学传递函数简单稳定，动作时间分散度小于±0.2ms。主电源进线开关K1进线端与主电源相连，出线端与母线I相连。备用电源进线开关K2进线端与备用电源相连，出线端与母线II相连。

本实施例所述的切换控制器能根据断路器的状态自动识别是运行于主、备电源的方式(两切)或是主、备用电源加母联的方式(三切)，从而选择相应方式的投切策略；所述的切换控制器安装在主柜的继电器室仪表门上，经过控制器二次端子分别与所述主电源进线开关K1、备用电源进线开关K2、母联开关K3连接，实时检测开关位置状态及储能状态，并对开关发送动作指令；

切换控制器通过光纤分别与所述合闸器S、放电间隙GAP连接，控制合闸器S及放电间隙GAP的通断；

所述切换控制器兼具信息接收、处理，以及对执行装置发送指令的功能。所述切换控制器通过对系统电流、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。切换控制器采用16位高速、高精度AD转换器，实现高分辨数据采集。A/D转换器是由FPGA控制的，采集到的数据先由FPGA进行算。然后再交由高速浮点DSP进行平行计算，大容量FPGA和32位高速浮点DSP构成强大的运算能力，确保0.5ms内完成短路电流计算、电压幅值计算，并发出动作信号，实现两路电源的自动切换。

所述的切换控制器具有以下特点：①信号接口采用Rogowski线圈测量系统电流，具有动态范围大，测量精度高的优点；②没有电磁感应式电流互感器存在的磁饱和问题；③采用霍尔传感器测量电压；④采集单元采用16位高速、高精度AD转化器，实现高分辨数据采集；⑤计算单元采用大容量FPGA和32位高速浮点DSP构成强大的运算能力；⑥自主研发的快速算法，能在故障电流上升0.5ms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，并发出动作指令。

本实施的，所述的切换控制器支持快速切换、同期切换、残压切换、手动切换等多种切换逻辑。所述的切换控制器拥有过流闭锁、后备失电闭锁、装置闭锁、PT断线闭锁等多种保护措施。

其中，如图1到图8所示：

快速切换：正常运行时，主、备用电源频差低于“快速切换频差”设定值，相角差低于“快速切换相差”设定值，且无闭锁条件，此时若切换控制器检测到主电源或备用电源电压幅值低于“失压启动电压幅值”，则立刻进行快速切换。

同期切换：切换控制器检测到主电源电压幅值低于“失压启动电压幅值”，立刻发出分故障进线命令，此时若故障线路残压高于“残压切换电压幅值”设定值，切换控制器开始计算故障线路母线残压与非故障线母线电压相角重合的时刻，并根据“同捕恒定越前相角”或“同捕恒定越前时间”设定值，提前发出合备用电源命令。“同捕越前相角”、“同捕越前时间”同时设置为“退出”时，同期切换功能关闭。

残压切换：如果切换控制器未找到故障线路母线残压与非故障线母线电压相角重合的时刻，则进入残压切换：当故障线路残压衰减到“残压切换电压幅值”设定值以下时，发出合备用电源命令。

手动切换：是指通过切换控制器界面操作或外部开关量输入进行切换。手动切换为有并联自动切换、并联半自动切换、串联切换、同时切换四种模式。

并联自动切换：收到手动切换信号时，若主、备用电源频差低于“正常并联切换频差”设定值，相角差低于“正常并联切换相差”设定值，则备用开关合闸，再根据设定的“正常并联跳闸延时”跳相应的进线开关或母联开关。否则不进行切换并报警。

并联半自动切换：收到手动切换信号时，若主、备用电源频差低于“正常并联切换频差”设定值，相角差低于“正常并联切换相差”设定值，则备用开关合闸，进线开关或母联需要通过开关柜的转换开关跳闸。否则不进行切换并报警。

串联切换：收到手动切换信号时，若主、备用电源频差低于“快速切换频差”设定值，相角差低于“快速切换相差”设定值，则先跳开主电源侧开关，当开关分闸到位后，合闸备用侧开关。否则不进行切换并报警。

同时切换：收到手动切换信号时，若主、备用电源频差低于“快速切换频差”设定值，相角差低于“快速切换相差”设定值，则同时发出主电源开关分闸命令和备用侧开关合闸命令。否则不进行切换并报警。

过流闭锁：针对内网短路的情况，当检测到母线电压低于设定的“失压启动电压幅值”，同时电流大于“外网短路电流上限值”时，认为系统内网短路，控制器闭锁切换功能。

后备失电闭锁：当切换控制器“保护投退”压板投入，以及后备失电闭锁投入，且电压小于后备失电电压幅值三个条件同时满足时，装置闭锁切换功能。

装置闭锁：装置闭锁分为闭锁A(不能自动复归)与闭锁B(能自动复归)两种方式。

闭锁A(不能自动复归)包含“位置闭锁”、“装置异常”、“保护闭锁”、“开关拒分”、“拒合闭锁”五种情况。出现任何一种或同时出现上述多种情况时，装置进入闭锁状态。“位置闭锁”又分为“开关全合”与“开关全分”两种情况。“装置异常”指切换控制器出现“AD/EEPROM/FLASH/CPU”等，即AD转换器、存储器、动画页面、中央处理器等出现故障。

闭锁B(能自动复归)包含“后备失电闭锁”、“同期闭锁”、“出口闭锁”三种情况。出现任何一种或同时出现上述多种情况时，装置进入闭锁状态。“出口闭锁”又分为外部出口闭锁、“方式设置”中出口退出和所有切换方式均退出三种情况。

PT断线闭锁：切换控制器只判断一相PT断线，两相或三相PT断线则认为系统故障，发出切换命令。当切换控制器检测到一相母线电压低于设定的“失压启动电压幅值”，则判断为PT断线，切换控制器闭锁。

所述的合闸器S并联在母联开关K3的两端，合闸器S具有微秒导通特性，在合闸器持续导通的过程中K3合闸，大大提高切换系统的切换速度。

所述的限压装置MOV并联在所述电容器C与所述放电间隙GAP串联支路的两端，用于吸收主回路开断后电感L中储存的能量，并对人工过零支路进行关断。

所述主电源电压监测PT1、备用电源电压监测PT2分别实时监测主、备用电源所在支路电压，并传输给切换控制器。

所述双电源系统的备用电源可以是发电机、超级电容，或者是供电系统中另一具备足够的转供能力，且与主电源相同电压等级的母线等。

以下具体说明：

如附图9，本发明的第一种实施案例为两切系统。所述的主电源进线开关K1进线端与主电源相连，出线端与下级母线相连。所述的备用电源进线开关K2进线端与主电源相连，出线端与下级母线相连。所述的切换控制器通过主电源电压监测PT1、备用电源电压监测PT2实时监测主、备电源电压。

所述的两组人工过零支路分别并联在进线开关K1、K2的两端，放电间隙GAP导通，LC回路产生高频振荡电流，与主回路中的故障电流进行反向叠加，人为制造一个电流过零点，实现通过主电源进线开关K1的故障电流快速过零。

所述的主电源进线开关K1、备用电源进线开关K2、母联开关K3均采用加拿大Max-Swi公司原装进口的高速真空断路器，所述的高速真空断路器将涡流驱动技术与永磁保持技术结合，配以极少的运动部件，拥有极低的故障率，和极高的分闸速度，分闸时间少于2ms。采用可控硅控制分合闸操作，对继电保护命令响应快至微秒级。

本实施案例一的工作原理如下：

正常运行时，主电源进线开关K1处于合闸状态，备用电源进线开关K2处于分闸状态。切换控制器实时监测主、备电源的电压同期性状态，符合并网条件时，快切功能解锁，不符合并网条件时，快切功能闭锁，并报警。当主电源侧发生短路或开路故障时，并且主、备电源的电压同期性满足并网条件，主电源电压监测PT1监测到故障电压，立即向切换控制器传送故障信号。切换控制器在0.5ms内完成计算分析，对主电源进线开关K1发送分闸命令。同时人工过零模块投入，在故障电流自然过零点之前提供一个强制过零点。同时对备用电源进线开关K2发送合闸命令，至此系统完成整个主备电源切换过程。故障解除后，可手动或自动返回。

如附图图2，本发明的第二种实施案例为三切系统。

所述的主电源进线开关K1进线端与主电源相连，出线端与母线I相连。所述的备用电源进线开关K2进线端与备用电源相连，出线端与母线II相连。所述的母联开关K3进出线连接在母线I和母线II之间。所述的切换控制器通过主电源电压监测PT1、备用电源电压监测PT2实时监测主、备电源电压。所述的两组人工过零支路分别并联在快速开关K1、K2的进出线两端，放电间隙GAP导通，LC回路产生高频振荡电流，与主回路中的故障电流进行反向叠加，人为制造一个电流过零点，实现通过主电源进线开关K1的故障电流快速过零。所述的合闸器S并联在母联开关K3的两端，合闸器具有微秒导通特性，在合闸器持续导通的过程中K3合闸，大大提高切换系统的切换速度。

本实施案例二的工作原理如下：

正常运行时，主电源进线开关K1处于合闸状态，由主电源给母线I的馈线上的负载供电；备用电源进线开关K2处于合闸状态，由备用电源给母线II的馈线上的负载供电；母联开关K3处于分闸状态。切换控制器实时监测主、备电源的电能质量，符合并网条件时，快切功能解锁，不符合并网条件时，快切功能闭锁，并报警。当主电源侧发生短路或开路故障时，并且主、备电源的电压同期性满足并网条件，主电源电压监测PT1监测到故障电压，立即向切换控制器传送故障信号。切换控制器同时对主电源进线开关K1发送分闸命令、对母联开关K3和合闸器S发送合闸命令。同时人工过零支路介入，在故障电流自然过零点之前提供一个强制过零点，帮助K1顺利完成开断。此时，K1完成分闸，K3完成合闸，系统完成整个主备电源切换过程。故障解除后，可手动或自动复归。

综上所述，本发明的高速的双电源切换系统供电电源故障快速判断技术为控制基础，采用涡流驱动高速开关，切换速度快，开断能力强。本发明配备两组人工过零支路，切换系统的主电源侧开关和备用电源侧开关结合人工过零技术与切换控制器快速算法，能实现负载5ms内完成从故障电源切到备用电源，在短路发生后第一个半波内，将短路故障快速隔离。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种高速的双电源切换系统，包括切换控制器、主电源进线开关K1、备用电源进线开关K2、母联开关K3，其特征在于：还包括两组人工过零支路、限压装置MOV及合闸器S；

所述两组人工过零支路分别并联在所述主电源进线开关K1、备用电源进线开关K2进出线两端；

所述人工过零支路包括电感L、电容器C、放电间隙GAP_，电感L、电容器C、放电间隙GAP依次串联，组成人工过零支路；放电间隙GAP导通，LC回路产生高频振荡电流，与主回路中的故障电流进行反向叠加，人为制造一个电流过零点，实现通过主电源进线开关K1的故障电流快速过零；

所述的合闸器S并联在母联开关K3的两端；

所述的限压装置MOV并联在所述电容器C与所述放电间隙GAP串联支路的两端，用于吸收主回路开断后电感L中储存的能量，并对人工过零支路进行关断；

所述的切换控制器安装在主柜的继电器室仪表门上，经过控制器二次端子分别与所述主电源进线开关K1、备用电源进线开关K2、母联开关K3连接，实时检测开关位置状态及储能状态，并对开关发送动作指令；

切换控制器通过光纤分别与所述合闸器S、放电间隙GAP连接，控制合闸器S及放电间隙GAP的通断；

所述的切换控制器根据断路器的状态自动识别是运行于主、备电源的方式或是主、备用电源加母联的方式，从而选择相应方式的投切策略。

2.根据权利要求1所述的高速的双电源切换系统，其特征在于：

还包括主电源电压监测PT1和备用电源电压监测PT2，所述的主电源电压监测PT1、备用电源电压监测PT2分别连接在主电源进线开关K1、备用电源进线开关K2的上端；

切换控制器还分别与所述主电源电压监测PT1、备用电源电压监测PT2的二次端子连接，实时采集主、备用电源电压状态。

3.根据权利要求1所述的高速的双电源切换系统，其特征在于：所述主电源进线开关K1进线端与主电源相连，出线端与母线I相连；

备用电源进线开关K2进线端与备用电源相连，备用电源进线开关K2出线端与母线II相连。

4.根据权利要求1所述的高速的双电源切换系统，其特征在于：所述主电源进线开关K1、备用电源进线开关K2、母联开关K3均采用基于涡流驱动的高速真空断路器。

5.根据权利要求3所述的高速的双电源切换系统，其特征在于：所述备用电源是发电机、超级电容，或者是与主电源相同电压等级的母线。

6.一种高速的双电源切换系统的控制方法，基于权利要求1-5任意一项所述的高速的双电源切换系统，其特征在于，包括以下步骤：

当运行主、备用电源加母联的方式，正常运行时，主电源进线开关K1处于合闸状态，由主电源给母线I馈线上的负载供电；备用电源进线开关K2处于合闸状态，由备用电源给母线II馈线上的负载供电；母联开关K3处于分闸状态；

切换控制器实时监测主、备电源的电压同期状态，符合并网条件时，快切功能解锁，不符合并网条件时，快切功能闭锁，并报警；

当主电源侧发生故障时，并且主、备电源的电压同期性满足切换条件，切换控制器检测到电压跌落，迅速命令K1分闸，人工过零支路介入，同时命令K3和S合闸，至此实现对负荷供电的切换。

7.根据权利要求6所述的一种高速的双电源切换系统的控制方法，起特征在于，还包括故障解除后，自动或手动复归。