CN204721078U

CN204721078U - 双电源电压差首周波后过零分相切换控制装置

Info

Publication number: CN204721078U
Application number: CN201520360338.8U
Authority: CN
Inventors: 张喜林; 梁志珊; 夏鹏程; 邵壮; 张帆
Original assignee: China University of Petroleum Beijing; State Grid Corp of China SGCC; State Grid Jilin Electric Power Corp
Current assignee: China University of Petroleum Beijing; State Grid Corp of China SGCC; State Grid Jilin Electric Power Corp
Priority date: 2015-05-29
Filing date: 2015-05-29
Publication date: 2015-10-21
Anticipated expiration: 2025-05-29

Abstract

本实用新型涉及一种双电源电压差首周波后过零分相切换控制装置，双电源电压差首周波后过零分相切换控制装置包括控制母联断路器连接第一母线和第二母线的控制器和永磁开关，永磁开关的一端与第一母线连接，另一端与第二母线连接，控制端与控制器连接；当工作电源故障掉电后，本实用新型采用永磁开关控制在双母线分相电压差首次过零发出合闸指令，恰好在电压差第一个周波后的过零时刻投入备用电源。这样既省略了以前复杂的快速切换判据和首次同期判据的计算，又使动作判据条件是否满足不受负载特性的影响，保证百分百实现电压差首周波后过零分相快速切换，提高了双电源供电系统的切换速度，且不会出现传统机械开关通断时引起的起弧现象，抑制环流的产生，延长了开关的使用寿命。

Description

双电源电压差首周波后过零分相切换控制装置

技术领域

本实用新型涉及一种电源切换装置,特别是一种双电源电压差首周波后过零分相切换控制装置。

背景技术

供电的连续可靠是用电设备安全运行的基本条件，因此对供电可靠性要求较高的场合一般配置两路供电电源，而两路供电电源之间成功的快速切换是连续不间断供电的关键。由于雷击、短路、低频振荡、负载回路故障等外部或内部的原因，石化、冶金和发电厂等大中型工业企业常常出现非正常停电、电压大幅波动或短时断电（俗称“晃电”），由于冶金、石化企业工艺流程的特殊性，供电的中断或异常往往会导致严重的后果，造成设备停运，工艺流程中断，大量废料废品，甚至生产设备的报废。目前，工业企业通常采用备用电源自动投切（简称备自投）装置通过双电源之间的切换来解决上述问题，但由于备自投装置是根据低电压检测以及延时来实现电源之间的切换，因此会造成切换过程中母线断电时间过长，从而导致负载电动机机端电压下降已十分严重，电动机转速、出力相应地严重下降，直接影响工艺质量。

现有技术双电源供电系统包括分别来自两个不同供电电源的工作电源母线和备用电源母线，每个供电母线带一条馈线，每条馈线又各带一条切换母线，两条切换母线由母联断路器连接并分别带有各自的等效负荷。当其中一条供电母线因故障失电时，通过控制器控制母联断路器，让另一条供电母线为失电母线所带负荷供电。对于高压异步感应电动机（以下简称电动机）负荷的容量大且数量较多的企业供电系统，当某一条供电母线失电时，由于高压电动机及负荷的机械惯性，电动机将维持较长时间继续旋转，且将转变为发电机运行工况，因此母线在一段时间内会维持一定的残压并缓慢衰减，频率也会随着电动机转速降低而缓慢下降。在失电瞬间，母线电压的衰减量还不大，但残压与另一供电母线电压的矢量有相角差。如果另一供电母线投入的时机不当，将产生很大的冲击电流，直接作用于电动机。这不但影响了电动机的使用寿命，甚至可能导致切换失败造成供电中断，其后果是十分严重的。因此，电源切换必须根据系统的残压衰减特性，选择合适的切换时机。

目前，现有双电源供电系统的切换方式有主切换和备用切换。主切换也称快速切换，为保证电源成功切换且不产生很大冲击电流，母联断路器最合适的合闸时刻是母线残压与另一供电母线电压的相角差不超过某一整定角度，例如30度，即要求电源系统切换全过程在100毫秒以内完成。备用切换包括首次同期捕捉切换、残压切换和延时切换。首次同期捕捉切换是当某一供电母线断电时，在母线残压与另一供电母线电压向量第一次相位重合时合闸，一般首次同期捕捉切换时间约为600～650毫秒。残压切换是当某一供电母线断电时，当母线残压衰减到20%～40 %额定电压后实现的切换，一般情况下，母线残压衰减到40%的时间约为1秒,母线残压衰减到20%的时间约为1.4秒。延时切换是当某一供电母线断电后，在规定的时间到达时合闸，一般切换时间在1700毫秒以上。

由此可见，现有技术的切换模式实际是“快速 + 慢速”模式。主切换是在快速切换条件满足时，切换装置控制母联断路器合闸，一般在100毫秒内完成切换，则既能保证电动机安全,又不使电动机转速下降太多，是一种“无损”切换。但由于系统的复杂性，主切换的成功率具有一定的随机性，当主切换不能实现时，由于电动机保护时间超过500毫秒其保护开关就会跳闸，如果进入备用切换方式后，电动机驱动的机械负荷就只能停电后重新启动，会给生产造成灾难损失，因此，现有技术备用切换是一种“有损”切换。发明专利（双电源快速切换装置和方法．专利号：200910242138.1）采用在线调节母线残压衰减特性，使母线残压衰减时间缩短，实现“快速 + 快速”模式，提高了双电源供电系统的切换速度。但是，制动电阻的衰减仍需要很长时间，对双电源供电系统的切换速度影响很大。

在双电源快速切换过程中，切换总时间主要取决于一次设备和二次设备的响应时间。断路器和继电器动作时间较长是备用电源自动投入成功率低的主要原因。因为在企业配电网中以前大多数企业使用的是 SN-10系列少油断路器，其合闸时间为200 ms左右，分闸时间约50 ms，二次系统保护继电器动作时间约100 ms。这不能满足双电源快速切换的要求，必须进行断路器和继电器等设备升级改造。目前有些企业采用真空快速断路器，例如，10kV系统有施耐德真空断路器EV12s和ABB真空断路器VD4，其合闸时间缩短约为45 ms，分闸时间可减小到约30 ms，继电器动作时间约10 ms。这样，真空快速断路器配合快切装置能够实现最快在100ms左右将备用电源投入。

由此可以看出，双电源快速切换总时间主要受到开关固有合闸时间的影响。传统机械开关在接通或断开时，会发生触头震动、起弧现象而造成触头蚀损、电磁干扰与电能损失，这不但限制了其使用范围，而且使其电气寿命低于机械寿命。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种双电源电压差首周波后过零分相切换控制装置，实现双电源供电系统电压差首周波后过零分相快速切换；电压差首周波后过零分相快速切换基本原理：三相ABC双电源的相位差曲线如图4所示，从t₁时刻开始检测，C相相位差首先达到过零点，然后，B相相位差达到过零点，A相相位差最后达到过零点。对于50Hz电网，检测到电压差首次过零的时间小于半个周波10ms。本实用新型是根据单相电压差首周波后过零实现双电源快速切换，由于国内某电气公司生产的永磁开关在工艺上能够准确实现合闸时间为一个周波20ms，当检测开始后，遇到电压差过零时刻就可以通过控制器发出合闸指令，永磁开关在电压差第一个周波后过零时刻就能实现接通，所以，C相首先合闸，B相稍后合闸，A相最后合闸。由此可见，无论何时开始检测，检测到相电压差首周波后过零合闸所需时间最大值小于30 ms。所以，对于50Hz电网，永磁开关完成切换最长时间不超过一个半周波30ms。

本实用新型的技术方案是这样实现的：双电源电压差首周波后过零分相切换控制装置，包括控制永磁开关连接第一母线和第二母线的控制器，其特征在于：所述控制器还与用于双电源电压差首周波后过零分相快速切换的永磁开关连接；所述控制器与永磁开关接线，其中永磁开关的一端与第一母线连接，另一端与第二母线连接，控制端与控制器的永磁开关控制接线连接；所述控制器包括第一电流互感器接线、第一电压互感器接线、第一断路器控制接线、第一母线电压互感器接线、第二电流互感器接线、第二电压互感器接线、第二断路器控制接线、第二母线电压互感器接线和永磁开关控制接线，所述第一电流互感器接线与第一电流互感器连接，所述第一电流互感器接线与第一电流互感器连接，所述第一断路器控制接线与第一母线断路器连接，所述第一电流互感器和第一母线断路器依次串接在工作电源母线上，所述第一电压互感器接线与第一电压互感器连接，所述第一母线电压互感器接线与第一母线电压互感器连接；所述第二电流互感器接线与第二电流互感器连接，所述第二断路器控制接线与第二母线断路器连接，所述第二电流互感器和第二母线断路器依次串接在备用电源母线上，所述第二电流互感器接线与第二电压互感器连接，所述第二母线电压互感器接线与第二母线电压互感器连接；所述永磁开关控制接线与永磁开关连接。

本实用新型积极效果是

（1）实现双电源快速切换。

研究表明，双电源供电系统快速切换可能失败有以下两种情况：1）对于来自不同电源的双电源供电系统，当正常运行时，由于存在初始相角差，传统的快速切换判据不能满足快速切换条件的概率相当大。2）即使来自同一电源的初始相角差为零的双电源供电系统，在某些特殊负荷情况下，传统的快速切换判据不能满足条件，双电源快速切换成功率不能保证100%。本实用新型电压差首周波后过零分相切换动作判据条件是否满足不受负载特性的影响，保证百分百实现电压差首次过零快速切换。

本实用新型没有慢速切换，与传统首次同期捕捉切换的概念完全不同。三相ABC双电源的电压差实验数据曲线如图4所示，从t₁时刻开始检测，C相相位差首先达到过零点，然后，B相相位差达到过零点，A相相位差最后达到过零点。这样，对于50Hz电网，检测到电压差首次过零的时间小于半个周波10ms。传统首次同期捕捉切换是在双母线三相电压向量第一次相位重合时（双母线三相电压差第一次同时为零）合闸，即在图4中的t ₂时刻满足首次同期捕捉切换的条件，首次同期捕捉切换时间t ₃= t ₂-t ₁，实验数据表明，一般首次同期捕捉切换时间t ₃约为600～650 ms。本发明电压差首周波后过零分相切换是根据双母线三个单相电压差分别在第一个周波后过零时刻分别切换三个永磁开关。由于永磁开关制造技术实现了接通的时间为一个周波20ms，当检测开始后，遇到电压差过零时刻就可以通过控制器发出合闸指令，永磁开关在电压差第一个周波后过零时刻就能实现接通，所以，在图4中C相首先合闸，C相切换时间t _C大约为22 ms，B相稍后合闸，B相切换时间t _C大约为25 ms，A相最后合闸，A相切换时间t _C大约为28ms。由此可见，无论何时开始检测，检测到相电压差首周波后过零合闸所需时间最大值小于30 ms。所以，对于50Hz电网，永磁开关完成切换最长时间不超过一个半周波30ms。

图4的实验数据表明，这样既省略了以前复杂的快速切换判据和首次同期判据的计算，又使动作判据条件是否满足不受负载特性的影响，通过判断分相电压差首周波后过零分相切换，从而提高了切换速度，并保证百分百实现电压差首次过零快速切换。

（2）开关使用寿命长，经济效益好。

永磁开关在电压过零时合闸，不会出现传统机械开关通断时引起的起弧现象，抑制环流的产生，延长了开关的使用寿命，减小了故障维修概率，从而降低了生产成本。

附图说明

图1为本实用新型双电源快速切换控制装置的结构示意图。

图2为本实用新型双电源快速切换控制方法第一实施例的流程图。

图3为本实用新型双电源快速切换控制方法第二实施例的流程图。

图4为本实用新型电压差首周波后过零分相快速切换过程实验曲线。

具体实施方式

下面通过附图，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

如图1所示，本实用新型双电源快速切换控制装置的主体结构包括控制器和永磁开关，控制器用于在一条母线失电时控制永磁开关CB₃₃将第一母线和第二母线连接，使另一条母线为失电母线所带负荷供电，永磁开关与控制器连接，用于根据控制器的指令实现电压差首周波后过零分相快速切换。具体地，与第一负荷M1连接的第一母线B1和与第二负荷M2连接的第二母线B2由永磁开关CB₃₃连接，同时永磁开关CB₃₃与控制器T连接，当一条母线（如第一母线）失电时，永磁开关CB₃₃通过合闸使另一条母线（如第二母线）为失电母线所带负荷供电。永磁开关分别与控制器T、第一母线B1和第二母线B2连接，用于根据控制器的指令实现分相电压差首次过零快速切换。控制器T用于在失电时判断分相电压差首次过零条件是否满足，如果满足条件就执行下一步，否则继续判断，控制器T控制永磁开关闭合，实现另一条母线为失电母线所带负荷供电。

本实用新型控制器T包括第一电流互感器接线G₁₁、第一电压互感器接线G₁₂、第一断路器控制接线G₁₃、第一母线电压互感器接线G₁₄、第二电流互感器接线G₂₁、第二电压互感器接线G₂₂、第二断路器控制接线G₂₃、第二母线电压互感器接线G₂₄和永磁开关控制接线G₃，其中第一电流互感器接线G₁₁与第一电流互感器CT₁₁连接，第一断路器控制接线G₁₃与第一母线断路器CB₁₁连接，第一电流互感器CT₁₁和第一母线断路器CB₁₁依次串接在工作电源母线Ⅰ上，第一电压互感器接线G₁₂与第一电压互感器PT₃₁的一端连接，第一电压互感器PT₃₁的另一端与工作电源母线Ⅰ连接，第一母线电压互感器接线G₁₄与第一母线电压互感器PT₁₁的一端连接，第一母线电压互感器PT₁₁的另一端与第一母线B1连接；第二电流互感器接线G₂₁与第二电流互感器CT₂₁连接，第二断路器控制接线G₂₃与第二母线断路器CB₂₁连接，第二电流互感器CT₂₁和第二母线断路器CB₂₁依次串接在备用电源母线Ⅱ上，第二电流互感器接线G₂₁与第二电压互感器PT₃₂的一端连接，第二电压互感器PT₃₂的另一端与备用电源母线Ⅱ连接，第二母线电压互感器接线G₂₄与第二母线电压互感器PT₂₁的一端连接，第二母线电压互感器PT₂₁的另一端与备用电源母线Ⅱ连接；永磁开关控制接线G₃与永磁开关CB₃₃连接。实际应用中，工作电源母线Ⅰ上还串接有第一进线断路器CB₁₂和第一负荷断路器CB₃₁，备用电源母线Ⅱ上还串接有第二进线断路器CB₂₂和第二负荷断路器CB₃₂。

本实用新型永磁开关CB₃₃一端与第一母线B1连接，另一端与第二母线B2连接，控制端与控制器T的母联断路器控制接线G₃连接；用于根据控制器T的指令将第一母线和第二母线接通，实现双电源电压差首周波后过零分相切换。

本实用新型双电源电压差首周波后过零分相切换控制装置的工作过程说明如下:

对于工作电源母线Ⅰ失电情况：

A1、正常运行时，工作电源母线Ⅰ为第一负荷M1供电，备用电源母线Ⅱ为第二负荷M2供电，永磁开关CB₃₃处于断开状态；

B1、当工作电源母线Ⅰ失电（第一母线B1失电）时，该侧线路保护（安装于开关CB11内部）经一定延时后启动控制器T，控制器T发出控制指令断开第一母线断路器CB₁₁；

C1、控制器T判断双母线分相电压差首次过零条件是否满足，如果满足条件，执行下一步D1，否则继续执行步骤C1；

D1、控制器T发出控制指令闭合所判断的分相永磁开关CB₃₃；

E1、永磁开关CB₃₃在双母线三相电压差一个周波后的过零时刻完成合闸，实现备用电源母线Ⅱ（第二母线B2）对第一负荷M1的快速供电；

对于备用电源母线Ⅱ失电情况：

A2、正常运行时，工作电源母线Ⅰ为第一负荷M1供电，备用电源母线Ⅱ为第二负荷M2供电，永磁开关CB₃₃处于断开状态；

B2、当备用电源母线Ⅱ失电（第二母线B2电）时，该侧线路保护（安装于开关CB₂₁内部）经一定延时后启动控制器T，控制器T发出控制指令断开第二母线断路器CB₂₁；

C2、控制器T判断双母线分相电压差首次过零条件是否满足，如果满足条件，执行下一步D2，否则继续执行步骤C2；

D2、控制器T发出控制指令闭合所判断的分相永磁开关CB₃₃；

E2、永磁开关CB₃₃在双母线三相电压差一个周波后的过零时刻完成合闸，实现备用电源母线Ⅰ第一母线B1）对第一负荷M2的快速供电；

本实用新型上述技术方案中，双母线分相电压差首次过零条件包括：Δψ≤K1和U2≥K2，其中Δψ为母线电压与备用电源电压之间的相角差绝对值， U2为备用电源电压，K1和K2为整定值，K1几乎等于零，K2一般取80%。

研究表明，双电源供电系统快速切换可能失败有以下两种情况：1）对于来自不同电源的双电源供电系统，当正常运行时，由于存在初始相角差，传统的快速切换判据不能满足快速切换条件的概率相当大。2）即使来自同一电源的初始相角差为零的双电源供电系统，在某些特殊负荷情况下，传统的快速切换判据不能满足条件，双电源快速切换成功率不能保证100%。本发明电压差首周波后过零分相切换是根据双母线三个单相电压差分别在第一个周波后过零时刻分别切换三个永磁开关，与传统首次同期捕捉切换的概念完全不同。传统首次同期捕捉切换是在双母线三相电压向量第一次相位重合时（双母线三相电压差第一次同时为零）合闸，一般首次同期捕捉切换时间约为600～650 ms。本发明是根据单相首周波后过零分相切换，由于永磁开关实现接通的时间为一个周波20ms，对于50Hz电网，当检测开始后，遇到电压差过零时刻就可以通过控制器发出合闸指令，检测到电压差首次过零的时间小于半个周波10ms，永磁开关在电压差第一个周波后过零时刻就能实现接通。所以，三相永磁开关完成切换最长时间不超过一个半周波30ms。这样既省略了以前复杂的快速切换判据和首次同期判据的计算，又使动作判据条件是否满足不受负载特性的影响，保证百分百实现电压差首周波后过零分相切换。

图2为本实用新型双电源电压差首周波后过零分相切换控制方法第一实施例的流程图，包括：

步骤11、当为第一负荷供电的工作电源母线失电时，控制器发出控制指令断开第一母线断路器；

步骤12、控制器判断双母线分相电压差首次过零条件是否满足，是则执行步骤13，否则继续执行步骤12；

步骤13、控制器发出控制指令闭合所判断的分相永磁开关；

步骤14、永磁开关在三相电压差第一个周波后的过零时刻完成合闸，实现备用电源母线对第一负荷快速供电。

图3为本实用新型双电源电压差首周波后过零分相切换控制方法第二实施例的流程图，包括：

步骤21、当为第二负荷供电的备用电源母线失电时，控制器发出控制指令断开第二母线断路器；

步骤22、控制器判断双母线分相电压差首次过零条件是否满足，是则执行步骤23，否则继续执行步骤22；

步骤23、控制器发出控制指令闭合所判断的分相永磁开关；

步骤24、永磁开关在三相电压差第一个周波后的过零时刻完成合闸，实现备用电源母线对第二负荷快速供电。

图4为本实用新型电压差首周波后过零分相快速切换过程实验曲线。本实用新型没有慢速切换，与传统首次同期捕捉切换的概念完全不同。三相ABC双电源的电压差实验数据曲线如图4所示，从t₁时刻开始检测，C相相位差首先达到过零点，然后，B相相位差达到过零点，A相相位差最后达到过零点。这样，对于50Hz电网，检测到电压差首次过零的时间小于半个周波10ms。传统首次同期捕捉切换是在双母线三相电压向量第一次相位重合时（双母线三相电压差第一次同时为零）合闸，即在图4中的t ₂时刻满足首次同期捕捉切换的条件，首次同期捕捉切换时间t ₃= t ₂-t ₁，实验数据表明，一般首次同期捕捉切换时间t ₃约为600～650 ms。本发明电压差首周波后过零分相切换是根据双母线三个单相电压差分别在第一个周波后过零时刻分别切换三个永磁开关。由于永磁开关制造技术实现了接通的时间为一个周波20ms，当检测开始后，遇到电压差过零时刻就可以通过控制器发出合闸指令，永磁开关在电压差第一个周波后过零时刻就能实现接通，所以，在图4中C相首先合闸，C相切换时间t _C大约为22 ms，B相稍后合闸，B相切换时间t _C大约为25 ms，A相最后合闸，A相切换时间t _C大约为28ms。由此可见，无论何时开始检测，检测到相电压差首周波后过零合闸所需时间最大值小于30 ms。所以，对于50Hz电网，永磁开关完成切换最长时间不超过一个半周波30ms。

本实用新型所采用的永磁开关固有分闸时间为5ms，固有合闸时间为20ms，例如，扬州新概念电气有限公司生产的永磁开关可以满足这个要求。

本实用新型双电源电压差首周波后过零分相切换控制方法是采用前述本发明双电源电压差首周波后过零分相切换控制装置实现的一种双电源快速切换方法，相关内容已在前述技术方案中详细介绍，这里不再赘述。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种双电源电压差首周波后过零分相切换控制装置，包括控制永磁开关连接第一母线和第二母线的控制器，其特征在于：所述控制器还与用于双电源电压差首周波后过零分相快速切换的永磁开关连接；所述控制器与永磁开关接线，其中永磁开关的一端与第一母线连接，另一端与第二母线连接，控制端与控制器的永磁开关控制接线连接；所述控制器包括第一电流互感器接线、第一电压互感器接线、第一断路器控制接线、第一母线电压互感器接线、第二电流互感器接线、第二电压互感器接线、第二断路器控制接线、第二母线电压互感器接线和永磁开关控制接线，所述第一电流互感器接线与第一电流互感器连接，所述第一电流互感器接线与第一电流互感器连接，所述第一断路器控制接线与第一母线断路器连接，所述第一电流互感器和第一母线断路器依次串接在工作电源母线上，所述第一电压互感器接线与第一电压互感器连接，所述第一母线电压互感器接线与第一母线电压互感器连接；所述第二电流互感器接线与第二电流互感器连接，所述第二断路器控制接线与第二母线断路器连接，所述第二电流互感器和第二母线断路器依次串接在备用电源母线上，所述第二电流互感器接线与第二电压互感器连接，所述第二母线电压互感器接线与第二母线电压互感器连接；所述永磁开关控制接线与永磁开关连接。