[发明专利]双电源电压差首周波后过零分相切换控制装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电源切换装置和方法,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和方法。

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200ms左右，分闸时间约50ms，二次系统保护继电器动作时间约100ms。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45ms，分闸时间可减小到约30ms，继电器动作时间约10ms。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。