引言
目前，工厂配电系统在实施双路受电电源进线的倒闸切换时仍采用传统常规的值班人员人工就地操作模式，值班人员以电气操作票内容按步骤顺序操作与确认，其操作过程时间长、步骤多、甚至容易发生误操作。此外，在一些特殊的配电系统，双路电源进线可能来自不同供配电电源系统，在人工倒闸操作切换时因双路电源合环并列时产生过大的环流且合环并列时间长而造成上一级供电电源进线的过流保护动作，从而使配电系统电源在倒闸操作时电源受电保护跳闸而失电，影响工厂配电系统供电可靠性及生产供电连续性。在一些双路电源进线不允许手动并列合环操作的特殊工厂配电系统，比如在两路电源系统存在相角差30度的配电电源系统倒闸操作的情况，此时按传统倒闸操作方式操作复杂、操作时间长、操作步骤多且影响生产：需由生产工艺配合逐一转移待倒闸电源所供用电负荷后、再停该路受电电源开关，之后再对另一路电源的联络开关合闸操作、送电正常后再由生产配合逐步恢复原来停电负荷设备的供电。目前在一些配置有备用电源自动投入装置（即BZT装置)的配电系统，其电源手动倒闸切换回路与事故下BZT装置自动投入回路的断路器合闸控制回路是不一致的，正常运行时不具备工作电源与备用电源间手动相互快速切换操作的功能，且不能验证BZT装置自动投入回路的完好性，其自投回路完好性只能在配电系统发生失电故障或周期性计划停电检修试验时才能得以检验。基于以上情况，配电系统即使配置了BZT装置时仍然会因备用电源自动投入回路异常而引发风险，影响配电系统的供电可靠性。随着当前工厂企业人力资源岗位不断优化及供配电系统无人化值守系统改造应用，原有的工厂配电系统倒闸操作切换方式更不适应新的运行管控要求。针对工厂供配电系统以上存在的问题，提出一种实现工厂配电系统电源快速倒闸操作切换方式的自动化装置配置系统，彻底解决以上问题，并适应配电系统就地无人值守、远程集中操控的运行要求，依靠一种特殊的电源切换装置仅在远程监控操作终端操作确认后一键启动即可在60-200毫秒内自动实现工厂配电系统受电电源进线快速可靠自动切换，并可定期在线验证配电系统受电电源自投回路及倒闸切换操作回路的完好性、可靠性，从而显著提高工厂配电系统供电可靠性，提高配电系统自动化水平。
1 企业配电系统实现电源快速倒闸切换操作方式的配置
见图1所示某钢铁企业电源快速切换操作系统在单母线分段接线的供配系统配置原理示意图。
图1 电源快速切换操作系统在单母线分段接线的供配系统配置原理示意图
图2 电源快速倒闸切换的操作步骤
见图1所示工厂配电系统典型的单母线分段电气主接线型式，其两路受电电源分别01DL、02DL受电开关（进线断路器）以及分段母联开关03DL（分段断路器）开关间隔接入配电系统I母、 II母，受电电源回路分别设置受电电源进线电压互感器L1-PT、L2-PT，并分别设置受电电源进线电流互感器及进线保护装置1、保护装置2。需将电源进线1、2的进线电流互感器二次侧ABC三相或AC两相电流均按硬接线方式接入电源切换装置，电源进线1、2的进线电压互感器L1-PT、L2-PT的二次AB线电压同样均按硬接线接入电源切换装置，电源进线1、2的01DL、02DL受电开关的分合位置状态及分合闸控制也按硬接线接入电源切换装置。配电系统I母、 II母分别设置母线电压互感器1PT、2PT；分段母联开关03DL间隔设置母线分段电流互感器及分段保护装置3。配电系统母线电压互感器1PT、2PT的ABC三相电压均按硬接线接入电源切换装置；分段母联开关03DL母线分段电流互感器二次侧ABC三相或AC两相电流、03DL母线分段开关的分合位置状态及分合闸控制按硬接线均接入电源切换装置。配电系统I母、 II母上配出负荷间隔如QF1、QF2、1DL、2DL，其中QF1配出间隔为变电站补偿电容器间隔或同步机间隔。该配出负荷间隔均配置相应的电流互感器及相应保护装置4～7。补偿电容器间隔或同步机间隔QF1～QF2的分闸控制按硬接线接入电源切换装置，根据事故切换的“”逻辑而自动联锁该回路跳闸。其它如1DL、2DL等电机、变压器或通用配电负荷配出间隔的测控接入测控装置。为实现配电系统现场接地无人值守、远程监控及配电系统电源快速倒闸切换操作的功能，故需配置一种专用的电源快速切换装置及测控装置、网路设备及远程操作终端设备。配电系统内所有保护装置的测控可按通讯或硬接线方式接入测控装置，测控装置可以是微机型测控装置或DCS分散控制装置。网络设备作为测控装置与操作终端设备之间的通讯管理与接口设备，负责系统通讯与接口管理。操作终端设备为人机接口操作设备，具有人机接口操作界面，具备电源切换方式选择及电源切换一键启动的接口界面功能、报警信号等功能，用于远程操作监控用途。电源进线及母线分段开关为快速动作的断路器，其分合闸时间均小于60mS；专用的电源快速切换装置具备手动并列切换、手动串联切换及事故自动切换功能，并具备切换方式及相关功能的投退选择。其中事故自动切换功能包括“保护启动”或“逆功率启动”、“无流启动或频率异常启动”、“失压启动”、“误跳启动”等功能，以“快速切换”或“同期捕捉切换”、“检残压切换”等方式按“串联切换”模式的“先断后合”的方式检测到工作电源开关后再自动合上备用电源开关，实现两电源间事故快速自动切换功能。手动并列切换具备并列条件检测判定功能，合环时间宜按200-300 mS设置；串联切换方式下备用电源快速合闸时应判定待切换的母线电压与备用电源之间的相角差宜按40-45度角度设置，以满足电源切换装置的串联切换方式中备用电源断路器合闸时工作母线残压与备用电源的相角差不大于60度要求。
2 配电系统具备正常并列条件的倒闸操作
配电系统快速倒闸切换系统的操作使用方法，如图2所示倒闸操作流程图。集控值班人员接受电源倒闸切换的操作调度指令，在监控操作终端界面确认供电系统运行方式及倒闸切换方式后点击功能键进入电源快速切换操作界面。查看切换监控界面中切换装置有无切换闭锁及报警信号，如果有则确认查找报警原因并排除报警故障，点击复归信号指令按钮后复归报警信号。如果不需要特别改变手动切换方式，则切换监控界面默认采用手动并联切换。
若配电系统具备两电源间并列切换条件，则选择并列切换模式、按“先合后断”的模式、两电源合环时间仅在200毫秒至300毫秒就自动完成一次两路电源间倒闸切换，在切换监控界面及电源切换装置面板上均发出切换完成及切换闭锁的信号，配电系统电源供电方式相应改变，在监控界面或电源切换装置面板上按“信号复归”按钮对信号进行确认复归，以使切换装置具备下一次切换操作的准备；若系统并列条件不满足或设备故障或电源进线开关与分段开关的回路故障时未能完成切换，则在切换监控界面及电源切换装置面板上均发出切换异常及相应报警信息提示，同时停止切换，自动恢复原电源回路供电，原配电系统供电方式保持原有状态不影响配电系统正常运行。若因配电系统特殊方式需要选用手动串联切换时，则在切换监控界面中点击切换方式按钮，确认后将在切换监控界面反馈为串联切换方式的信号。反之则默认为并联切换方式；在切换监控界面中确认点击切换指令按钮，确认后使得系统按“先断后合”切换逻辑自动快速切换，当切换成功将在切换监控界面上反馈为切换成功及闭锁信号；若切换失败，则反馈报警信号，同时停止切换，自动恢复原电源回路供电。在切换监控界面上复位切换闭锁信号，退出电源切换界面，确认切换后的信号，再汇报调度。在监控操作终端后台界面中电源快速切换操作的报警信息提示的主要条目有：切换完成、切换闭锁、快切装置异常、后备电源失电异常、开关位置状态异常、装置PT断线等信号。与以前采用传统常规的值班人员人工就地操作模式相比，避免了以前由值班人员按电气操作票内容按步骤顺序操作与确认、操作过程时间长、甚至长达10分钟及以上、还可能发生误操作的缺点，同时也避免了以往常规并列倒闸操作时因并列合环时环流过大影响使上一级配电开关过流保护误动作跳闸而失电的问题，此外实现了电源进线开关的切换回路完好性验证。
3 配电系统不具备并列条件而需采用串联切换的倒闸操作及分析
若配电系统的两路电源进线来自不同供配电电源系统，不具备手动并列合环倒闸操作条件时，例如两路电源系统存在固有相角差30度配电系统的特殊情况不允许并列操作，此时在切换监控界面上点击相关的功能按钮，确认改为“串联切换”模式，选择一键启动切换功能，按“先断后合”的模式，自动实现变电站两路受电电源之间或受电电源与母线分段断路器之间快速自动倒闸切换，快速自动倒闸切换时母线失电时间仅在60毫秒至100 毫秒之间，该失电时间长短受断路器的分合闸时间及电源切换装置逻辑动作时间的因素影响。对于具备大容量的感性负载或容性补偿负载的工厂配电系统，对生产供电负荷的影响很小，对供电系统冲击很小。在100毫秒内就可平息该扰动，几乎不影响生产系统的连续运行。与以往传统手动操作方式相比，在此情况下避免了以往传统手动操作方式下需由生产配合转移待停电源的供电负荷后、再停该路受电电源开关，之后再对另一路电源的联络开关合闸操作、送电正常后再由生产工艺配合逐步恢复原来停电设备供电的复杂倒闸切换操作，避免了以往传统手动操作方式下影响生产且倒闸操作时间长、操作步骤多的缺点。
图3 两电源串联切换时母线电压及电源进线电流与母线压差录波截图
如图3所示某厂工作电源与备用电源间手动串联切换时的电源进线电流及母线电压与残压差的变化录波分析截图。两电源系统依靠电源快速切换系统，实施手动启动切换操作，以“串联切换”方式实施自动快速切换时，在工作电源自动断开母线失电时，工作母线残压逐步衰减、与备用电源压差逐步增大，在备用电源合闸时压差最大峰值仅约24V，相角差仅约5°-6°，工作母线失电时间仅约64 毫秒，切换后在5个周波的波形后（5个周波的波形时间为100毫秒），电流扰动就恢复到正常负荷电流波形，所有高压设备及高压变频供电设备、低压变频供电设备及接触器供电的低压设备均无跳闸，对供电系统扰动很小、对生产连续性几乎无影响。工作段母线电源突然断开失电后受母线上电动机负载反馈影响，其母线残压相对备用电源的变化过程用如图4所示用极坐标分析母线失电时母线残压变化及电动机安全合闸区域分析截图，其母线残压不断衰减、与备用电源相角Φ不断在0度至360度间变化、电动机允许的安全区域合闸的分析。电动机可以长期承受 1.1至1.2 倍额定电压，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电动机耐受电压值，电动机就是安全的。因此备用电源投入时会在不大的冲击下将电动机群拉入同步。在电动机群数量及容量较大的场合，工作母线残压与备用电源电压间相角Φ的变化速度较慢，加之专用的电源切换装置及断路器分合闸时间短，该合闸时间小于60毫秒。利用电源快速切换技术，使备用电源投入时的相角Φ大约在 60度以内， 图4中A’-B-C-A” 曲线右侧快速合闸的安全区域内备用电源快速投入合闸时，母线失电时间小于100毫秒，对供配电系统的影响很小。在此情况下，不会中断低压接触器控制设备的持续供电运行，变频器控制设备也不会跳闸。对供配电系统两电源间有固定角度30°的相角差的供配电系统，若存在感性或容性负载容量较大的场合，其电源开关一般采用弹簧蓄能的真空断路器及SF6绝缘的断路器等快速分合闸的断路器，快速切换检母线电压与备用电源之间的相角差按40-45度角度设置时，采用串联切换并在100毫秒内完成切换时，工作母线残压的相角差变化仅5至10度，在备用电源投入合闸时母线残压与备用电源相角完全满足合闸时相角Φ小于60度以内，电动机是安全允许的。
图4 母线失电时母线残压变化及电动机安全合闸区域分析图
4 事故下电源快速自动切换分析
对于供电可靠性要求高的工厂配电系统，在两路电源受电进线或母线分段不再按以往传统常规配置备用电源自动投入装置（简称BZT装置），直接在电源切换装置中配置电源快速自动切换功能，投入相应的“保护启动”或“逆功率启动”、“无流启动或频率异常启动”、“失压启动”、“误跳启动”等功能，以“快速切换”或“同期捕捉切换”、“检残压切换”等方式按“串联切换”模式实现现两电源间事故失电满足切换条件时快速自动事故切换功能。其中“检残压切换”方式与传统BZT动作原理类似，但与BZT不同之处在于BZT仅能单向事故切换、而快切技术可实现两电源间操作切换。两电源间事故失电满足切换条件时能快速自动切换功能，以保证配电系统失电时间短、系统扰动小、影响时间短、对生产连续供电影响小的明显优点。在实施“同期捕捉切换”及“检残压切换”逻辑时应联锁自动切除有补偿电容或同步机的配出断路器。利用电源快速切换装置的正常手动倒闸切换操作回路与事故下电源自动快速切换的出口回路完全一致的特点，实现配电系统两路电源正常运行情况下的定期相互手动快速切换试验，以验证电源相互切换回路的完好性，避免了以往传统BZT装置正常运行时不具备手动相互操作切换功能、在正常运行中不能检查试验BZT装置备用电源自动投入回路完整性、影响供配电系统可靠性的问题。
5 结 语
采用电源串联快速自动切换操作，在100毫秒内完成切换的方式，对大容量电感性负载的供配电系统扰动小、对连续生产供电影响小。不同电源系统间的“不停电”快速倒闸切换操作方式，打破传统的不具备电源并列条件的倒闸操切换作需要停电的误区，特别是对极端情况下两供电电源系统存在固定相角差30°的供配电系统的电源倒闸操作，可在监控系统操作终端按“串联切换”方式实现电源系统“一键切换”功能。对于不存在固定相角差30度的供配电系统的电源倒闸操作，采用“并联切换”方式在监控终端操作界面中以“一键切换”实现两路受电电源之间或受电电源与母线分段断路器之间快速自动倒闸切换，与传统的按电气操作票人工手动逐项按步骤操作的电源进线并列倒闸切换操作方式相比具有明显优势，避免以往传统的人工倒闸切换操作受配电系统运行方式影响、操作时间长、操作步骤多,可能发生误操作、甚至造成上一级配电电源因并列合环时过大环流影响使上一级配电开关过流保护误动作跳闸而失电的问题,同时实现了两路受电电源开关切换回路定期在线进行完好性验证，保证了供配电系统安全可靠运行。采用以电源快速切换技术为核心的电源快速倒闸操作切换方式，更好地适应企业配电系统就地无人值守、远程集中操控的运行要求。（作者：攀钢集团攀枝花钢钒有限公司能源动力分公司 高大全 李星 杨余杰 杨军）[1] 高大全，杨余杰，李星等.配电系统快速倒闸切换系统[P].中国：CN202310829568.3，20230822[2] 江苏金智科技股份有限公司.MFC2000-6B电源快速切换装置说明书[Z] .2019
来源：冶金企业供用电专业安全经济稳定运行及智能化技术应用研讨会
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