供電電源快速切換原理及ETAP仿真策略

1、供電電源快速切換原理及ETAP仿真策略深圳市康必達(dá)控制技術(shù)有限公司201621.導(dǎo)言 微機(jī)型電源快切裝置最早應(yīng)用于發(fā)電廠廠用電電源快速切換上面，其對(duì)廠用電系統(tǒng)在失電后快速恢復(fù)供電，保證電廠正常生產(chǎn)起著巨大作用。近年來(lái)，快切裝置也逐漸被應(yīng)用于工礦企業(yè)的供電電源的快速切換上，以取代常規(guī)備用電源自投裝置。2.切換方式 供電電源切換的方式可按開關(guān)動(dòng)作順序分類，也可按啟動(dòng)原因分類，還可按切換速度進(jìn)行分類。盡管絕大多數(shù)情況下，采用相同的切換方式，如正常切換采用并聯(lián)方式，事故切換采用串聯(lián)方式，但以下所述的其他所有方式都有實(shí)際應(yīng)用的場(chǎng)合和應(yīng)用的原因和理由。 2.1 按開關(guān)動(dòng)作順序分類（動(dòng)作順序以工作電源切向備

2、用電源為例） . 并聯(lián)切換：先合上備用電源，再跳開工作電源。這種方式多用于正常切換，如起、 停機(jī)。并聯(lián)方式另再分為并聯(lián)自動(dòng)和并聯(lián)半自動(dòng)兩種，并聯(lián)自動(dòng)指由快切裝置先合 上備用開關(guān)，經(jīng)短時(shí)并聯(lián)后，再跳開工作電源；并聯(lián)半自動(dòng)指快切裝置僅完成合備 用，跳工作由人工完成。并聯(lián)切換母線不斷電。 . 串聯(lián)切換：先跳開工作電源，在確認(rèn)工作開關(guān)跳開后，再合上備用電源。母線斷電 時(shí)間約為備用開關(guān)合閘時(shí)間。此種方式多用于事故切換。 . 同時(shí)切換：這種方式介于并聯(lián)切換和串聯(lián)切換之間。先發(fā)跳工作命令，經(jīng)短延時(shí)后 再發(fā)合備用命令，短延時(shí)的目的是保證工作電源先斷開、備用電源后合上。母線斷電時(shí)間大于0而小于備用開關(guān)合閘時(shí)間。

3、這種方式既可用于正常切換，也可用于事故切換。 2.2 按啟動(dòng)原因分類 . 手動(dòng)切換：由運(yùn)行人員手動(dòng)操作啟動(dòng)，快切裝置按事先設(shè)定的手動(dòng)切換方式（并聯(lián)、同時(shí)、串聯(lián)）進(jìn)行分合閘操作。 . 事故切換：由保護(hù)出口啟動(dòng)，快切裝置按事先設(shè)定的自動(dòng)切換方式（串聯(lián)或同時(shí)）進(jìn)行分合閘操作。 . 不正常情況自動(dòng)切換：有兩種不正常情況，一是母線失壓。母線電壓低于整定電壓且進(jìn)線無(wú)流達(dá)整定延時(shí)后，裝置自行啟動(dòng)，并按自動(dòng)方式進(jìn)行切換。二是工作電源開關(guān)誤跳，由工作開關(guān)輔助接點(diǎn)啟動(dòng)切換，在合閘條件滿足時(shí)合上備用電源。 2.3 按切換速度或合閘條件分類 . 快速切換 . 同期捕捉切換 . 殘壓切換 . 長(zhǎng)延時(shí)切換 下節(jié)將重點(diǎn)說(shuō)明

4、這四種切換的原理，這是本文重點(diǎn)和核心內(nèi)容。3 四種快切切換原理市場(chǎng)上所用微機(jī)快切裝置主要應(yīng)用下面四種快切方式：快速切換、同期捕捉切換、殘壓切換、長(zhǎng)延時(shí)切換。 3.1 快速切換 假設(shè)有圖1所示的供電系統(tǒng)，正常運(yùn)行時(shí)1DL和2DL合，3DL分。#1進(jìn)線和#2進(jìn)線互為備用。當(dāng)1進(jìn)線發(fā)生故障后，必須先跳開1DL，然后合3DL，反之亦然。以#1進(jìn)線到#2進(jìn)線切換為例，跳開1DL后#1母線失電，電動(dòng)機(jī)將惰行。由于負(fù)荷多為異步電動(dòng)機(jī)，對(duì)單臺(tái)電動(dòng)機(jī)而言，電源切斷后電動(dòng)機(jī)定子電流變?yōu)榱?，轉(zhuǎn)子電流逐漸衰減，由于機(jī)械慣性，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速將從額定值逐漸減速，轉(zhuǎn)子電流磁場(chǎng)將在定子繞組中反向感應(yīng)電勢(shì)，形成反饋電壓。多臺(tái)異步電機(jī)

5、聯(lián)結(jié)于同一母線時(shí)，由于各電機(jī)容量、負(fù)載等情況不同，在惰行過(guò)程中，部分異步電動(dòng)機(jī)將呈異步發(fā)電機(jī)特征，而另一些呈異步電動(dòng)機(jī)特征。母線電壓即為眾多電動(dòng)機(jī)的合成反饋電壓，俗稱殘壓，殘壓的頻率和幅值將逐漸衰減。通常，電動(dòng)機(jī)總?cè)萘吭酱螅瑲垑侯l率和幅值衰減的速度越慢。圖1一次系統(tǒng)簡(jiǎn)圖以極坐標(biāo)形式繪出母線殘壓相量變化軌跡如圖2所示。 圖2 母線殘壓特性示意圖 圖中VD 為母線殘壓，VS 為備用電源電壓，U 為備用電源電壓與母線殘壓間的差壓。為了分析的方便，我們?nèi)∫粋€(gè)電源系統(tǒng)與單臺(tái)電動(dòng)機(jī)為例，將備用電源系統(tǒng)和電動(dòng)機(jī)等值電路按暫態(tài)分析模型作充分簡(jiǎn)化，忽略繞組電阻、勵(lì)磁阻抗等，以等值電勢(shì)VS 和等值電抗XS代表備用

6、電源系統(tǒng)，以等值電勢(shì)VM 和等值電抗XM來(lái)表示電動(dòng)機(jī)，如圖3所示： 圖3 單臺(tái)電動(dòng)機(jī)切換分析模型 由于單臺(tái)電機(jī)在斷電后定子電路開路，因此其電勢(shì)VM就等于機(jī)端電壓，在備用電壓合上前，VM VD 。備用電源合上后，電動(dòng)機(jī)繞組承受的電壓UM 為： UM = XM /（XS XM）×（VS VM ） 因VM VD ，則（VS VM ）（VS VD ）U 所以，UM = XM /（XS XM）×U （1） 令 K XM /（XS XM），則 UMKU （2） 為保證電動(dòng)機(jī)安全，UM 應(yīng)小于電動(dòng)機(jī)的允許啟動(dòng)電壓，設(shè)為1.1 倍額定電壓UDe，則有： KU 1.1 UDe （3） U （

7、）1.1 / K （4） 設(shè)XS : XM =1：2，K0.67，則U （）1.64。圖2中，以A為圓心，以1.64為半徑繪出弧線A'A''，則A'A''的右側(cè)為備用電源允許合閘的安全區(qū)域，左側(cè)則為不安全區(qū)域。若取K0.95，則U （）1.15，圖2中B'B''的左側(cè)均為不安全區(qū)域，理論上K01，可見(jiàn)K值越大，安全區(qū)越小。 假定正常運(yùn)行時(shí)工作電源與備用電源同相，其電壓相量端點(diǎn)為A，則母線失電后殘壓相量端點(diǎn)將沿殘壓曲線由A向B方向移動(dòng)，如能在AB段內(nèi)合上備用電源，則既能保證電動(dòng)機(jī)安全，又不使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降太多，這就是所謂的“

8、快速切換”。 在實(shí)現(xiàn)快速切換時(shí)，廠用母線的電壓降落、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降都很小，備用分支自啟動(dòng)電流也不大。切換過(guò)程中相關(guān)的電壓、電流錄波曲線如圖4所示。 圖4 快速切換時(shí)的電流電壓波形 在實(shí)際工程應(yīng)用中，是否能實(shí)現(xiàn)快速切換，主要取決于工作電源與備用電源間的固有初始相位差0、快切裝置啟動(dòng)的方式（保護(hù)啟動(dòng)等）、備用開關(guān)的固有合閘時(shí)間以及母線段當(dāng)時(shí)的負(fù)載情況（相位差變化速度/t（或頻差f）等。例如，假定目標(biāo)相位差為不大于60°，初始相位差為10°（備用電源電壓超前），在合閘固有時(shí)間內(nèi)平均頻差為1Hz，固有合閘時(shí)間為100ms，則合閘時(shí)的相差約46°，或倒過(guò)來(lái)講，只要啟動(dòng)時(shí)相差

9、小于24°，則合上時(shí)相差小于60°；相同條件下，若初始相差大于24°，或合閘時(shí)間大于140ms，則無(wú)法保證合閘瞬間相位差小于60°。 從理論上講，根據(jù)上述計(jì)算公式，在裝置啟動(dòng)后，可以通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算動(dòng)態(tài)確定B點(diǎn)的位置，結(jié)合當(dāng)時(shí)的其他條件，如頻差、相差等，來(lái)判斷是否能實(shí)現(xiàn)快速切換。B點(diǎn)通常還是由相角來(lái)界定。 3.2 同期捕捉切換 在1997年以前，國(guó)內(nèi)外所有的文獻(xiàn)和產(chǎn)品中，都只有快速切換、殘壓切換、延時(shí)切換， 而沒(méi)有“同期捕捉切換”。同期捕捉切換，由原東南大學(xué)東大集團(tuán)電力自動(dòng)化研究所（現(xiàn)改制為東大金智電氣和金智科技股份公司）提出，并首次成功運(yùn)用于MFC2000

10、1型快切裝置，其原理如下： 圖2中，過(guò)B點(diǎn)后BC段為不安全區(qū)域，不允許切換。在C點(diǎn)后至CD段實(shí)現(xiàn)的切換以前通常稱為“延時(shí)切換”或“短延時(shí)切換”。因不同的運(yùn)行工況下頻率或相位差的變化速度相差很大，因此用固定延時(shí)的辦法很不可靠，現(xiàn)在已不再采用。利用微機(jī)型快切裝置的功能，實(shí)時(shí)跟蹤殘壓的頻差和角差變化，實(shí)現(xiàn)C-D段的切換，特別是捕捉反饋電壓與備用電源電壓第一次相位重合點(diǎn)實(shí)現(xiàn)合閘，這就是“同期捕捉切換”。實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，可以做到在過(guò)零點(diǎn)附近很小的范圍內(nèi)合閘，如±5°。以上圖為例，同期捕捉切換時(shí)廠母電壓為6570額定電壓，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不至下降很大，通常仍能順利自啟動(dòng)，另外，由于兩電壓同相

11、，備用電源合上時(shí)沖擊電流較小，不會(huì)對(duì)設(shè)備及系統(tǒng)造成危害。同期捕捉切換過(guò)程中，相關(guān)的電壓電流錄波曲線如圖5所示。 圖5 同期捕捉切換時(shí)的電流電壓波形 同快速切換一樣，理論上可以動(dòng)態(tài)確定C點(diǎn)的位置，搶在剛過(guò)這一點(diǎn)時(shí)合閘，以盡量縮短母線斷電時(shí)間，但因許多現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題，工程實(shí)施也需要滿足一定條件。 3.3 殘壓切換 當(dāng)母線電壓衰減到2040額定電壓后實(shí)現(xiàn)的切換通常稱為“殘壓切換”。殘壓切換雖能保證電動(dòng)機(jī)安全，但由于停電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，電動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)成功與否、自啟動(dòng)時(shí)間等都將受到較大限制。如上圖情況下，殘壓衰減到40的時(shí)間約為1秒，衰減到20的時(shí)間約為1.4秒。而對(duì)另一機(jī)組的試驗(yàn)結(jié)果表明，衰減到20的時(shí)間為2秒。

12、殘壓切換過(guò)程中，相關(guān)的電流電壓錄波曲線如圖6所示。 圖6 殘壓切換時(shí)的電流電壓波形 3.4 長(zhǎng)延時(shí)切換 目前，一些大容量機(jī)組，如某些600MW機(jī)組工程，發(fā)電機(jī)出口設(shè)置開關(guān)，正常切換通過(guò)發(fā)電機(jī)出口開關(guān)完成。當(dāng)工作電源發(fā)生故障時(shí)，需切換至備用電源以便安全停機(jī)。如備用電源的容量不足以承擔(dān)全部負(fù)載，甚至不足以承擔(dān)通過(guò)殘壓切換過(guò)去的負(fù)載的自啟動(dòng)，只能考慮長(zhǎng)延時(shí)切換。 4.快切設(shè)備若干爭(zhēng)議問(wèn)題 市場(chǎng)上國(guó)產(chǎn)微機(jī)快切設(shè)備主要供應(yīng)廠商為東大金智、深圳智能等，它們的快切設(shè)備在實(shí)現(xiàn)原理上存在許多矛盾和爭(zhēng)議的地方。本節(jié)主要討論這些爭(zhēng)議問(wèn)題。（本節(jié)主要以廠用電快切為例，工礦企業(yè)供電電源快切原理相同）4.1 廠用電快速切

13、換與發(fā)電機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期 廠用電快速切換和發(fā)電機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期都是發(fā)電廠中最重要的電氣操作之一，在操作對(duì)象、操作管理、功能要求、性能要求等方面有很大的不同，但在具體的實(shí)現(xiàn)技術(shù)上，有部分相同之處。因此部分廠商認(rèn)為：“廠用電正常切換是地道的同期操作，應(yīng)嚴(yán)格地按同期數(shù)學(xué)模型控制切換過(guò)程”；另外一些廠商認(rèn)為這個(gè)看法存在誤區(qū)，他們認(rèn)為： 廠用電切換與發(fā)電機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期最大的區(qū)別在于： 1） 廠用電正常切換發(fā)生在發(fā)電機(jī)并網(wǎng)之后，同期的三要素：頻率、電壓幅值和相位差無(wú)法像發(fā)電機(jī)同期那樣可以調(diào)整。 . 頻率：工作電源的頻率與備用電源相同，不可能調(diào)、也無(wú)必要調(diào)。 . 電壓幅值：正常運(yùn)行時(shí)廠用電工作電源與備用電源電壓幅值的

14、一致性是由廠用電一次系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來(lái)保障的，在不同運(yùn)行方式下兩側(cè)電壓幅值差一般較小，不影響廠用電合環(huán)。如果電壓差很大，理論上可以通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)端電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)，但發(fā)電機(jī)端電壓首先應(yīng)滿足電網(wǎng)調(diào)度及發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行的需要，僅為滿足精確同期而調(diào)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁在實(shí)際運(yùn)行時(shí)是不現(xiàn)實(shí)和不必要的。 . 相位差： 工作電源與備用電源間的相位差取決于備用電源的引接方式及電網(wǎng)不同運(yùn)行方式下兩側(cè)電壓的功角差，這是個(gè)不可控量，只能通過(guò)不同的切換方式來(lái)適應(yīng)它。而發(fā)電機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期則不同，發(fā)電機(jī)并網(wǎng)前，頻率、電壓幅值、相位都可調(diào)、可控，完全可以實(shí)現(xiàn)精確的同期。因此，廠用電正常切換，既不是地道的同期操作，也不可能嚴(yán)格按同期數(shù)學(xué)模型控制切換

15、過(guò)程。 2）在事故切換等自動(dòng)切換時(shí)，在備用電源投入前，由于工作電源已斷電，電動(dòng)機(jī)開始惰行，母線電壓的幅值、頻率將逐漸下降，與備用電源電壓間的相位差持續(xù)增大，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，已完全失去了與備用電源同步的可能。另一方面，此時(shí)電動(dòng)機(jī)只有轉(zhuǎn)子衰減電流和惰行轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)，而沒(méi)有強(qiáng)迫勵(lì)磁產(chǎn)生的同步磁場(chǎng)和力矩，如電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降不太大（一般指母線電壓不低于6065），當(dāng)備用電源投入時(shí)，新的同步磁場(chǎng)將很快將異步磁場(chǎng)拉入正常轉(zhuǎn)差范圍。因此，廠用電事故切換，更不是地道的同期操作，也不可能嚴(yán)格按同期數(shù)學(xué)模型控制切換過(guò)程。 4.2 關(guān)于正常并聯(lián)切換 正常并聯(lián)切換即先合上備用（工作）電源開關(guān)，后跳開工作（備用）電源開關(guān)，

16、由于存在兩個(gè)電源的短時(shí)并列，構(gòu)成廠用工作電源發(fā)電廠接入系統(tǒng)電網(wǎng)發(fā)電廠備用電源系統(tǒng)廠用備用電源廠用工作電源的環(huán)路，因此并聯(lián)切換也稱合環(huán)操作。國(guó)內(nèi)目前只有極少數(shù)電廠的廠用電切換發(fā)生在不同頻率的兩個(gè)獨(dú)立電網(wǎng)之間，這種情況下不允許合環(huán)操作，而應(yīng)采用同時(shí)切換或串聯(lián)切換。同頻情況下，合環(huán)操作對(duì)并列點(diǎn)兩側(cè)電壓的相位差有要求，如不大于20°。國(guó)內(nèi)有少數(shù)電廠的初始相位差在某些運(yùn)行方式下超過(guò)10°，有的接近20°，這種情況下，需要當(dāng)?shù)卣{(diào)度中心進(jìn)行合環(huán)潮流、靜態(tài)安全分析計(jì)算和穩(wěn)定分析計(jì)算等，以確保合環(huán)不引起系統(tǒng)問(wèn)題。 有的廠商對(duì)這20°定值產(chǎn)生質(zhì)疑，認(rèn)為 “實(shí)際上通過(guò)潮流計(jì)算

17、完全可以獲得這個(gè)閉鎖角的運(yùn)行值，一般運(yùn)行方式下，這個(gè)允許值遠(yuǎn)不止是20°，而是更大，這意味著實(shí)現(xiàn)并聯(lián)切換的機(jī)會(huì)更多”。這個(gè)觀點(diǎn)存在爭(zhēng)議，反對(duì)的理由如下：首先，在我國(guó)歷來(lái)頒布的調(diào)度規(guī)程中，明確說(shuō)明：“合環(huán)操作，必須相位（序）相同，電壓差、相位差應(yīng)符合規(guī)定；應(yīng)確保合環(huán)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，潮流變化不超過(guò)電網(wǎng)穩(wěn)定、設(shè)備容量等方面的限制”。合環(huán)引起潮流的重新分配，或使某些元件減輕負(fù)載，或使某些元件增大負(fù)載，可以通過(guò)合環(huán)潮流計(jì)算校驗(yàn)是否過(guò)載，這是其一；合環(huán)，特別是相角差較大時(shí)的合環(huán)，將引起較大的有功擾動(dòng)，對(duì)電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定安全構(gòu)成影響，必須通過(guò)復(fù)雜的穩(wěn)定計(jì)算進(jìn)行校驗(yàn)，這是其二。因此，上述僅以潮流

18、分布來(lái)確定合環(huán)條件的觀點(diǎn)是片面的。實(shí)際上，目前各地電力調(diào)度中心在進(jìn)行合環(huán)時(shí)控制的相角差比20°還要小。 其次，電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè) 電氣二次部分，第二十二章 發(fā)電廠和變電所的自動(dòng)裝置，有明確表述：“初始相角的存在、在手動(dòng)并聯(lián)切換時(shí)，兩臺(tái)變壓器之間要產(chǎn)生環(huán)流，環(huán)流過(guò)大，對(duì)變壓器是有害的初始相角在20°時(shí)，環(huán)流的幅值大約等于變壓器的額定電流故如果廠用工作/備用變壓器的引接可能使它們之間的夾角超過(guò)20°時(shí)，廠用備用電源切換裝置和手動(dòng)切換時(shí)應(yīng)加同步檢查繼電器閉鎖”。 4.3 關(guān)于實(shí)切過(guò)程中安全區(qū)域的控制 有觀點(diǎn)針對(duì)上述關(guān)于快速切換和同期捕捉切換的理論分析，進(jìn)一步認(rèn)為就取母

19、線斷電前合成負(fù)載的XM，及取備用變短路電抗作為XS，可實(shí)時(shí)計(jì)算U 的允許值，廠用電實(shí)切過(guò)程中快速切換和同期捕捉切換安全域就以該U 為界線：“為了準(zhǔn)確得到與廠用電運(yùn)行方式相關(guān)的U值，在廠用電正常運(yùn)行時(shí)不斷實(shí)時(shí)測(cè)量廠用負(fù)荷的等值阻抗，直到工作分支跳閘為止，用最后的阻抗值與已知的起備變短路電抗值就很容易計(jì)算出U的允許值，確保在投入備用電源瞬間電動(dòng)機(jī)群所承受的電壓在容許值把“快速切換”定義在U到達(dá)允許值前的整個(gè)區(qū)間內(nèi)，此時(shí)投入備用電源時(shí)的相角差中可能已是100多度了如果由于無(wú)法實(shí)現(xiàn)快速切換，繼而進(jìn)入>180°的區(qū)間實(shí)現(xiàn)慢速切換，但不會(huì)去捕捉同期點(diǎn)，而仍然是去捕捉電動(dòng)機(jī)群能耐受的U點(diǎn)”（

20、以上觀點(diǎn)由深圳智能提出，并在SID-8BT同期快切設(shè)備上得到應(yīng)用）。這個(gè)觀點(diǎn)看起來(lái)似乎有道理，但實(shí)際上爭(zhēng)議非常大，甚至被認(rèn)為是錯(cuò)誤的，原因在于： 1） 適用模型參數(shù)錯(cuò)誤 一般分析是以電動(dòng)機(jī)暫態(tài)分析模型為基礎(chǔ)的，電抗XM 為電動(dòng)機(jī)的暫態(tài)電抗。與穩(wěn)態(tài)模型相比，忽略了繞組電阻，且視轉(zhuǎn)子為短路，等同于電動(dòng)機(jī)處于停轉(zhuǎn)狀態(tài)，此時(shí)從定子側(cè)觀察到的等值電抗即為XM 。我們知道，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組模型中有一個(gè)代表電動(dòng)機(jī)機(jī)械功率的等值電阻Rr×（1s）/s，其中Rr 為轉(zhuǎn)子繞組電阻，s為轉(zhuǎn)差率。廠用電自動(dòng)切換，都發(fā)生在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，特別時(shí)切換前，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速通常為額定轉(zhuǎn)速。母線失電前測(cè)量出的等值阻

21、抗是轉(zhuǎn)子額定轉(zhuǎn)速下的穩(wěn)態(tài)參數(shù)，以此來(lái)替代電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子靜止?fàn)顟B(tài)下暫態(tài)參數(shù)XM，顯然是錯(cuò)誤的。 廠用母線上運(yùn)行著眾多的負(fù)載，從模型上看，有電動(dòng)機(jī)模型、變壓器模型，還有恒定阻抗模型，因此，實(shí)時(shí)測(cè)量到的等值阻抗也許僅對(duì)分析穩(wěn)態(tài)潮流有意義，而要用它來(lái)代表每臺(tái)電動(dòng)機(jī)的暫態(tài)電抗，繼而分析電動(dòng)機(jī)的可承受電壓，是行不通的。 2） 計(jì)算公式錯(cuò)誤 我們知道，上文所作的推導(dǎo)是以單臺(tái)電動(dòng)機(jī)投入備用電源為例的，并對(duì)電動(dòng)機(jī)模型本身作了簡(jiǎn)化。就以簡(jiǎn)化模型為基礎(chǔ)，若以兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)對(duì)備用電源為模型再作分析，可以發(fā)現(xiàn)兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)繞組承受的電壓是不相等的，并不是兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)并聯(lián)的合成電抗與系統(tǒng)電抗之間的分壓關(guān)系，而變得相對(duì)復(fù)雜了。兩臺(tái)電機(jī)時(shí)

22、的分析模型如下圖7所示： 圖7 兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)分析模型 電動(dòng)機(jī)1承受的電壓為：UM1 （XM1 * XM2 * VS + XM1 * XS * VM2 - XM1 * XM2 * VM1 - XM1 * XS * VM1）/ （XM1 * XM2 +XM1 * XS +XM2 * XS ）。 電動(dòng)機(jī)2承受的電壓為:UM2 （XM1 * XM2 * VS + XM2 * XS * VM1 - XM1 * XM2 * VM2 - XM2 * XS * VM2）/ （XM1 * XM2 +XM1 * XS +XM2 * XS ）。 注意，這是相量計(jì)算，在各電勢(shì)幅值相同時(shí)若相位不同計(jì)算結(jié)果將不同。假設(shè)V

23、S =1.0，VM1 =0.8，VM2 =0.7，且VS 、V M1 、V M2 同相，X S ：X M1 ：X M2 =1：2：3，則U M1 =1.0，U M2 =2.1 。顯然，兩電動(dòng)機(jī)承受的電壓相差很大。 原因其實(shí)不復(fù)雜：?jiǎn)闻_(tái)電機(jī)時(shí)，母線斷電后，定子繞組開路，電動(dòng)機(jī)反饋電勢(shì)就等于母線機(jī)端電壓，備用電壓投入時(shí)，繞組承受的電壓為系統(tǒng)電壓與母線電壓之間的壓差在電動(dòng)機(jī)電抗與系統(tǒng)電抗之間的分配。兩臺(tái)電機(jī)時(shí)，由于工作電源斷電后兩臺(tái)電機(jī)之間并沒(méi)有相互斷開，定子繞組并沒(méi)有開路，兩臺(tái)電機(jī)的容量、特性等不同，此時(shí)很可能一臺(tái)轉(zhuǎn)入異步發(fā)電機(jī)運(yùn)行，另一臺(tái)為異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，兩臺(tái)電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)及電勢(shì)將重新進(jìn)行調(diào)

24、整，當(dāng)備用電源投入時(shí)，兩臺(tái)電機(jī)均轉(zhuǎn)入異步電機(jī)運(yùn)行，每臺(tái)電機(jī)承受的電壓將取決于兩臺(tái)電機(jī)的電抗、電勢(shì)及備用電源系統(tǒng)的電抗和電勢(shì)。 廠用母線上連接著的電動(dòng)機(jī)很多，除了電動(dòng)機(jī)外，還有變壓器和其他負(fù)載，廠用電斷電及備用電源投入的過(guò)程中，各電動(dòng)機(jī)承受的電壓計(jì)算異常復(fù)雜，是不能簡(jiǎn)單處理的。 3） 應(yīng)用過(guò)程錯(cuò)誤 對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行定性分析：在廠用電失電后，如有輔機(jī)電動(dòng)機(jī)斷開，所有電動(dòng)機(jī)總的XM將增大，K值將增大，允許的U將減少。在殘壓與備用電源電壓角度差進(jìn)入>180°的區(qū)間后，部分輔機(jī)可能被切除，這意味著按失電前等值阻抗計(jì)算出的安全區(qū)域，已經(jīng)變得不安全了。 綜上所述，所謂實(shí)時(shí)捕捉電動(dòng)機(jī)耐受U 點(diǎn)的

25、辦法是缺乏理論基礎(chǔ)的，如貿(mào)然在實(shí)際工程中應(yīng)用，是完全不負(fù)責(zé)任的。關(guān)于這個(gè)問(wèn)題，相關(guān)的規(guī)程其實(shí)早已有明示，電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè) 電氣二次部分，第二十二章 發(fā)電廠和變電所的自動(dòng)裝置：“在廠用母線上接有電動(dòng)機(jī)，它們的特性可能有較大的差異，合成的母線殘壓特性曲線與分類的電動(dòng)機(jī)的相角和殘壓曲線之間的差異較大。因此，按母線殘壓為基準(zhǔn)來(lái)確定所有電動(dòng)機(jī)是否危險(xiǎn)是不嚴(yán)格的，最完善的方法是按每臺(tái)電動(dòng)機(jī)的技術(shù)參數(shù)和特性來(lái)計(jì)算或試驗(yàn)確定，這種計(jì)算很復(fù)雜，美國(guó)EBASCO公司提供的計(jì)算機(jī)程序感應(yīng)電動(dòng)機(jī)母線切換可供參考”。 基于以上原因，國(guó)內(nèi)外快切生產(chǎn)廠家都采用相對(duì)可靠的、符合工程實(shí)際要求的廠用電切換安全控制辦法。在快速

26、切換階段，以最嚴(yán)酷的情況，即取K1、電動(dòng)機(jī)承受的電壓不超過(guò)額定電壓為原則，在此原則下，安全差壓U U De，由于實(shí)現(xiàn)快速切換時(shí)電動(dòng)機(jī)斷電時(shí)間很短（一般不超過(guò)45周波），母線電壓下降不大，U U De 的條件可以用更直觀的方法來(lái)表示，即母線電壓與備用電壓間相位差不超過(guò)60°。對(duì)于同期捕捉切換，當(dāng)然也可以60°作為目標(biāo)合閘點(diǎn)，但綜合考慮下來(lái)，0°合閘點(diǎn)更合適些，因?yàn)橐环矫孢@一階段母線的頻率已有一定程度的下降，母線電壓與備用電壓的角差變化得較快， -60°時(shí)刻與0°時(shí)刻相差時(shí)間很小，對(duì)輔機(jī)電動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)影響不大，但另一方面，0°時(shí)，壓差要比6

27、0°小許多，合閘沖擊要小得多。采用這種方案的有SIEMENS AUE型快切、ABB PARAMID快切、ABB SUE3000型快切等。 4.4 關(guān)于勵(lì)磁涌流抑制 勵(lì)磁涌流是指當(dāng)變壓器空載合閘、外部短路切除后電壓突然恢復(fù)或兩臺(tái)變壓器一臺(tái)在運(yùn)行，另一臺(tái)投入并列（稱共振勵(lì)磁涌流）等情況下，引起的變壓器暫態(tài)電流激增，前兩種情況下，勵(lì)磁涌流的大小有時(shí)可以和短路電流相比擬。 變壓器停運(yùn)時(shí)，即使電源斷開、勵(lì)磁電流變?yōu)榱?，但其鐵心中的磁通并不為零，而是沿著其鐵心的磁滯特性環(huán)降為某一剩磁值，設(shè)為r，因?yàn)榇磐úㄐ闻c電壓波形一樣是交變正弦波，r當(dāng)然是有正負(fù)極性的。當(dāng)變壓器再次接通時(shí)，其瞬時(shí)電壓產(chǎn)生的磁通

28、波形將與r相接。假設(shè)接通瞬間磁通波形瞬時(shí)值本身恰好等于r且波形方向與剩磁回降的波形一致，則磁通波形將沿以前的磁通波形平滑地繼續(xù)下去，就沒(méi)有勵(lì)磁涌流產(chǎn)生；假如r為正，變壓器接通時(shí)磁通波形瞬時(shí)值為負(fù)最大值點(diǎn)，則連接的結(jié)果是一個(gè)周波后的磁通值將是磁通波形最大值與r之和，由于飽和現(xiàn)象存在，對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電流就可能高達(dá)數(shù)倍甚至數(shù)十倍變壓器額定電流。 從以上分析可以發(fā)現(xiàn)，要控制變壓器勵(lì)磁涌流，一是必須跟蹤剩磁r，而是必須控制變壓器再次投入的電壓瞬時(shí)（即相位）。變壓器勵(lì)磁涌流是一個(gè)客觀存在的現(xiàn)象，目前尚無(wú)有效的辦法予以根除，單就開關(guān)和機(jī)構(gòu)而言，合閘時(shí)間離散性造成合閘時(shí)間相差35ms也許很正常，但因此造成的相位誤

29、差就達(dá)5490°，這就使控制開關(guān)合閘角度的設(shè)想成為空想。為此，微機(jī)變壓器保護(hù)想出了許多“躲”的辦法，如二次諧波制動(dòng)、間斷角、波形對(duì)稱、波形疊加、波形擬合法等等。 對(duì)開關(guān)的控制涉及到正常操作、保護(hù)跳閘、自動(dòng)裝置跳合閘以及分相操作等各方面，并不單純與廠用電快切相關(guān)，或影響的不僅限于廠用電快切，如能真正做到抑制甚至消除變壓器勵(lì)磁涌流，將是一次劃時(shí)代的進(jìn)步，將徹底改變現(xiàn)有的變壓器繼電保護(hù)原理以及變壓器設(shè)計(jì)、運(yùn)行和管理規(guī)程。 4.5 關(guān)于快速切換時(shí)間 快速切換時(shí)間主要涉及到兩個(gè)方面，一是開關(guān)固有跳合閘時(shí)間，二是快切裝置本身的動(dòng)作時(shí)間。 就開關(guān)固有跳合閘時(shí)間而言，當(dāng)然是越短越好，特別是備用電源開關(guān)的固有合閘時(shí)間越短越好。從實(shí)際要求來(lái)說(shuō)，固有合閘時(shí)間以不超過(guò)3-4周波為好，國(guó)產(chǎn)真空開關(guān)通常都能滿足。若切換前工作電源與備用電源基本同相，快切裝置以串聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)快速切換時(shí)，母線斷電時(shí)間在100ms以內(nèi)，母線反饋電壓與備用電源電壓間的相位差在備用電源開關(guān)合閘瞬間一般不會(huì)超過(guò)20°-30°，這種情況下，沖擊電流、自啟動(dòng)電流、母線電壓的降落及電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的下降等因素對(duì)機(jī)爐的運(yùn)行帶來(lái)的影響均不大。對(duì)開關(guān)速度的過(guò)分要求是不必要的，因?yàn)榭焖偾袚Q階段頻差和相位差的變化較慢，速