摘要：无扰动稳定控制装置是专门解决可靠供电的一种系统方案，采用该装置后，可避免母线电压（残压）与备用电源电压差压过大合闸而对电机造成冲击，不会将故障扩大，从而提高了厂用电切换的成功率，而且确保供电设备可靠、安全、平稳运行。
关键词：稳定控制；串联切换；事故切换；残压；厂用电
1 引言
石化行业是生产连续性要求高的企业，工艺和安全生产要求流程的连续性，因此不能有任何电源波动，确保交流接触器不异常释放条件下（即确保对生产和工艺流程重要的回路异常断电），作为企业动力的供电系统出现异常时，系统应迅速断开异常的供电回路，快速投入备用电源，保证母线段供电不中断，实现系统的无扰动供电。
2 切换原理
图1 供电一次系统简图 图2 母线残压特性示意图和可能的切换位置
由图1所示的供电系统，双馈线的配置方式时：双馈线之一向母线供电，两断路器中一台合闸，另一台分闸，鉴于短路电流的原因，经常不允许两条线路同时合闸，两馈线解列运行，此时，母联开关为合位；或者双馈线加母联的配置方式时：鉴于冗余的原因，电力负荷被分配在两段母线中，母联断路器正常情况下处于分闸状态。
在故障时为断电时间最短，快速切换是最优的切换方式。如果电网的状态不允许这种切换方式，则选择其它速度稍慢的切换方式。图2所示为一典型的母线电压衰减特性和可能的切换位置。
2.1 快速切换
试验表明，母线电压和频率衰减的时间、速度，主要取决于该段母线的负载。负载越多，电压、频率、下降得越慢。而相同负载容量下，负荷电流越大，则电压、频率下降得越快。因而，实际应用时，快速切换通常由相角来界定，如55，如果开关的固有合闸时间为100ms，则合闸命令发出时的角度约需提前35，即可以实现备用电源电压与母线残压向量夹角20以内快速切换，同时对于设备是安全的。这种情形下的无电流的切换时间只取决于断路器分合闸的时间差。对现代断路器而言，这一时间差通常在数毫秒内，因此可认为切换是在不断电的情况下实现的。
2.2 首次同相切换
首先，有故障的馈线应立即分闸，与其相连的用电设备上的电压按其固定的特性曲线衰减。其次，存在一系列可能满足同相切换判据的合闸时刻点。如能较精确地实现首次过零点合闸，母线电压衰减到65％－70％左右，设备出力下降不是很大，备用电源合上时冲击最小，且对设备的自起动很有利。但是由于母线残压随着频率的下降，电压幅值和相角的变化越来越快，线性模型和简单的加速度模型已经难以准确地表达电压幅值和相角的变化。TPM-300型微机无扰动切换控制装置采用了频率自动跟踪技术和根据频率的大小分段建立数学模型的方法，准确地表达了频率、相角、幅值变化的规律。即完全根据实时的频率、相角、幅值的变化规律，计算出在母线残压与备用电源电压向量第一次相位重合时的时间，当该时间接近合闸回路总时间时，发出合闸命令。实现精确地过零点即首次同相，且不受负荷变化影响，对设备的自起动很有利。
2.3 残压切换
指当残压衰减到20％－40％额定电压后实现的切换。残压切换作为快速切换及同相切换的后备功能。起动和原有馈线分闸的条件与首次同相切换方式相同，只是备用馈线的合闸条件与首次同相切换方式有所不同。只有当母线电压衰减到某个允许值时，才可合上备用馈线。合闸时无须判据相角或频率差，这是不同步的切换方式。
2.4 长延时切换
如果在一设定的时间结束之前无法进行上述任何一种快速切换方式，可执行延时切换。为此，时间控制切换方式仅作为安全备用方式。
正常情况快速切换控制装置在设定的参数下，是不会发生这种切换方式。通常只有当短时间内同时发生多次故障时才可能发生这种切换方式。
3 切换功能
3.1 正常切换
正常切换指系统正常工作时，人工切换主馈线与备用馈线开关。正常切换是双向的，可以由主馈线切向备用馈线，也可以由备用馈线切向主馈线。该功能由人工起动，在控制台、DCS系统或装置面板上均可进行。正常切换可分为并联切换、同时切换和串联切换。
3.1.1正常并联切换
3.1.1.1并联自动
由人工起动，若并联切换条件满足，装置将先合备用馈线（主馈线）开关，再自动跳开主馈线（备用馈线）开关。若起动后并联切换条件不满足、备用馈线（主馈线）开关未合上、主馈线（备用馈线）开关未跳开，装置将闭锁同时发切换失败和装置闭锁信号。
3.1.1.2并联半自动
由人工起动，若并联切换条件满足，合上备用馈线（主馈线）开关，而跳开主馈线（备用馈线）开关的操作由人工完成，若在整定的时间内，人工仍未跳开主馈线（备用馈线），装置将将闭锁同时发切换失败和装置闭锁信号。若起动后并联切换条件不满足、备用馈线（主馈线）开关未合上，装置将闭锁同时发切换失败和装置闭锁信号。
3.1.2正常同时切换
正常同时切换指人工起动切换，先跳主馈线（备用馈线）开关，在满足切换判别条件后，合上备用馈线（主馈线）开关。正常同时有切换，快速、首次同相、残压三种切换判别条件，快切不成功时自动转入首次同相或残压切换。若主馈线（备用馈线）开关未跳开，装置将去耦同时发切换失败和装置闭锁信号；将若起动后备用馈线（主馈线）开关未合上，装置将闭锁同时发切换失败和装置闭锁信号。
3.1.3正常串联切换
正常串联切换指人工起动切换，先跳开主馈线（备用馈线）开关，确认开关已跳开时，在满足切换判别条件后，合上备用馈线（主馈线）开关。正常同时有切换，快速、首次同相、残压三种切换判别条件，快切不成功时自动转入首次同相或残压切换。若起动后备用馈线（主馈线）开关未合上，装置将闭锁同时发切换失败和装置闭锁信号。
3.2事故切换
事故切换指主馈线（备用馈线）上一级主保护接点起动（指变压器或发变组差动保护等），事故切换分为事故串联和事故同时切换。事故切换是双向的，可以由主馈线切向备用馈线，也可以由备用馈线切向主馈线。
3.2.1事故同时切换
由主馈线（备用馈线）上一级主保护起动，先跳主馈线（备用馈线）开关，在满足切换判别条件时，合上备用馈线（主馈线）开关。串联切换有：快速、首次同相、残压、长延时四种切换判别条件，快切不成功时自动转入首次同相、残压切换或长延时切换。若起动后备用馈线（主馈线）开关未合上，装置将闭锁同时发切换失败和装置闭锁信号。若起动主馈线（备用馈线）开关未跳开，装置将去耦同时发切换失败和装置闭锁信号。
3.2.2事故串联切换
由主馈线（备用馈线）上一级主保护起动，先跳开主馈线（备用馈线）开关，确认开关已跳开时，在满足切换判别条件时，合上备用馈线（主馈线）开关。串联切换有：快速、首次同相、残压、长延时四种切换判别条件，快切不成功时自动转入首次同相、残压切换和长延时切换。若起动后主馈线（备用馈线）开关未跳开、备用馈线（主馈线）开关未合上，装置将闭锁同时发切换失败和装置闭锁信号。
3. 3非正常工况切换
非正常工况切换由装置检测到非正常情况后自行起动，非正常切换是双向的，可以由主馈线切向备用馈线，也可以由备用馈线切向主馈线。非正常情况指母线失电和主馈线开关误跳两种工况。
3.3.1母线失电
当母线三相线电压均低于整定值且时间大于整定值，则装置分为同时切换或串联切换。其切换条件和切换逻辑与保护起动的事故切换相同。
3.3.2开关误跳
因各种原因造成主馈线（备用馈线）开关误跳开，装置在满足切换判别条件后，合上备用馈线（主馈线）开关。该串联切换有：快速、首次同相、残压、长延时四种切换判别条件，快切不成功时自动转入首次同相、残压切换和长延时切换。若起动后备用馈线（主馈线）开关未合上，装置将闭锁同时发切换失败和装置闭锁信号。
3.4 切换逻辑
装置根据母联断路器的状态自动识别是运行于双馈线的方式或是双馈线加母联的方式，切换启动原因有：正常切换（人工切换）、开关偷跳、母线失压、高侧开关联跳、保护启动五种条件。
3.4.1 双馈线配置方式
双馈线之一向母线供电，两断路器中一台合闸，另一台分闸，如有母联开关时，开关处于合位。鉴于短路电流的原因，经常不允许两条线路同时合闸，两馈线解列运行。当主供电线路出现故障时，快速切换控制装置在最可能短的时间内把负荷切换到备用馈线上。成功切换之后，母线由备用馈线供电。一旦主馈线的故障排除，可用人工方式起动快速切换把负荷重新切换到主馈线上以恢复正常的供电状态。TPM-300快速切换控制装置按完全对称的方式设计，因此可以从任一馈线起动快切，不论哪条线路是主馈线或备用馈线。这特别适合两条线路具有同等地位的场合。
3.4.2 双馈线加母联的配置方式
鉴于冗余的原因，电力负荷被分配在两段母线中。母联断路器正常情况下处于分闸状态。双馈线断路器都处于合闸状态。一旦一条馈线出现故障，切换是在故障馈线的断路器和母联断路器之间进行：故障线路断路器分闸，母联合闸。切换成功之后，两条母线由一条馈线供电。一旦刚跳开的馈线上的故障排除之后，可通过人工方式起动快切恢复到初始供电状态。
3.5 起动后加速保护功能
装置切换至备用馈线开关时，同时输出一对空接点，用于投入备用馈线分支保护装置的后加速保护功能，接点闭合持续时间为5秒。起动后加速空接点共三对，分别对应馈线一保护、馈线二保护和母联保护。
4 现状
4.1技术分析
我厂10kV系统为不接地系统，但是由于系统大，系统电容电流大，虽然安装有消弧线圈，往往发生单相接地后，会迅速发展为多相短路，母线电压将迅速波动；同时由于生产工艺的需要，往往装有大量的变频设备，系统中会有大量的谐波，对继电保护装置、自动控制设备造成干扰，设备故障率增加。
对系统中的电动机而言，当电压下降至70％以下时，其出力将下降至50％以下，将影响工艺流程的正常运行，许多高压电机都装有0.5S低电压保护，当系统出现异常时，即使系统备自投准确动作（母线失压延时往往大于过流时间，即切换时间大于0.5S，更大于交流接触器失压脱扣时间），也就是即使切换成功，0.5S低电压保护也已经动作了，同时系统有大量成组自启动电机时，往往自启动电流特别大（有时可能引起保护误动作），存在母线电压波动大、时间长，此时备用电源只能作为保安电源了，生产工艺流程将出现中断，存在生产安全的极大隐患。
目前10kV变电所均采用两路进线，两路来自变电站不同的母线，同时两进线间采用备自投装置自动切换，后期将逐渐考虑使用快切装置予以替代；400V电压系统中二套设计中已采用无扰动快切装置，一套大部分低压变电所已由备自投更换为TPM-310型无扰动稳定控制装置，实现多开关之间的同期切换。100mS内实现切换完成，确保母线电压不下降（或母线不失压，频率下降1Hz以下，角度30°以内，残压90％以上），低电压保护不启动，交流接触器不脱扣，同时防止事故切换中两电源并列合环，工艺流程正常、连续、平稳运行，实现系统无扰动供电，保证母线段供电不中断或母线不失压，减少低压脱扣，同时极大减低成组电机自启动电流。
4.2 需要说明的问题
系统晃电问题不管你采用何种控制装置都不能完全解决：
a、当发生区内故障时，不管何种控制装置都不动作，只能等待故障的切除，对于400V保护配置为空气开关+交流接触器模式，而空气开关断开回路时间往往大于100mS，即发生400V短路故障时，即使正确切除故障，本段母线上其他交流接触器因失压时间过长而脱扣，生产的工艺流程已经至少部分异常中断；
b、动作过程自身需要时间：在事故切换过程中为防止事故的扩大，严禁合环的可能性，因此只能采用串联切换方式，而串联切换时间为分闸时间+合闸时间（大约100mS），一般都大于交流接触器失电脱扣时间60-80mS。即晃电情况下即使动作成功，大部分交流接触器已经释放，生产的工艺流程已经中断；
c、短暂电源波动与较长晃电处理：区外故障切除引起的电源短暂波动，考虑系统的稳定性，此时装置一般不启动切换，而晃电时（电源失压），装置无论采用何种原理都无法判断区外故障类型，即判断时间大于区外故障切换时间（波动时间为切除故障回路时间）；此时不管采用何种控制方式，整个动作时间（为电源失压时间）已经大于100mS，即使切换成功大部分交流接触器已经释放，已经没有实际意义。
d、当上级变电站为主变并列合环运行，任一馈线故障时，各个子站母线电压同时波动，因此要求装置应能判断是电源波动还是故障，如确认故障后立即动作，电源波动不完全闭锁装置；同时在事故情况下采用串联切换，不能采用同时或并列方式，杜绝在事故切换情况下并列合环的可能性，以防事故扩大。
e、当整个供电系统存在多个电压等级时，不同电压等级的切换装置需要有级差配合，即自动装置选择性。同时需要考虑与继电保护相配合，尽量缩短装置判断时间，有利于级差配合。自动装置动作应准确快速判别是区内故障还是区外故障，根据故障区间不通采用相应处理。自动装置采用内部判断与装置外继电保护判断相结合方式。严禁将不可靠快速保护作为判据。
5 应用论证
供电系统的安全可靠性属于系统问题，需要采用系统解决方案，才能达到对工艺流程和安全生产无扰动的效果。
安装了防晃电模块或更换了防晃电交流接触器后仍需加装无扰动无扰动控制装置：
1、交流接触器安装了防晃电模块或更换了防晃电交流接触器后，原来的非自启动回路变成了自启动回路，切换后有大量电机成组自启动，成组自启动电流的大小与备用电源投入时电机的状态有关，如果是备自投切换（失压时间长，电机接近停机），切换后其自启动电流特别大，母线电压相当低，启动时间特别长，影响其他设备的正常运转，甚至有可能引起保护误动作，使整个系统运转中断；
2、防晃电模块、防晃电交流接触器虽然能保证交流接触器不脱扣，但是若动作时间过长（如备自投动作时间大于防晃保护时间），往往交流接触器同样会动作脱口，造成回路异常分开，从而造成不必要的生产工艺流程的中断。
当系统安装设备后，还需要合适地定值，保证装置动作的快速性、选择性、可靠性、灵敏性。同时装置具备手动操作功能，大大简化操作，减少操作失误的几率。
希望通过今年的110kV快切改造，以及后续10kV系统无扰快切的加装，当系统出现异常时，无扰动稳定控制装置的自动投入可避免装置的停车，使每一次简单的成功的动作，能够保证供电系统的持续稳定工作，从而提高供电系统的可靠性减少停电时间，节省昂贵的装置开停车费用，降低安全事故的发生概率，降低成本，赢回投资，保证了生产装置的“安、稳、长、满、优”运行。
参考文献：
[1]合富共展《TPM-310说明书》
论文作者:东升
论文发表刊物:《电力设备》2018年第28期
论文发表时间:2019/3/13
标签：馈线论文; 装置论文; 母线论文; 接触器论文; 合上论文; 电压论文; 时间论文; 《电力设备》2018年第28期论文;