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快速切换装置切换过程及原理分析

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摘要：论述了母线残压变化过程，并对母线残压和备用电源间的向量关系进行了分析。介绍了快速切换装置的切换原理、切换方式及各切换方式的安全切换区间。结合具体的切换实例和数据，对切换过程进行了分析和计算。

关键词：母线残压；备用电源；切换原理；快速切换

0引言

在很多大型工业企业，如石化、钢铁等企业，供电的可靠性、连续性对企业具有非常重要的意义。这些企业的用电设备一般以电动机为主，供电系统一般都有两个独立的供电电源，两路电源间可互为备用，也可一路工作、一路备用，当一路电源故障时，需要将负荷安全、快速地切换到另一路电源供电，以保证生产的连续性。如何快速安全的在两路电源间切换，就显得尤为重要，快速切换装置正是为满足这一特殊要求而设计生产的。

1切换原理分析

要想实现安全、快速切换，必须分析切换中的物理量变化过程和实现原理。两路电源间切换时，切换时间不能太长，不能长时间中断供电，否则即使切到备用电源供电，由于中断供电时间较长，设备已停止运转，生产将不能连续。这对连续性要求很高的生产装置来说，没有多少实际意义。而且，切换时必须考虑母线残压和备用电源间的相位、频差等关系。若切换时残压和备用电源间的相位差较大，合闸时两者间的相角差刚好为180?，则合闸瞬间产生的合成电压很大，从而在电动机上产生非常大的转矩，可能造成电动机、联轴器、机械负载等设备损坏，这是我们不愿发生的。

当外部电源因故中断后，假设母线上仅有一台电动机，外部输入这台电动机定子的电流将为零，转子电流将逐渐衰减，由于转子和负载的惯性以及电机磁场中储存的能量，转子转速将从断电前的运行速度逐渐减小，转子电流在定子绕组中反方向感应出电动势，形成反馈电压。当定子绕组和母线相连时，反馈电压就会反馈到母线上。当多台电动机形成电动机群连接在同一段母线上时，由于各台电机容量、惯性、负载等情况不一样，在“惰行”运转时，一部分电机将表现出发电机特性，而另一部分电机表现出电动机特性，整个电动机群将在母线上形成合成电压，这就是我们常说的母线残压。它具有动态的频率、幅值、相位，其特性与电机类型、负载特性、负载惯性等很多因素有关。具体而言，母线上电动机负载的惯性越大，断电后母线频率衰减越慢，这对残压相位变化程度有直接影响。负载惯性越小，母线频率衰减越快，引起相位变化越快，母线残压和正常电源的频差增加越迅速。对全是异步电动机负载的母线而言，电动机容量越大，残压频率和幅值衰减速度越慢，衰减过程持续时间越长。若母线上同时运行有异步电动机和同步电动机，切换期间同步电动机将试图维持母线上的电压。转换期间，若电动机负载越重，母线频率衰减越快。

为了说明母线残压和备用电源间的关系，引入压频比这一概念。压频比既电压和频率的比值，一般以电动机或系统的额定电压与额定频率之比作为标幺值的基准值。例如，对10KV系统，假设二次侧线电压为100V，可取基准值为57.7V/50Hz=1PU（标幺值）。母线残压和备用电源电压的向量关系如图一所示，根据向量合成原理有

式中，ES是备用电源系统额定压频比，标幺值，

EM是母线残压的压频比，标幺值，

ER是备用电源电压和母线残压的合成向量，标幺值，

θ是备有电源电压向量和母线残压向量的夹角，

根据ANSI/IEEEC50.41-2000规定，安全切换的一个重要条件是切换合闸的瞬间ER≤1.33PU。

2切换方式分析

快速切换装置一般配备以下几种切换方式：快速切换、首次同期捕捉切换、残压切换、延时切换、并联热切。并联热切属于闭环转换模式，采用“先合后分”原理，切换过程中会将两路电源并列，负载不会瞬时断电，一般是有计划的人为正常切换；快速切换、首次同期捕捉切换、残压切换、延时切换则属于开环转换模式，采用“先分后和”原理，切换时不会并列两路电源，但负载有一个短时中断供电的过程。快速切换和首次同期捕捉切换速度很快，过程较短；而残压切换和延时切换的过程则相对较长，一般会造成负载停止运行，不能保证工艺生产连续。

快速切换、首次同期捕捉切换、残压切换、延时切换四种切换方式在切换过程中的时区如图二所示。发生切换时，在10个波形周期内是快速切换的安全区，这也符合ANSI/IEEEC50.41-2000对快速转换的要求。随着时间推移，母线残压与备用电源的相位差逐渐增大，退出快速切换的安全区域，当相位差第一次接近360?时，进入首次同期捕捉安全区域，并在母线残压与备用电源电压向量第一次重合时合闸，合闸命令是在跟踪残压变化的基础上结合断路器固有合闸时间提前发出的。当母线残压降低到额定的20%～40%以下后，进入残压切换和延时切换区域。在这两种方式下，断电时间比较长，母线残压衰减比较多，根据向量合成原理，若备用电源ES=1PU，则只要EM