微机厂用电快速切换装置2、厂用电切换原理及分析2.1厂用电切换存在的问题大容量火电机组的特点之一是采用机、炉、电单元集控方式，其厂用电系统的安全可靠性对整个机组乃至整个电厂运行的安全、可靠性有着相当重要的影响，而厂用电切换则是整个厂用电系统的一个重要环节。
发电机组对厂用电切换的基本要求是安全可靠。
其安全性体现为切换过程中不能造成设备损坏，而可靠性则体现为提高切换成功率，减少备用变过流或重要辅机跳闸造成锅炉汽机停运的事故。
以往的厂用电切换方式主要采用以下几种方式：1）以工作开关辅助接点直接（或经低压继电器、延时继电器）起动备用电源投入；2）在合闸回路中加延时以图躲过180℃反相点合闸（短延时切换）；3）在合闸回路中另串普通机电式或电子式同期检查继电器；4）合闸回路中串残压检定环节，即残压切换。
而据有关资料，以上几种厂用电切换方式都不能很好地满足安全性、可靠性的要求。
国内有关资料已经提供了不少同厂用电切换有关的问题和事故，如停机停炉、设备冲坏等。
事实上，厂用电切换不当引起的问题有些是明显的、突发的，而有些是渐变的。
譬如；电动机或备用变受一两次冲击并不一定马上就损坏，即使坏了，也并不一定引起足够的重视。
厂用电切换过程与很多因素有关，较长时间未发生问题并不意味着不存在隐患。
国内已发生多起与厂用电切换有关的问题和事故。
如某电厂600MW引进机组由于原设计不合理，几乎每次切换都不成功，只好增大备用变保护定值，但这显然留下了更大的隐患；某电厂由于厂用电切换不成功，造成无法安全停机以致大轴损坏；某电厂由于工作电源与备用电源间电气距离很大，连正常切换都无法保证。
国外在厂用电的事故切换中已广泛采用快速切换，国内近几年的新建工程也基本采用了快速切换装置。
随着真空和SF6开关的广泛应用，厂用电源采用新一代快速切换装置已毋容置疑。
2.2厂用电切换方式厂用电源切换的方式可按开关动作顺序分，也可按起动原因分，还可按切换速度进行分类。
2.2.1按开关动作顺序分类（动作顺序以工作电源切向备用电源为例）：1）并联切换。
先合上备用电源，两电源短时并联，再跳开工作电源。
这种方式多用于正常切换，如起、停机。
并联方式另分为并联自动和并联半自动两种，后文详述。
2）串联切换。
先跳开工作电源，在确认工作开关跳开后，再合上备用电源。
母线断电时间至少为备用开关合闸时间。
此种多用于事故切换。
3）同时切换。
这种方式介于并联切换和串联切换之间。
合备用命令在跳工作命令发出之后，工作开关跳开之前发出。
母线断电时间大于0ms而小于备用开关合闸时间，可设置延时来调整，这种方式既可用于正常切换，也可用于事故切换。
2.2.2按起动原因分类：1）正常手动切换。
由运行人员手动操作起动，快切装置按事先设定的手动切换方式（并联、同时）进行分合闸操作。
2）事故自动切换。
由保护接点起动。
发变组、厂变和其它保护出口跳工作电源开关的同时，起动快切装置进行切换，快切装置按事先设定的自动切换方式（串联、同时）进行分合闸操作。
3）不正常情况自动切换。
有两种不正常情况，一是母线失压，母线电压低于整定电压达整定延时后，装置自行起动，并按自动方式进行切换。
二是工作电源开关误跳，由工作开关辅助接点起动装置，在切换条件满足时合上备用电源。
2.2.3按切换速度分类：1）快速切换；2）短延时切换；3）同期捕捉切换；4）残压切换。
2.3快速切换、同期捕捉切换、残压切换原理2.3.1快速切换假设有图1所示的厂用电系统，工作电源由发电机端经厂用高压工作变压器引入，备用电源由电厂高压母线或由系统经起动/备用变引入。
正常运行时，厂用母线由工作电源供电，当工作电源侧发生故障时，必须跳开工作电源开关1DL、含2DL，跳开1DL时厂用母线失电，由于厂用负荷多为异步电动机，电动机将惰行，母线电压为众多电动机的合成反馈电压，称其为残压，残压的频率和幅值将逐渐衰减。
2.3.2同期捕捉切换同期捕捉切换由东南大学首次提出，并成功运用于MFC2000快切装置，其原理概括如下：图2中，过B点后BC段为不安全区域，不允许切换。
在C点后至CD段实现的切换以前通常称为“延时切换”或“短延时切换”。
前面已分析过，用固定延时的方法并不可靠。
最好的办法是实时跟踪残压的频差和角差变化，尽量做到在反馈电压与备用电源电压向量第一次相位重合时合闸，这就是所谓的“同期捕捉切换”。
以上图为例，同期捕捉切换时间约为0.6s，对于残压衰减较快的情况，该时间要短得多。
若能实现同期捕捉切换，特别是同相点合闸，对电动机的自起动也很有利，因此时厂母电压衰减到65%~70%左右，电动机转速不至于下降很大，且备用电源合上时冲击最小。
需要说明的是，同期捕捉切换之“同期”与发电机同期并网之“同期”有很大不同，同期捕捉切换时，电动机相当于异步发电机，其定子绕组磁场已由同步磁场转为异步磁场，而转子不存在外加原动力和外加励磁电流。
因此，备用电源合上时，若相角差不大，即使存在一些频差和压差，定子磁场也将很快恢复同步，电动机也很快恢复正常异步运行，所以，此处同期指在相角差零点附近一定范围内合闸（合上）。
在实现手段上，同期捕捉切换有两种基本方法：一种基于“恒定越前相角”原理，即根据正常厂用负荷下同期捕捉阶段相角变化的速度（取决于该时的频差）和合闸回路的总时间，计算并整定出合闸提前角，快切装置实时跟踪频差和相差，当相差达到整定值，且频差不超过整定范围时，即发合闸命令，当频差超范围时，放弃合闸，转入残压切换。
这种方法缺点是合闸角精确度不高，且合闸角随厂用负载变化而变化。
另一种基于“恒定越前时间”原理，即完全根据实时的频差、相差，依据一定的变化规律模型，计算出离相角差过零点的时间，当该时间接近合闸回路总时间时，发出合闸命令。
该方法从理论上讲，能较精确地实现过零点合闸，且不受负荷变化影响。
但实用时，需解决不少困难：一是要准确地找出频差、相角差变化的规律并给出相应的数学模型，不能简单地利用线性模型；二是由于厂用电反馈电压频率变化的不完全连续性（有跳变）及频率测量的间断性（10ms一点）等，造成频差及相差测量的间断和偏差；另外，合闸回路的时间也有一定的离散性等。
由于在同期捕捉阶段，相差的变化速度可达1-2°/1ms，因此，任何一方面产生的误差都将大大降低合闸的准确性。
MFC2000系列快切装置的“恒定越前时间”同期捕捉切换方法，采用动态分阶段二阶数学模型来模拟相角差的变化，并用最小二乘法来克服频率变化及测量的离散性及间断性，使得合闸准确度大大提高，如不计合闸回路的时间偏差，可使合闸角限制在±10°以内。
同期捕捉切换整定值也有两个。
当采用恒定越前相角方式时，为频差和相角差（越前角）；当采用恒定越前时间方式时，为频差和越前时间（合闸回路总时间）。
同期捕捉方式下，频差整定可取较大值。
2.3.3残压切换当残压衰减到20%~40%额定电压后实现的切换通常称为“残压切换”。
残压切换虽能保证电动机安全，但由于停电时间过长，电动机自起动成功与否、自起动时间等都将受到较大限制。
如上图情况下，残压衰减到40%的时间约为1秒，衰减到20%的时间约为1.4秒。
而对另一机组的试验结果表明，衰减到20%的时间为2秒。
2.4厂用电切换应用事项由于厂用母线上电动机的特性有较大差异，合成的母线残压特性曲线与分类的电动机相角、残压曲线的差异也较大，因此安全区域的划定严格来说需根据各类电动机参数、特性、所带负荷等因素通过计算确定。
实际运行中，可根据典型机组的试验确定母线残压特性，试验表明，母线电压和频率衰减的时间、速度和达到最初反相的时间，主要取决于试验前该段母线的负载。
负载越多、电压、频率、下降得越慢，达到首次反相和再次同相的时间越长，而相同负载容量下，负荷电流越大，则电压、频率下降得越快，达到最初反相和同相的时间越短。
快速切换的思想在快速开关问世以后才得以实现。
快速开关的合闸时间一般小于100ms，有的甚至只有40~50ms左右，这为实现快速切换提供了必要条件。
假定事故前工作电源与备用电源同相，并假定从事故发生到工作开关跳开瞬间，两电源同相，则若采用同时方式切换，且分合闸错开时间（断电时间）整定得很小（如10ms），则备用电源合上时相角差也很小，冲击电流和自起动电流均很小，若采用串联切换，则断电时间至少为合闸时间，假定为100ms，对30万机组，相角差约为20~30°左右，备用电源合闸时的冲击电流也不很大，一般不会造成设备损坏或快切失败。
国外在发电厂厂用电或其它有高压电动机场合，如化工、煤炭和冶金行业的变电站电源切换中，普遍采用结合快速开关的快速切换装置，且切换方式以同时方式为主。
快速切换能否实现，不仅取决于开关条件，还取决于系统结线、运行方式和故障类型。
系统结线方式和运行方式决定了正常运行时厂用母线电压与备用电源电压间的初始相角，若该初始相角较大，如大于20°，则不仅事故切换时难以保证快速切换成功，连正常并联切换也将因环流太大而失败或造成设备损坏事故。
故障类型则决定了从故障发生到工作开关跳开这一期间厂用母线电压和备用电源电压的频率、相角和幅值变化，此外，保护动作时间和各其它有关开关的动作时间及顺序也将影响频率、相角等的变化。
因此，实际情况下，可能出现这样的情况，一是某些电厂，客观条件上无法实现快速切换；二是有的机组有时快速切换成功，有时快切不成功。
快切不成功时最佳的后备方案是同期捕捉。
有关数据表明；反相后第一同期点时间约为0.4~0.6秒，残压衰减到允许值（如20%~40%）为1~2秒，而长延时则要经现场试验后根据残压曲线整定，一般为几秒，以保证自起动电流在4~6倍内。
可见，同期捕捉切换，较之残压切换和长延时切换有明显的好处。
目前，有些电厂采用发一变一线路组接线方式，或发电机端直接升高至500KV，而起动（备用）电源则由附近220或110KV变电站提供，在正常情况或某些运行方式下，厂用工作电源与备用电源间存在较大的初始相角差，且该相角差随运行方式改变而改变，有些时候甚至大于20°，这时快速切换非常不利，这些情况下，同期捕捉切换是必不可少的。
2.5关于快速切换时间快速切换时间涉及到两个方面，一是开关固有跳合闸时间，二是快切装置本身的动作时间。
就开关固有跳合闸时间而言，当然是越短越好，特别是备用电源开关的固有合闸时间越短越好。
从实际要求来说，固有合闸时间以不超过3~4周波为好，国产真空开关通常都能满足。
若切换前工作电源与备用电源同相，快切装置以串联方式实现快速切换时，母线断电时间在100ms以内，母线反馈电压与备用电源电压间的相位差在备用电源开关合闸瞬间一般不会超过20~30°，这种情况下，冲击电流、自启动电流、母线电压的降落及电动机转速的下降等因素对机炉的运行带来的影响均不大，对开关速度的过分要求是不必要的，因为快速切换阶段频差和相位差的变化较慢，速度提高10ms，相位差仅减小几度，但对机构的要求不小。