一种使用快切装置进行电源切换的方法与流程

本发明属于强电技术领域，具体涉及一种电源切换方法，尤其是一种用于石化企业的电源快速切换方法。

背景技术：

石化企业运行环境较恶劣，且大部分石化企业都处于海边或江边，潮湿的环境使电力系统长期处于恶劣的运行环境下，很多石化企业内部的供电设备老化速度较快，特别是对于快速切换影响较大的线路快速差动保护和断路器。因此，外界条件对于快切能否实现产生了很多的影响。

石化企业自身具有行业的特殊性，企业内部的生产装置有易燃易爆、生产工艺联锁等特点，对供电安全性及稳定性要求非常高，一旦出现供电的中断，就有可能使生产停止或产生混乱，甚至会危及人身、设备的安全，造成无法估计的后果。

为了保障石化企业供电系统的可靠性，保证企业内部重要负荷的可靠供电，石化企业内部的母线一般由两路或多路独立电源供电，从工厂总降到各级变电所多采用单母分段或者单母方式的接线方式。在单母分段接线方式下，正常工作时双路电源供电，母分热备用，当一段母线失电后能够切换至另一段母线，以求迅速恢复供电；在单母接线方式下，正常工作时工作母线只由工作电源供电，备用断路器分位，备用电源明备用。所有的工作母线也按照一主一备的配置，在变电所内部配置了切换装置，采取主备电源都能单独带全部负荷的暗备用方式。

石化企业的用电设备中电动机的比例大，电机所拖动的负荷主要包括传送带、挤压机等恒转矩负荷，同时还有风机、泵类等转矩随转速变化的负荷，电动机在失电后，会在定子母线上产生逐渐衰减的残电压，传统的备自投的切换方式通过不断检测定子母线上的残电压，当残电压衰减到20％～30％时，进行电源切换操作。由于残电压衰减较慢，所以备自投的切换方式会导致负荷失电时间较长，电动机重新上电后，不利于电动机的重启。由于石化企业有工艺连锁的特性，电机的重启失败会导致生产的中断，造成不可估计的经济损失。

技术实现要素：

本发明提出一种使用快切装置进行电源切换的方法，在石化企业的用电母线发生故障的情况下，使用该方法能够快速判断出故障并在最小冲击的情况下将负荷切换到备用母线侧。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种使用快切装置进行电源切换的方法，步骤为：

步骤一、快切装置通过检测外部的电压和电流，判断快切装置目前所符合的起动方式，针对所符合的起动方式，发出起动信号；

步骤二、快切装置根据步骤一中所符合的起动方式选择其对应的切换方式；

步骤三、快切装置检测此时电压的相角、频率和有效值，根据电压的相角、频率和有效值选择对应的合闸方式，并完成电源切换。

进一步，步骤一中所述快切装置的起动方式包括：手动起动、保护起动、逆功率起动、无流起动、误跳起动和失压启动。

进一步，步骤二中所述快切装置的切换方式包括：并联切换、串联切换和同时切换。

进一步，步骤三中所述快切装置的合闸方式包括：快速合闸、同期捕捉合闸、残压合闸、长延时合闸。

进一步，在正常情况下实施手动并联切换，过程为：当快切装置收到手动切换的起动信号后，通过比较主备两条母线之间的压差、角差和频差从而判断目前状态是否符合并联切换的条件，若符合并联切换的条件，则将备用断路器合闸，此时线路处于合环运行状态，然后快切装置再进一步判断此时备用断路器是否被跳开，若备用断路器跳开，则切换失败，闭锁快切装置，等待手动信号复归；若备用断路器没有跳开，则发出跳开工作断路器的命令，然后检测工作断路器是否被跳开，若工作断路器跳开，则此次切换成功，若工作断路器没有跳开，则切换失败，闭锁快切装置，等待手动信号复归；若不符合并联切换的条件，则直接认定切换失败，闭锁快切装置，等待手动信号复归。

进一步，在故障情况下实施串联切换，过程为：快切装置判断进线工作断路器是否被跳开，若进线工作断路器跳开，则进行合闸条件的判断，根据判断条件选择合适的合闸方式；当满足任意一种合闸条件时，按照选择的合闸方式发出合闸母联断路器信号，将母联断路器合上，完成切换，然后快切装置闭锁，等待手动复归；若此时进线工作断路器没有跳开，则直接认定切换失败，切换装置闭锁，等待手动复归。

进一步，判断合闸条件的方法是通过采集进线的电压和电流的模拟量，对母联断路器两端的压差、频差和角差进行实时监测，依次判断此时的条件符合何种合闸条件。

进一步，在异常情况下实施同时切换，过程为：快切装置先发出跳开工作断路器信号，然后经过一个整定的延时，通过判断合闸条件选择合适的合闸方式并发出合闸备用断路器命令；备用断路器合闸以后，判断工作断路器是否跳开，若工作断路器拒跳，则跳开备用断路器；若工作断路器跳开，则进一步判断合闸条件，选择合适的合闸方式，根据选择的合闸方式发出合闸备用断路器的信号；然后再判断备用断路器是否合闸，如果备用断路器已合闸，则切换成功，如果备用断路器没有合闸，则直接认定切换失败，切换装置闭锁，等待手动复归。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于，简化切换过程，可选择合适的合闸点，确保切换的冲击较小，减少电动机在实行电源切换过程中的失电时间，避免合闸时的冲击较大造成对电机的损害，保证石化企业生产的连续性。

附图说明

图1为适用本发明方法的供电系统接线图。

图2为本发明切换工作流程图。

图3为本发明中逆功率起动对应的异常情况图。

图4为本发明中逆功率起动逻辑判断图。

图5为本发明中无流起动逻辑判断图。

图6为本发明中误跳起动逻辑判断图。

图7为本发明中失压起动逻辑判断图。

图8为本发明在正常情况下的手动并联切换流程图。

图9为本发明在故障情况下的串联切换流程图。

图10为本发明异常情况下的同时切换流程图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明做进一步的说明。

本发明所适用的供电一次系统为单母分段的接线方式，其接线图如图1所示。石化企业内部的母线一般由两路或多路独立电源供电，从工厂总降到各装置变电所采用单母分段方式。在单母分段运行方式下，正常工作时双路电源供电，母分热备用，当一段母线失电后能够切换至另一段母线，以求迅速恢复供电。图中DL1和DL2为进线首端断路器，DL3和DL4为末端断路器，DL5为母联断路器。正常工作时母联断路器处于分 开状态，工作Ⅰ段和工作Ⅱ段母线互为热备用。为了保证用电的可靠性，两路供电进线分别来自同一系统的不同的变电站，架空线的长度视具体情况，一般在几千米到十几千米之间。

快切装置通过CPU完成模拟量和开关量的测量、判断，然后将处理结果输出。模拟量信号来自外部一次电压互感器和电流互感器，再经过快切装置内部互感器的二次处理，将信号转换成可以供CPU处理的弱信号；开入量信号经过快切装置内部二极管电路和光耦两级处理，转换成可供CPU使用的弱信号；开出量信号以继电器空节点的方式输出。

如图2，本发明切换方法包括三个步骤：

步骤一、判断起动方式：快切装置通过检测外部的电压和电流，判断快切装置目前符合哪种启动方式，针对符合的启动方式，发出启动信号；

步骤二、判断切换方式：快切装置根据不同的启动方式选择切换装置对应的切换方式；

步骤三、判断合闸方式：快切装置检测此时电压的相角、频率和有效值，根据电压的相角、频率和有效值选择对应的合闸方式，避免合闸时产生较大的冲击。

前述步骤一中，快切装置的起动方式主要包括：手动起动、保护起动、逆功率起动、无流起动、误跳起动和失压启动。

手动起动，是在正常检修时需要进行倒闸操作，快切装置设置手动起动，主要用于在厂内供电线系统进行正常检修时所进行手动的倒闸操作，这是通过装置的外接按钮或者远方遥测信号进行操作。

保护起动，是快切装置最主要的起动方式。当电源进线加装线路保护装置时，将线路保护的信号接入装置，一旦发生故障，保护迅速动作隔离故障，同时将动作信号发给快切装置，使快切装置第一时间得到信息，这在时间上有利于快速切换的实现。保护起动是最可靠、最快速的起动方式。

逆功率起动，是在当电源进线的线路保护装置拒动，或上级母线或上级母线相邻电路发生严重短路故障时，由于短路故障会导致母线电压下降，电机会有功率倒送到短路点。根据这两种特性设置逆功率判据，无论哪一路发生短路故障，都可以第一时间判断故障。

无流起动，是在由于距离的原因，电源进线的首端断路器信号很难将其副节点接入到切换装置内，当进线首端断路器跳开时，工作母线处于失电状态，电流接近于0，由 于有快速判断的要求，所以此时不能通过检测电压来判断故障。由于此时电动机处于失电状态，电机惰走，频率下降，所以引入电流和频率信号来判断是否是因为首端断路器断开而造成的失电。

误跳起动，是将末端断路器的分合闸辅助节点接入到快切装置内，快切装置只要收到断路器分闸信号，且检测到此时处于无流状态，就可以快速发出动作信号。

失压起动，作为前述几种起动方式的后备。它是在母线由于保护、误跳或者断线失去供电后，通过检测工作母线的电压，只要电压下降到30％的额定电压整定值时，就可以发出起动信号。

快切装置在事故情况下最主要的起动方式仍然是保护起动，而逆功率、无流、误跳、失压等起动方式都是作为保护起动的后备而存在，在现场应用中，当保护起动的动作较慢时，这些备用起动方式可以发挥重大作用，同时根据实际情况可以在快切装置内写入关键字闭锁某些起动功能。

前述步骤二中，快切装置的切换方式包括三种：并联切换，串联切换和同时切换。

并联切换多用于正常检修情况下，此时由于两路电源都不存在故障，若两路电源运行条件基本相同，则在正常检修时采用短时合环运行的切换方式，即并联切换。并联切换是在跳开工作断路器之前就已经合上了备用电源的开关，两路电源在短时间内有个合环运行的过程。由于两路电源的运行状况相同，此时不会产生较大的环流。因此，选择并联切换时一定要检测断路器两端的运行情况是否一致。并联切换多用于正常情况下的手动起动、检修时的人工倒闸和故障消除后的手动恢复。

串联切换多为配合快切装置的保护起动和误跳起动。在进线发生短路故障或误跳故障时，快切装置首先判断故障是否被切除，然后再发出切换信号，若在故障还没有被切除时就将备用电源投入，将会加重故障，对切换更加不利。所以快切装置此时应先判断断路器是否断开，等断路器断开后再去发切换的命令，这种切换顺序叫串联切换。当快切装置收到起动信号后，在确认工作断路器跳开后，再去判断是否满足合闸条件，然后根据合闸条件选择适当的时机投入备用电源。

同时切换是先发出跳开工作断路器信号，然后经过一个整定的延时，通过判断合闸条件发出合闸备用断路器命令。若工作断路器拒跳，则跳开备用断路器，避免两个电源长时间合环运行。同时切换与串联切换相比，不需要确认工作断路器跳开，它只需要一个延时等待，然后直接去判断备用电源投入的合闸条件，它的目的是使母线的失电时间尽可能的短。

前述步骤三中，快切装置的合闸方式主要包括三种：快速合闸、同期捕捉合闸、残压合闸、长延时合闸。

快速合闸是指工作母线残压和备用电源电压的相位差还没有拉开很大角度时，快切装置快速发出合闸命令，合上备用断路器。由于此时相位差不是很大，所以冲击电压和冲击电流都处于允许范围内，则不会对用电设备造成巨大的冲击。

同期捕捉合闸是在当快速合闸没有成功时，母线残压和备用电源之间的相角差变大，不再处于安全切换的范围之内，此时是不允许切换的。当相角差变化到360度时，此时残压和备用电源电压第一次重合，残压和备用电源电压的相角差为0，压差也在可接受范围之内，如果在此时刻合上断路器，产生的冲击电压和冲击电流相对较小，处于可接受范围之内。考虑断路器的合闸时间，所以快切装置发出的合闸信号要有一定的提前量，这样才能保证合闸点在角差为0时。

残压合闸是在电压下降到20～30％额定电压时进行的合闸叫做残压合闸。残压合闸作为快速合闸和同期捕捉合闸的后备方式，可以提高切换的成功率。特别是在近端短路的情况下，往往实施的都是残压切换。残压切换方法较为简单，不需要检测频差和角差，只要确定残压的值处于设定的最大残压定值以内，即可进行合闸。由于此时残压幅值较小，所以也不会产生较大的冲击。

长延时合闸是指在接收到起动信号后，经过一段设定的延时，进行合闸切换。这个延时一般设置为15～20s。长延时合闸作为快速合闸、同期捕捉合闸以及残压合闸的总后备，只要延时时刻到并检测到备用断路器没有合闸即可发出合闸命令。

前述切换方法又主要包括以下三种不同情况下的应用：

一、正常情况下的手动并联切换

手动并联切换是在跳开进线工作断路器之前就已经合上了备用电源的开关，两路电源在短时间内有个合环运行的过程。如图8，当快切装置收到手动切换的起动信号后，通过比较主备两条母线之间的压差、角差和频差从而判断目前状态是否符合并联切换的条件，

若符合并联切换的条件，则将备用断路器合闸，此时线路处于合环运行状态，然后快切装置再进一步判断此时备用断路器是否被跳开，若备用断路器跳开，则切换失败，闭锁快切装置，等待手动信号复归；若备用断路器没有跳开，则发出跳开工作断路器的命令，然后检测工作断路器是否被跳开，若工作断路器跳开，则此次切换成功，若工作断路器没有跳开，则切换失败，闭锁快切装置，等待手动信号复归；

若不符合并联切换的条件，则直接认定切换失败，闭锁快切装置，等待手动信号复归。

如图1，正常情况下，需从工作断路器DL3手动切换到母联断路器DL5。发手动切换命令后，快切装置判断并联切换的条件是否满足(并联切换的条件为：此时工作母线和备用母线之间的压差、角差和频差小于并联切换压差、角差和频差的定值)，满足条件后则合上母联断路器DL5，经整定延时后如果母联断路器DL5没有跳开，则跳开工作断路器DL3；如果母联断路器DL5被保护动作跳开，则不跳开工作断路器DL3；若母联断路器DL5没有被跳开，且工作断路器DL3拒动，此时处于合环运行状态，则马上发出跳母联断路器DL5信号，跳开母联断路器DL5防止合环运行。并联切换只用于正常情况下同频系统下两个电源之间的切换，因此它的切换是双向的。

二、故障情况下的串联切换

故障切换主要是由保护起动、误跳起动或失压起动，其合闸方式包括快速合闸、同期捕捉合闸、残压合闸和长延时合闸。

切换装置收到上级保护装置的动作信号后，将此信号作为切换起动信号。当电源进线一旦发生故障，保护装置迅速动作隔离故障，同时将动作信号发给快切装置作为切换起动信号，使装置第一时间得到信息，如此在时间上有利于快速切换的实现。保护起动是最可靠、最快速的起动方式。

误跳起动是将末端断路器的分合闸辅助节点接入到快切装置内，快切装置只要收到断路器分闸信号，就配合误跳起动逻辑，如图6，一旦满足，就可以快速发出起动切换的信号。

失压起动是在保护装置拒动时，由于进线短路导致短路的线路电压下降，通过如图7的失压起动来发出起动信号。通过检测工作母线的电压，只要电压下降到30％的额定电压整定值时，就可以发出起动信号。

快切装置在收到起动信号后，便进行切换合闸的的操作，故障情况下的串联切换过程如图9所示。具体为：

首先，快切装置判断进线工作断路器是否被跳开，若进线工作断路器跳开，则进行合闸条件的判断，根据判断条件选择合适的合闸方式。判断合闸条件的方法是通过采集的进线电压、电流模拟量，对母联断路器两端的压差、频差和角差进行实时的监测，依次判断此时的条件符合何种合闸条件，其中包括：快速合闸、同期捕捉合闸、残压合闸与长延时合闸。当满足任意一种合闸条件时，按照选择的合闸方式立即发出合闸母联断 路器信号，将母联断路器合上，完成切换，然后快切装置闭锁，等待手动复归；若此时进线工作断路器没有跳开，则直接认定切换失败，切换装置闭锁，等待手动复归。

如图1，、故障情况下，在进行故障下的串联切换时，快切装置在收到起动信号后，发出跳开工作断路器DL3的命令，在确认工作断路器DL3已经跳开后，然后判断合闸条件，发出合上母联断路器DL5的命令。若工作断路器DL3拒跳，则切换过程结束，装置不再合闸母联断路器DL5。

三、异常情况下的同时切换

异常情况主要包括：上级变电站故障、上级断路器误跳(图1中的工作断路器DL1和工作断路器DL2)、断线，在异常情况下可以采用串联切换和同时切换，合闸方式为快速合闸、同期捕捉合闸、残压合闸与长延时合闸。

如图3，当电源进线的线路保护装置拒动，或上级母线或上级母线相邻电路发生严重短路故障时，通过图4所示的逆功率起动逻辑进行判断，一旦符合条件，发逆功率起动信号。对于逆功率整定电压定值，此定值主要是为了防止上级变电站相邻的线路在发生短路故障时快切的频繁起动，限定此逻辑只在发生严重的短路故障的情况下才发起动信号，这个电压一般取90～95％PT二次侧额定值。对于逆功率起动整定延时，要按照躲过“上级变电站相邻线路主保护的动作时间+此进线断路器跳开时间”来整定。

如图5，电源进线的首端断路器信号很难将其副节点接入到本端切换装置内，当进线首端断路器跳开或进线三相断线时，工作母线处于失电状态，电流接近于0，引入电流和频率信号来判断是否是因为首端断路器断开而造成的失电，电流定值应设置较小(0.06倍的额定电流)，而频率的下降范围在0.5Hz左右为宜，这有利于快速判断故障。

异常情况下，当快切装置收到起动信号后，即可以采用如图9所示的串联切换方式，也可以选择如图10所示的的同时切换方式。同时切换过程具体为：

快切装置先发出跳开工作断路器信号，然后经过一个整定的延时，通过判断合闸条件选择合适的合闸方式并发出合闸备用断路器命令；备用断路器合闸以后，判断工作断路器是否跳开，若工作断路器拒跳，则跳开备用断路器，避免两个电源长时间合环运行；若工作断路器跳开，则进一步判断合闸条件，选择合适的合闸方式，根据选择的合闸方式发出合闸备用断路器的信号；然后再判断备用断路器是否合闸，如果备用断路器已合闸，则切换成功，如果备用断路器没有合闸，则直接认定切换失败，切换装置闭锁，等待手动复归。

同时切换与串联切换相比，不需要确认工作断路器跳开，它只需要一个延时等待， 然后直接去判断备用电源投入的合闸条件，它的目的是使母线的失电时间尽可能的短。如图1，异常情况下，在从工作断路器DL3同时切换到母联断路器DL5，快切装置先发出发跳工作断路器DL3的命令，然后经一整定的同时切换的延时后，判断合闸条件，然后发出合闸母联断路器DL5的命令。若工作断路器DL3拒跳，则快切装置跳开母联断路器DL5，避免合环运行。