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? 同期捕捉切换 ? 残压切换

1.3. 快速切换、同期捕捉切换、残压切换原理

1.3.1. 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，合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。

以极坐标形式绘出的某300MW机组6KV母线残压相量变化轨迹(残压衰减较慢的情况)如图2

0.5S0.6S0.9S0.4S0.7S0.1S0.2S 5

所示。

图１ 厂用电一次系统（一段）简图 图２ 母线残压特性示意图

图中VD 为母线残压，VS 为备用电源电压，△U为备用电源电压与母线残压间的差拍电压。合上备用电源后，电动机承受的电压UM 为：

UM = XM / (XS ＋XM) △U

（1）

式中，XM --母线上电动机组和低压负荷折算到高压厂用电压后的等值电抗.

XS --电源的等值电抗.

令K＝ XM /（XS ＋XM），则

UM＝K△U （2）

为保证电动机安全自起动, UM 应小于电动机的允许起动电压, 设为1.1 倍额定电压UDe ，则有：

K△U ＜1.1 UDe （3） △U（％）＜1.1 / K （4）

设K＝0.67，则△U（％）＜1.64。图２中，以A为圆心，以1.64为半径绘出弧线A'－A''，则A'－A''的右侧为备用电源允许合闸的安全区域，左侧则为不安全区域。若取K＝0.95，则△U（％）＜1.15，图２中B'－B''的左侧均为不安全区域。

假定正常运行时工作电源与备用电源同相，其电压相量端点为A，则母线失电后残压相量端点将沿残压曲线由A向B方向移动，如能在A－B段内合上备用电源，则既能保证电动机安全，又不使电动机转速下降太多，这就是所谓的“快速切换”。

图2中，快速切换时间应小于0.2S，实际应用时，B点通常由相角来界定，如60?，考虑到合闸回路固有时间，合闸命令发出时的角度应小于60?，即应有一定的提前量，提前量的大小取决于频差和合闸时间，如在合闸固有时间内平均频差为1Hz，合闸时间为100ms，则提前量约为36?。

快速切换的整定值有两个，即频差和相角差，在装置发出合闸命令前瞬间将实测值与整定值进行比较，判断是否满足合闸条件。由于快速切换总是在起动后瞬间进行，因此频差和相差整定可取较小值。

1.3.2. 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

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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。

1.3.3. 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

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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。

1.4. 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，两电源仍同相，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：反相后第一个同期点时间约为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

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