三电源自动转换开关及其机械联锁

钱 清, 王鹏程, 周国华, 张 斌, 童林杰

(1.杭州电力设备制造有限公司 萧山欣美成套电气制造分公司, 浙江 杭州 311217;2.国网浙江杭州市萧山区供电有限公司, 浙江 杭州 311200)

0 引 言

随着我国城市现代化的发展,电力作为驱动城市日常运转的主要动力源,其中有消防控制系统、电梯、大型商场(大型人员聚散)的照明等用电设备,属“一类(重要)用电负荷”,按供配电设计规范,要求配备3个电源,以保障其供电可靠性、连续性,采用多个电源的冗余供电系统,是一项主要的技术措施。

GB 50052—2009《供配电系统设计规范》标准,根据用电设备对社会政治生活、经济活动影响严重性,将用电负荷划分为一级、二级、三级。一级为重要负荷,应由二个电源供电,当一个电源故障时,由另一个电源保障其供电[1]。双电源自动转换开关(ATSE)因运而生,替代配电室值班人员,监视二个电源状况,当一个电源故障时,将重要负荷自动转换至另一个电源供电,保障其连续可靠运行[2]。

一级重要用电负荷中,影响生命健康用电负荷,以及特别重要场所的用电负荷,视为特别重要负荷,设计规范要求采用三个相对独立的电源系统冗余供电。工程中一般采用2个公共电网电源、1个发电机(和/或UPS)电源,如文献[3]介绍了医院发热门诊扩建工程电气设计方案,采用了3个电源的低压配电系统。

另外,某些场所2个公共电网电源不足以满足一级重要用电负荷的供电连续性等原因,也会配备发电机作应急电源,如展览馆、剧场的低压配电系统。

1 目前三电源的自动转换方式

1.1 母联开关+ATSE

由于3个交流电源的初相角偏差、频率偏差、电压偏差等因素的影响,不能并列供电,同一时刻只能由其中的某一个电源,对特别重要用电负荷供电。通常由电网电源(UⅠ)供电;当UⅠ异常时,切换至另一电网电源(UⅡ)供电;如果发生地震、强雷暴、强风暴等紧急事态,UⅡ、UⅠ2个公共电网停电时,起动发电机(UF)供电。上述过程中,电网电源(UⅠ)与电网电源(UⅠ)之间由值班人员操作母联开关转换;电网电源与发电机之间的转换由ATSE完成。

1.2 2台ATSE

采用2台ATSE实现三个电源之间自动转换的方案,其中1台“电网Ⅰ-电网Ⅱ型ATSE”和1台“电网-发电机型ATSE”。采用2台双电源转换开关的电路如图1所示。

图1 采用2台双电源转换开关的电路

简略工作原理(逻辑关系)如下:

(1)1号ATSE检测到:电网Ⅰ正常、电网Ⅱ正常,优选S1“合闸”;S2“分闸”锁定。2号ATSE检测到:电网侧正常→选择S3“合闸”;发电机侧S2“分闸”锁定。电网Ⅰ→S1→S3→负载。

(2)1号ATSE检测到:电网Ⅰ异常、电网Ⅱ正常,选择S2“合闸”;S1“分闸”锁定。2号ATSE检测到:电网侧正常,选择S3“合闸”;发电机侧S2“分闸”锁定。电网Ⅱ→S2→S3→负载。

(3)1号ATSE检测到:电网Ⅰ、电网Ⅱ都异常→优选S2、S1“分闸”。2号ATSE检测到:电网侧异常,S3“分闸”锁定,起动发电机S4“合闸”。(发电机→S4→负载)。1号ATSE检测到:电网Ⅰ(和/或)电网Ⅱ恢复正常;回到a或b状态,并使发电机停止。

1.3 目前三电源转换方式存在的问题

母联开关+ATSE的问题,母联开关的转换,需值班人员观察2路电网电压的状态,分析是否有过/欠压、缺相等故障,判断是电压波动,还是持续故障之后再手动操作母联开关,完成电源转换。整个过程时间较长,且受值班人员的工作经验等因数的影响。

2台ATSE存在的问题:体积大,占用配电柜的空间多;性价比低,需2台双电源自动转换开关投资,且安装、接线繁琐;转换过程较长,且是串联使用,故障概率增加1倍,可靠性较差。

2 三电源自动转换开关

三电源自动转换开关的功能与双电源自动转换开关相似,需分别检测三路电源的电压偏差(或频率偏差),自动转换至状态正常的电源对特别重要用电负荷。如优先选择状态正常的公共电网电源,对特别重要负荷供电,其中2个公共电网电源设置一常用一备用时,优先选择常用电源,备用电源次之;设置互为备用时,任选其一。当2个公共电网电源异常时,起动发电机至电压正常时,自动转换至特别重要用电负荷供电。

三电源自动转换开关用途,是替代上述2个双电源自动转换开关,实现3个电源间的自动转换,主要结构是由3个开关设备作主回路(其中包括三个检测电路),分别与电源连接;一个控制器接收检测电路的信息,判别电源状态(正常/异常),按预定程序控制开关设备切换电源。另外,3个开关设备之间还有一套机械互锁机构和一套电气互锁电路,防止电源并列运行,满足文献[2]、文献[3]规定的电气安全要求。

三电源自动转换开关的类型为派生型CB级自动转换开关,适用的电源类型为电网-电网-发电机。

3 三电源自动转换开关设计方案

3.1 选用塑壳断路器作主回路开关

本设计方案采用GF系列数智断路器,具有DC 12 V的辅助电源输出端口[4]。因此,省略了采用其他开关电器时,在其外部配备的电压取样电路,使三电源自动转换开关的结构整洁紧凑,电路简洁可靠。

3.2 控制器设计方案

控制器的工作电源由3台数智断路器的DC 12 V辅助电源输出端口并联供电,省略控制器的电源模块部分的电路,减少发热;不需要引入380 V电源,提高MEC性能,安全可靠。

控制器的4个开关量输出端口,分别与3台数智断路器的开关量远控端口、发电机远控端口连接。

控制器采用RS-485串口通信,与3台数智断路器双向通信,接收断路器检测的电压、过电压、缺相等电源故障信息,根据3个电源的(故障/正常)状况,按预定的优先顺序,命令3台数智断路器“分闸”、“合闸”。

默认优先顺序如下:

(1)电网Ⅰ正常,电网Ⅱ正常,发电机停止。命令S2、S3“分闸”锁定;S1“合闸”。电网Ⅰ,经S1至负载。

(2)电网Ⅰ异常、电网Ⅱ正常、发电机停止。命令S1、S3“分闸”锁定;S2“合闸”。电网Ⅱ经S2至负载。

(3)电网Ⅰ异常,电网Ⅱ异常,发电机停止。控制器失电,其内部的继电器失压动作,常开触头经开关量端口,起动发电机至电压正常;S3的DC 12 V使控制器恢复正常。命令S1、S2“分闸”锁定;S3“合闸”(发电机,S3至负载)。

(4)电网Ⅰ(和/或)电网Ⅱ恢复正常;回到(1)或(2)状态,并使发电机停止。

3.3 数智断路器之间的电气联锁、机械联锁

控制器和数智断路器的开关量控制端口中的“分闸”命令包含“锁定”,是具有抗干扰能力的电气联锁。电气联锁还包括,当产生错误的控制命令,使其他两路的断路器也实行合闸操作时,由于机械联锁的作用无法实现合闸,控制器可检测到电机过载或者合闸时间超过规定值,发指令终止断路器的合闸操作。

三电源自动转换开关采用滑块式机械机构,作3台数智断路器互锁之用,整套机构安装在其正下方,3个六角轴分别插入数智断路器操作件的六角孔,实现联动。三电源自动转换开关的总体布置如图2所示。

图2 三电源自动转换开关的总体布置

滑块式机械互锁机构原理图如图3所示。

图2、图3中,基体长度L=断路器安装后的总宽+支架;有效滑道长度L1=L2+3L3,其中L2为纵滑块宽度,L3为大滑块长度,等于两断路器(安装后)手柄中心线之间的宽度;小滑块长度L4=L3/3;空程长度L5=L2/2。

图3 滑块式机械互锁机构原理图

由图2可见,3台数智断路器都处于“分闸”状态时,与主触头关联传动的操作件及凸轮处于下始点。滑块机构的大滑块(横向)、小滑块(横向)受弹簧推力,对称分布于滑道中央。

其中任一数智断路器(经操作件转动180°)处于“合闸”时,凸轮也转动至上终点,推动纵滑块插入滑道。大滑块(横向)、小滑块(横向)分别向左、右移动至滑道顶端,即长度方向被填满;其余2台数智断路器受其凸轮及纵滑块的约束,被锁定在“分闸”位置,达到“三选一”机械联锁的目的。

当切换电源时,根据控制器命令,处于“合闸”的数智断路器先行退出至“分闸”,滑块机构恢复初始状态;之后另一台数智断路器“合闸”,完成电源切换过程。

4 结 语

本设计方案充分利用数智断路器的性能,如电压检测、网络通信、远程控制、辅助电源等,极大简化了电源自动转换开关的二次电路;控制器没有引入电网电压,减小了电磁干扰,安全可靠;采用的机械联锁结构简单;该产品开发初期投资少,既可替代2台双电源转换开关,又可节约配电柜占用空间。

在配有网络通信的智能电网中,可以用上位机软件中增加加本操作程序,取消本专用控制器,也可以达到三电源转换功能。所以,三电源自动转换开关装置具有较高的性价比。