快速切换装置在石化行业应用存在的问题及解决方案

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近几年，随着国内石油化工行业的迅猛发展，快速切换装置（简称“快切”）在石油化工行业内大规模应用，大大提高了企业控制的自动化水平，运行效果显著。但同时也遇到了一些新的问题，如成功率低、误起动、实现电动机群起导致保护误动作、同步发电机与快切的配合问题等。复杂的应用场景对快切的要求越来越高，探索新的更加适用于石油化工行业的快速切换解决方案具有积极意义。

西门子电力自动化有限公司、万华化学集团股份有限公司的研究人员曹祯、董桂成、朱庆海、刘志雄、李俊鸿，在2021年第6期《电气技术》上撰文，针对新的应用方式及问题进行思考归纳，并结合一定理论分析及应用经验提出解决方案。

快速切换装置（简称“快切”）最初源于发电厂厂用电系统，现已在工业系统中得到了广泛应用。石化连续性生产企业内有大量电动机负荷，变压器或者线路故障会造成电动机停止运行，可能给企业带来巨大的损失。近年来，适用于工业企业变电站接线及运行方式的快速切换装置相继问世，较之前采用的备自投和双电源切换模块，快速切换装置大大提高了工业企业控制的自动化水平，运行效果显著。

本文首先提出现阶段快切在石油化工行业中应用存在的几个典型问题，在此基础上，分析这些典型问题产生的原因及影响，并针对这些典型问题提出一系列解决方案。

1  快速切换技术原理

快速切换技术的应用前提是母线上有大量的电动机感性负荷，当工作母线失去供电电源时，电动机存储的能量给母线反供电，在母线上形成残压，其变化趋势如图1所示。快速切换装置以备用电源为基准，判断母线失电后的母线残压与备用电源之间的频率差、相位差和电压差（相量差），当频率差、相位差和电压差（相量差）满足一定条件时，将失电母线切换到备用电源运行。

图1  母线失电残压曲线

目前，快速切换装置常用的两种切换模式为快速模式和同相切换模式。据统计，目前快速切换常用的整定值频率差为3Hz，相位差为20°，低电压闭锁为70%Un。现场实践表明，快速切换模式对电动机自起动极为有利，但是由于要求太高，切换成功率低。

根据现场应用数据统计，快速模式成功率仅在10%～20%。同相切换常用的整定值频率差为5Hz，相位差为5°～10°，电压差为30%～40%左右。但是同相捕捉模式过度依赖相位，切换时母线失电已经一段时间，再加上合闸延时，切换成功时母线电压较低，容易导致电动机负荷停转。

2  快切在石化企业的应用及典型问题

石化企业中所带的电动机负荷占70%左右，其供用电系统接线较为复杂，母线的出线分支较多，供配电系统内部发生故障的概率较高。经统计，石化企业中母线电压波动原因有以下几种类型：①母线内部故障，低压馈线和用电设备发生故障导致母线电压波动；②电动机起动，大容量电动机（或机群）起动时导致母线电压下降；③外部故障，外部电网发生短路故障或者解列，导致供电电源中断。

现阶段快切在石化行业应用中遇到的典型问题有以下几个：

1）快速切换模式成功率低导致负载掉电时间较长，最终可能导致电动机负荷停转。

2）母线内部故障或大容量电动机（或机群）起动均会引起母线电压波动，从而导致快切误起动和误切换。

3）大规模快切装置在电力系统各电压等级中应用后带来电动机群起问题，如备用电源进线过电流保护误动。

4）大量高压电容器及同步发电机与快切配合问题。

5）系统复杂度越来越高，多于三个断路器的大型系统应用越来越多，单个快切装置难以满足需求，往往需要多个快切装置通过逻辑关联共同完成，复杂度高且可维护性差。

3  典型问题解决方案探讨

3.1  快速切换模式成功率低

现阶段石化企业最大的困扰是快切成功率低，虽然投入了大量资金引进快切产品，但很多情况下的实际动作并非快切模式，相当于把快切当作慢切用，导致负载掉电时间长，最终可能导致电动机负荷停转。提高快切成功率的思路主要有两个方面：整体系统方案设计优化和快切产品设计优化。

1）整体系统方案设计优化

很多大型石化企业的110kV到400V电力系统都用到快切，当高电压等级的快切起动后会跳开高电压母线的进线电源开关，下一级母线也会因此失压，进而导致下一级快切失压误起动，因此对于异常情况下起动快切时需要考虑上下级快切的配合。

上下级配合最简单的方案是在起动延时整定上做级差配合，越往下级快切起动延时越长，为保险起见，往往会保证延时有足够裕量，10kV及400V快切的起动延时可能会很长甚至超过1s，这样就会使快速切换模式形同虚设，进而导致切换直接进入残压切换模式或者长延时切换模式。 

更优方案是通过上下级逻辑闭锁来确保上一级快切起动时下一级快切不误动。快切上下级异常起动配合示意图如图2所示。

图2  快切上下级异常起动配合示意图

上下级之间的逻辑闭锁可以借助光差保护的光纤通道传输远传信号，也可以通过电缆硬结点或者面向通用对象的变电站事件（generic object oriented substation event, GOOSE）传输来实现。

在设计上下级联闭锁方案时，还需要考虑一些异常工况的处理，比如110kV快切装置仅投入快速模式且快速模式开放时间为100ms左右，当超出快速模式开放时间后，可认定为切换失败，或快速模式和同相模式都失败则认为切换失败，此时需要解锁下级快切。

除上下级联闭锁方案外，还有以下系统优化可以在一定程度上提升快切成功率：

（1）对于断路器选型，选取分合闸时间较短的断路器，为快速切换模式争取更多空间。

（2）对于快切起动条件，尽可能用快速跳闸的保护功能来起动快切，原则上只要配置快切就要差动保护跳闸来配合起动。

（3）减少中间环节的时间消耗，如少用出口继

电器从而节省约20～30ms的跳合闸延时；如果用到GOOSE通信则尽可能选择高性能数据传输，且要确保网络的数据安全及可靠性。

2）快切算法优化

国内常用的快切算法由快速切换和同相捕捉切换组成，其动作区域如图3所示。理论上快速切换可以将母线上的电力中断保持在最短的时间内并能保证电动机及其负载不会受到过度的或累积的损害，所以优选快速切换。如果快速切换的判据没有得到满足，失去快速切换的时机后同相捕捉切换将被起动，即同相捕捉切换是快速切换的后备。

针对快速切换和同相捕捉切换的不足，通过深入研究母线残压特性和感应电动机的静态特性，并根据ANSI/NEMA C50.41—2012关于电动机母线快速切换的指导性原则（见图4）对该算法进行改进。

图3  传统快切动作区域

图4  ANSI/NEMA C50.41—2012关于电动机母线快速切换的指导性原则

该原则指出合闸时刻，电动机母线残压与参考电源电压之间的V/Hz相量差应不超过1.33倍标幺值且V/Hz相量相位差不超过90°，因此，新型的改进算法引入母线失电后实时的电压幅值、相位及频率等，动态计算残压和备用电源之间的相位差变化率dφ/dt及电压幅值变化率dU/dt，并预测V/Hz相量差，以确保合闸时刻的相关判据条件在定值之内，同时对相位差进行预测，使相位差在90°以内，对负荷及电网的影响较小，实时快速切换的切换应用区域如图5所示。

用户无须因残压特性的改变而调整先前的设定，方便用户进行操作。该算法引入后快切区域采用快速和实时快速两种模式，大大提高了快切成功率。

图5  实时快速切换应用区域

3.2  母线内部故障或大容量电动机（或机群）起动导致快切误切换

1）电动机起动识别

同母线失电类似，当母线上有电动机起动时，均会引起电压突降。其电压降落与电网的运行方式、系统阻抗、电动机参数及电动机起动方式有密切关系。仿真结果显示，大功率异步电动机起动可能会造成母线电压有效值下降20%以上。

实际应用中部分用户没有进线电流互感器接入快切装置，无法通过进线电流区分电动机起动和上一级母线失压，因此需要仅依靠母线电压特性对电动机起动进行识别以避免误起动快切。

与母线失电不同的是，电动机起动引起母线电压突降后，电压会逐渐趋于正常，而母线失电时残压会逐渐趋于0，图6为电动机起动和电源失电的电压特性对比。快切装置需要根据母线电压在电动机起动时和失电时突降后的不同变化趋势，对两种情况进行区分，可有效预防在电动机起动时快切装置误动的现象。

2）故障识别

异常起动方式均需在母线无故障的情况下起动。在工作母线故障时，快切装置可迅速将母线切换到备用电源上，使备用电源变压器遭受一次故障冲击，同时对开关的冲击非常大，扩大事故的范围；在无法收到保护闭锁信号时，快切装置需要通过判断母线是否有压识别三相故障，通过母线电压是否包含零序分量或负序分量来识别不对称故障[9]，如母线最大电压小于一定值，或零序电压大于一定值或负序电压大于一定值，来识别母线及负荷支路故障，从而保证发生母线内部故障时快切不会误切换。

图6  电动机起动和电源失电的电压特性对比

3.3  大规模快切应用后带来的电动机群起问题

快切在石化企业电力系统中应用的数量越来越多，应用的电压等级也越来越高，国内某些石化企业甚至将快切应用在220kV电压等级。随之而来的电动机群起问题也越来越凸显，最直接的影响就是造成备用电源短时过负荷，进而造成保护误动作导致全厂失电。

针对电动机群起问题，解决思路有如下两个方向：

1）从系统设计角度优化

最有效的方案是从整体电力系统设计角度考虑最大运行工况，从而确保电源容量的设计裕量足够大。提高系统裕量的措施可以通过多电源接入或者增设自备发电厂来实现。

另外，从整体快切方案角度需要考虑尽可能提升企业最高电压等级进线端的切换速率，确保切换过程中电动机不停转，从而确保最终切换成功后系统的冲击电流可控制在较低水平。具体可以通过参数整定和配置来实现，比如220kV及110kV的快切仅投入“快速切换模式”及“同相捕捉模式”，不允许投入“残压切换模式”及“长延时切换模式”。

2）从快切方案角度优化

现阶段市面上的快切产品在判断切换条件时仅考虑了最基本的合闸条件，即待合断路器两端电压差（相量差）、相位差、频率差，而并未考虑系统运行裕量。更优的切换策略应该从系统角度考虑运行工况及系统裕量分布，从而在满足最基本合闸条件的基础上有选择性地“分群分批”将电动机机群切换到最合适的电源上，根据负荷的优先级制定策略，确保重要负荷能快速切换到备用电源上。

3.4  高压电容器/同步电动机等设备应用与快切的配合

1）高压电容器的应用

最常遇到的工程设计问题是在快切之前是否应该把电容器切除，某些工程规范中明确指出需要在快切或者备自投切换之前将高压电容器切除，以确保电容器不致因过电压而损坏。

实际工程应用中，也有很多带着电容器完成切换的案例，但成功切换的前提需要确保快速切换，至少是同相捕捉切换模式动作。在快切模式下，母线残压仍保持在较高水平，且母线残压和备用电源电压之间的频率差、相位差都被控制在较小范围内；在同相捕捉切换模式下，虽然母线残压幅值已经有一定程度衰减，但相位差被严格控制在很小范围内，所以两种切换都不会造成电容器过电压。残压切换模式动作的情况下，由于残压幅值已经降低到额定电压的30%以下，所以电容器保护自带的低电压保护会提前将电容器从系统中切除。

2）同步机/异步电动机混用情况下的切换策略

现阶段很多石化企业的10kV或6kV母线上混带有同步机和异步电动机，同步机可能是同步电动机或者自备发电机。

同步发电机和异步电动机在失电后的动态模型存在巨大差异。异步电动机可以在远离额定工况下，例如80%额定转速，直接并网并达到额定运行状态。甚至部分小容量异步电动机，支持零转速直接并网起动，即冷起动。经典的快速切换理论基于异步电动机模型，可以保证在较宽区域（电压差、频率差、相位差等条件）安全并列到备用电源上并达到额定运行状态。而同步发电机由于独立励磁系统的存在，非同步条件下的合闸，同步过程会出现比较大且持续时间比较长的转矩振荡。

不正确的同期并列会造成系统振荡，甚至造成同步机永久性损伤，所以同步发电机的操作规程明确禁止重合闸操作，快切操作则是未定义的灰色地带。然而母线上同时存在同步发电机和异步电动机的场景，相关理论几乎空白，如何处理同步发电机、异步电动机混用情况下的快切切换策略需要研究。

为确保切换过程中同步机和系统安全性，严格符合操作规定的策略是把同步发电机、异步电动机混用的切换分解为多个理论和实践都较为成熟的操作：①异常识别起动快切，将母线从主电源系统中断开；②在断开主电源时，或者合于备用电源前，切除所有同步发电机；③按照纯异步电动机母线切换策略，合于备用电源，完成异步电机群快切；④待母线电压稳定后，将同步发电机调整到同期并列条件下，逐一完成并网。

上述方案最大缺点是同步发电机退出运行时间较长，对相关功能影响较大，完成切换需要配合调频调压及同期并列装置完成并网，操作周期较长，复杂度较大，不利于在保证安全的情况下提高成功率。因此，不切除同步发电机的切换策略可行性研究具有积极意义。

应用案例中比较典型的是110kV母线经过变压器混带有10kV异步电动机母线和10kV同步发电机母线，如此，110kV母线及以下元件组成的子系统可被认为是带有分布式电源的微网。

通过PSCAD仿真可知，110kV子系统相比电动机机端母线，更容易达到功率平衡，电源断开后频率差、相位差等切换合闸的条件也更有利，不切除同步发电机的快切，不仅降低了操作复杂度，同时还提高了切换性能和成功率。进一步研究在不同系统工况下，母线电压是否有利于进行切换，图7为子系统额定发电功率与负荷功率比为100%和80%的母线电压幅值变化趋势。

图7  母线电压幅值变化对比

根据图7可知，在110kV侧成功切换需要断开后的子系统能快速达到功率平衡并且稳定，所以需在如下两个方面进行限定：①在110kV母线一次设计时，额定工况下同步发电机容量应近似等于负荷，考虑阻抗参数等损耗情况下应略大于负荷；②使用调频能力较强的发电机组，调频调压较快的自动控制系统。

快切起动后不切除同步发电机，在110kV母线进行快切操作。为确保同步发电机的安全性，合闸时刻的电压差、频率差、相位差需参考同步发电机的并网条件，比如限定电压差在5%Un以内，频率差在1Hz以内，相位差在10°以内。

3.5  系统复杂度越来越高，多于三个断路器的大型系统应用越来越多

现阶段单台快切装置适用的典型系统接线如图8所示，包括单母分段双进线、单母双进线、单母三进线。

图8  单台快切装置适用典型系统

上述几种典型系统接线包含的断路器数量不超过三个，运行工况和切换逻辑都相对简单。但近些年随着快切在110kV甚至220kV应用的扩展，快切逻辑需要考虑更加复杂的运行工况，比如双母双分段及多电源接入的复杂系统接线。

图9～图11是几种石化行业典型的大型应用场景。针对图9系统接线，通常需要三台快切装置通过硬结点连接或通过GOOSE传输互锁信号来完成整体切换逻辑，类似解决方案对于图10系统接线需要六台快切装置联合完成，对于图11系统接线需要更多台快切。

此类解决方案复杂度非常高，对于用户来说存在很多弊端：

1）整体方案的硬件成本昂贵。

2）设计、配置、接线、工程调试都非常复杂，且如果系统在后期有任何修改或扩展，会带来大量的硬件接线和实现逻辑的调整，费时费力，可操作性很低。

图9  三母三进线接线方式

图10  单母分段四进线接线方式

图11  双母双分段四进线接线方式

3）由于整体方案依赖硬结点连接或GOOSE传输，所以受电磁兼容（electro magnetic compatibility, EMC）干扰及通信数据干扰的影响较大。

4）故障录波存于各装置，遇到问题不便对快切过程有整体的分析。

更优的解决方案应该以实际应用为中心，从以下几个方面考虑提高易用性：

1）单台装置独立完成全部快切逻辑，避免多台装置间开放互锁逻辑，大大降低配置、接线、调试的复杂度，同时也可以规避EMC干扰及通信数据干扰带来的影响。

2）配置简单，化繁为简。根据企业的实际运行方式计划实现最优电源切换策略。

3）设置可视化接口。当系统中有多个备用电源时，预定义切换优先级，并实现客户定制化服务。

4）软硬件实现模块化设计，后期扩展简单方便，从而确保在系统扩展后原有接线及软件逻辑均无需修改。

以图10系统为例，其典型切换方向如图12所示，在快切装置中定义四个断路器及三个切换方向对应的断路器，如所需方向有变化，只需更改或增加切换方向即可，无需二次接线。

图12  单母分段四进线典型切换方向

以上设计理念提供可视化的优先级定义，如图13所示，根据系统设计定义切换方向的优先级，当快切起动时即可自动按优先级起动相应的切换方向，从而避免复杂的闭锁逻辑。

图13  切换方向优先级定义

4  结论

本文对快切装置在石油化工企业应用中的典型问题进行了分析，针对快切装置成功率低的问题，提出通过上下级配合的方案提高了快切成功率，采用对V/Hz相量进行预测的切换模式提高了快切成功率；通过仅基于母线电压的算法来识别电动机起动或母线故障从而避免快切误起动；通过提高电源设计容量或电动机分群分批切换策略避免切换后保护误动作的问题；提出了在同步机异步机混用时带同步机切换的解决方案；应用快切装置自适应于各种大型应用场景的解决方案大大简化了快切闭锁逻辑，对快切应用于石油化工行业的切换模式和整体解决方案具有积极的意义。

本文编自2021年第6期《电气技术》，论文标题为“快速切换装置在石化行业应用存在的问题及解决方案”，作者为曹祯、董桂成 等。