顧怡文， 管瑞良

(常熟開關(guān)制造有限公司，常熟215500)

0 引言

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展和智能電網(wǎng)建設(shè)的深入推進(jìn)，現(xiàn)代工業(yè)、建筑、通訊、金融、醫(yī)療及消防等領(lǐng)域?qū)σ?、二?jí)負(fù)荷中的供電電源系統(tǒng)的連續(xù)性、可靠性提出了越來越高的要求。 同時(shí)供電系統(tǒng)也呈現(xiàn)多樣性和復(fù)雜性，一方面為了保證供電的連續(xù)性，避免因電力系統(tǒng)故障而造成停機(jī)，很多場合除采用常規(guī)的“一主一備”雙電源供電方式外，越來越多地采用兩電源母線分段、三電源一主二備、三電源母線分段等多形式的供電方式；另一方面為了保證供電的可靠性，避免電源間短路，要求電源轉(zhuǎn)換開關(guān)之間具有機(jī)械和(或)電氣聯(lián)鎖；而在一些特定的場合(如電廠、數(shù)據(jù)中心、工業(yè)等領(lǐng)域)又提出了兩路電源的并聯(lián)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)不停電轉(zhuǎn)換的要求。常熟開關(guān)制造有限公司自1998 年推出第一個(gè)自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)產(chǎn)品CQ 系列以來，通過發(fā)揮低壓電器領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和不斷自主創(chuàng)新，開發(fā)了完整的自動(dòng)電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)品系列，為各類電源轉(zhuǎn)換提供完整解決方案。 本文圍繞多電源轉(zhuǎn)換的接線形式、多電源轉(zhuǎn)換要求以及供電系統(tǒng)架構(gòu)和功能等，結(jié)合常熟開關(guān)的CA1W、CAP2 等系列自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)電器產(chǎn)品展開應(yīng)用方案探討。

1 多電源轉(zhuǎn)換形式

根據(jù)JGJ 16-2008《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡稱“《民規(guī)》”)中配變電所0.4kV 系統(tǒng)母線宜采用單母線或單母線分段接線形式，結(jié)合《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)(第四版)》中配(變)電站低壓常用接線方式，以及筆者在工作中經(jīng)常遇到的其他接線方式，匯總常見多電源轉(zhuǎn)接線換形式如表1 所示。

常見多電源轉(zhuǎn)換接線形式 表1

2 多電源轉(zhuǎn)換要求

2.1 功能性要求

根據(jù)《民規(guī)》相關(guān)條款，明確了開關(guān)類型、工作模式以及投切延時(shí)等功能性要求，具體為:對(duì)電壓為0.4kV(低壓系統(tǒng))開關(guān)設(shè)備要求為變壓器低壓側(cè)總線電源開關(guān)應(yīng)采用斷路器，低壓母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)當(dāng)采用自動(dòng)投切方式時(shí)應(yīng)采用低壓斷路器。 對(duì)低壓母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)自動(dòng)投切要求應(yīng)滿足“自投自復(fù)”、“自投手復(fù)”、“自投停用”三種狀態(tài)要求，且自投時(shí)要有一定延時(shí)。 另外從配電系統(tǒng)運(yùn)維來講，除了進(jìn)線電源故障時(shí)和進(jìn)線電源恢復(fù)后的自動(dòng)轉(zhuǎn)換外，還需要考慮正常檢修時(shí)的轉(zhuǎn)換操作功能。

2.2 安全性要求

根據(jù)《民規(guī)》相關(guān)條款，明確了電源轉(zhuǎn)換故障閉鎖、電氣聯(lián)鎖以及機(jī)械聯(lián)鎖等安全性要求，具體為:對(duì)低壓母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)自動(dòng)投切要求當(dāng)電源斷路器因過載或短路故障而分閘時(shí)不允許母聯(lián)斷路器自動(dòng)合閘，且電源斷路器與母線聯(lián)絡(luò)斷路器之間應(yīng)有電氣聯(lián)鎖功能，對(duì)自備電源接入配變電所相同電壓等級(jí)的配電系統(tǒng)時(shí)接入開關(guān)與供電電源網(wǎng)絡(luò)之間應(yīng)有機(jī)械聯(lián)鎖要求，防止并網(wǎng)運(yùn)行。 結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)要求來看，配電系統(tǒng)主回路具有清晰的層級(jí)和物理隔離是實(shí)現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換安全可靠的基礎(chǔ)。

2.3 及時(shí)性要求

根據(jù)GB/T 31142-2014《轉(zhuǎn)換開關(guān)電器(TSE)選擇和使用導(dǎo)則》，典型負(fù)載允許的最大斷電時(shí)間見表2。 無論采用哪種電源轉(zhuǎn)換接線形式，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障導(dǎo)致主工作電源被斷開后，為保證電網(wǎng)正常供電，備用電源都應(yīng)能盡快投入運(yùn)行，使本來因失去工作電源而斷電的負(fù)載恢復(fù)供電。 從低壓配電系統(tǒng)電源進(jìn)線端來看，應(yīng)考慮滿足1.5s 的要求，但即使是15s 的要求，由人工手動(dòng)轉(zhuǎn)換也是無法保證的，因此自動(dòng)轉(zhuǎn)換是電源端轉(zhuǎn)換的首選方式。

典型負(fù)載允許的最大斷電時(shí)間 表2

3 多電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用方案

常熟開關(guān)是國內(nèi)最早開發(fā)自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)產(chǎn)品的公司之一。 經(jīng)過23 年的發(fā)展，已形成了7 大產(chǎn)品系列，分別為CB 級(jí)的CA1 系列、CA1B 系列、CA1W系列自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)電器，PC 級(jí)的CAP1 系列、CAP2系列、CAP3 系列自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)電器以及零中斷型的CTE1H 系列，全面滿足各類電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換要求。電源端大容量轉(zhuǎn)換方面，在原有基于萬能式斷路器和雙電源控制器的FZZ、FLZ 自動(dòng)電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)多年可靠運(yùn)行基礎(chǔ)上，根據(jù)市場需求對(duì)其按照GB/T 14048.11《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第6-1 部分:多功能電器 轉(zhuǎn)換開關(guān)電器》進(jìn)行整體認(rèn)證，使得CA1W 系列成為國產(chǎn)品牌中第一個(gè)獲得CCC 認(rèn)證的電源端自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)電器。 同時(shí)根據(jù)市場和技術(shù)發(fā)展需要，相繼推出了CAP2 系列和CAP3 系列大容量PC 級(jí)自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)電器，為電源端自動(dòng)轉(zhuǎn)換提供完整解決方案。

3.1 基于CA1W 的應(yīng)用方案

CA1W 系列自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)電器主要由自動(dòng)轉(zhuǎn)換控制器、轉(zhuǎn)接器、執(zhí)行斷路器和配套電纜等構(gòu)成?？刂破饕话悴捎梦⑻幚砥髯鳛榭刂坪诵?，集成時(shí)間繼電器和中間繼電器功能，替代分立元件和PLC 方案，大大簡化外圍線路，同時(shí)可拓展通信功能，方便實(shí)現(xiàn)“四遙”，提高系統(tǒng)智能化程度。 以兩進(jìn)線一母聯(lián)智能自動(dòng)轉(zhuǎn)換為例進(jìn)行說明，如圖1 所示，進(jìn)線電源狀況經(jīng)轉(zhuǎn)接器集線中轉(zhuǎn)后送至控制器，控制器對(duì)兩路進(jìn)線三相電源的電壓、頻率、相位等進(jìn)行檢測，同時(shí)采集斷路器的合分狀態(tài)，當(dāng)進(jìn)線電源發(fā)生失壓、缺相、欠壓、過壓等故障時(shí)根據(jù)設(shè)定的模式實(shí)現(xiàn)兩路電源間的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。 自動(dòng)轉(zhuǎn)換工作過程按先分后合進(jìn)行控制，具有電氣聯(lián)鎖，同時(shí)還配備合閘按鈕鎖避免手動(dòng)誤操作，多重聯(lián)鎖防止兩路電源短路，確保供電安全性。 如果斷路器因過載或短路跳閘，則控制器閉鎖轉(zhuǎn)換功能，只有待運(yùn)維人員排除故障復(fù)位后才重新按設(shè)定的工作模式工作，滿足標(biāo)準(zhǔn)故障閉鎖要求。

圖1 CA1W 示意圖(兩進(jìn)線一母聯(lián))

除了進(jìn)線電源故障時(shí)和進(jìn)線電源恢復(fù)后的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，CA1W 還具有強(qiáng)制轉(zhuǎn)換模式，可用于正常檢修時(shí)的“一鍵順控”轉(zhuǎn)換。 配電室正常運(yùn)行時(shí)，為實(shí)現(xiàn)配電室檢修時(shí)倒閘操作自動(dòng)化，提供“一鍵順控”的控制方式，對(duì)每一張順控操作票進(jìn)行建立數(shù)學(xué)模型，并將模型通過邏輯編程集成在控制器內(nèi)，倒閘操作時(shí)只需通過控制器面板旋鈕選擇所需的操作票對(duì)應(yīng)的狀態(tài)，即可執(zhí)行全部電源切換操作，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)多路電源間的一鍵順控轉(zhuǎn)換，整個(gè)過程無須人工操作，可以大大提高操作效率，減少誤操作的風(fēng)險(xiǎn)。 一鍵順控可實(shí)現(xiàn)非并聯(lián)轉(zhuǎn)換(聯(lián)鎖轉(zhuǎn)換)和并聯(lián)轉(zhuǎn)換(閉合轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)檢修調(diào)電不停電)。 非并聯(lián)轉(zhuǎn)換過程中開關(guān)先分后合，并聯(lián)轉(zhuǎn)換過程中開關(guān)先合后分。 當(dāng)兩路電源不存在永久相角差，具備在線合環(huán)條件的場合，控制器實(shí)時(shí)檢測兩路電源的電壓、頻率、相位，在滿足并聯(lián)條件的情況下自動(dòng)追蹤同相位時(shí)刻進(jìn)行并聯(lián)轉(zhuǎn)換，在并聯(lián)完成后立即斷開斷路器，縮短合環(huán)時(shí)間，整個(gè)合環(huán)過程不超過100ms，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換過程負(fù)載不停電。

CA1W 配置相應(yīng)的控制器和斷路器時(shí)，可應(yīng)用于一主一備、兩進(jìn)線一母聯(lián)、一主二備三種接線方式，滿足電源進(jìn)線故障時(shí)的自投自復(fù)或自投不自復(fù)(自投手復(fù))自動(dòng)轉(zhuǎn)換、正常檢修時(shí)的一鍵順控轉(zhuǎn)換，主要應(yīng)用見表3。 對(duì)于表1 中序6、序8 的發(fā)電機(jī)單獨(dú)用于應(yīng)急母線段方案，可由獨(dú)立的兩進(jìn)線一母聯(lián)方案和一主一備方案分別實(shí)現(xiàn)。 非并聯(lián)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換型具有電氣聯(lián)鎖，可選機(jī)械聯(lián)鎖，采用CW3 斷路器作為執(zhí)行開關(guān)，完全滿足《民規(guī)》中自動(dòng)投切方式時(shí)的開關(guān)要求、電氣聯(lián)鎖要求以及機(jī)械聯(lián)鎖要求。 同時(shí)產(chǎn)品整體符合國標(biāo)GB/T 14048.11，通過CCC 認(rèn)證和電磁兼容考核，相比分立元件方案、PLC方案或自動(dòng)控制器方案無整體考核或僅部分考核的情況，CA1W 具有更全面的考核，系統(tǒng)可靠性得到保證，確?，F(xiàn)場使用穩(wěn)定可靠。

CA1W 主要應(yīng)用一覽表 表3

3.2 基于CA1W 和CAP2(或CAP3)組合的應(yīng)用方案

針對(duì)表1 中序號(hào)7、9 的兩進(jìn)線一母聯(lián)一發(fā)電、兩進(jìn)線一母聯(lián)兩發(fā)電的發(fā)電機(jī)可供I、II 段母線接線系統(tǒng)，可采用CA1W 和CAP2(或CAP3)自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)電器組合應(yīng)用，滿足自動(dòng)轉(zhuǎn)換和一鍵順控轉(zhuǎn)換要求，同時(shí)可解決三臺(tái)以上開關(guān)接線方案無法實(shí)現(xiàn)機(jī)械聯(lián)鎖的問題。 圖2 所示的采用一套CA1W(兩進(jìn)線一母聯(lián))和一臺(tái)CAP2 自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)，可實(shí)現(xiàn)兩進(jìn)線一母聯(lián)一發(fā)電自動(dòng)轉(zhuǎn)換，并滿足發(fā)電電源和市電間的聯(lián)鎖要求；以及一套CA1W(兩進(jìn)線一母聯(lián))和兩臺(tái)CAP2 自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)實(shí)現(xiàn)兩進(jìn)線一母聯(lián)兩發(fā)電自動(dòng)轉(zhuǎn)換，并滿足聯(lián)鎖要求。 得益于CAP2 和CA1W 配套斷路器CW3 的小型化以及CW3 的雙重參數(shù)整定功能，可將CAP2 和進(jìn)線斷路器配置于一臺(tái)進(jìn)線柜內(nèi)，既實(shí)現(xiàn)了市電和發(fā)電間的電源轉(zhuǎn)換，又能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的進(jìn)線側(cè)采用斷路器的要求，同時(shí)也能滿足斷路器對(duì)變壓器和發(fā)電機(jī)分別采用不同保護(hù)參數(shù)的要求。 上述方案使得市電與市電的轉(zhuǎn)換和市電與發(fā)電機(jī)電源的轉(zhuǎn)換在主回路中具有明顯的層級(jí)和物理隔離，供電系統(tǒng)架構(gòu)清晰可靠，系統(tǒng)可靠性得到極大保證。

3.3 基于CA1W 特殊組合的應(yīng)用方案

城市配網(wǎng)對(duì)較大型用戶會(huì)采用三進(jìn)線兩母聯(lián)供電，低壓供電系統(tǒng)由變壓器低壓側(cè)三路進(jìn)線外加二組母聯(lián)組成三段低壓母線供電模式，對(duì)應(yīng)表1 中序10、序11。 該運(yùn)行模式最多只允許三臺(tái)斷路器處于合閘狀態(tài)，且任意一臺(tái)母聯(lián)斷路器和與其相連接的兩臺(tái)進(jìn)線斷路器三者不能同時(shí)處于合閘狀態(tài)，聯(lián)鎖關(guān)系相對(duì)復(fù)雜，一般采用手動(dòng)轉(zhuǎn)換方案，配10 鎖7 鑰匙按鈕鎖的機(jī)械聯(lián)鎖。 如果采用電氣聯(lián)鎖，可采用如圖3 所示聯(lián)鎖線路方案，由于斷路器一般不會(huì)集中布置，因此線路相對(duì)復(fù)雜。

圖2 CA1W 和CAP2 組合應(yīng)用示意圖

圖3 三進(jìn)線兩母聯(lián)電氣聯(lián)鎖方案

當(dāng)特定情況下需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)，可采用兩套CA1W 自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)電器特殊組合應(yīng)用。 如圖4所示，1-CA1W 由QS1、QS2、QS4、WTT3 控制器及轉(zhuǎn)接器組成一套兩進(jìn)線一母聯(lián)自動(dòng)轉(zhuǎn)換，2-CA1W 由QS3、QS5、WTT3 控制器及轉(zhuǎn)接器組成另一套特殊的兩進(jìn)線一母聯(lián)自動(dòng)轉(zhuǎn)換，2-CA1W 只控制3＃進(jìn)線和第二母聯(lián)斷路器，另一個(gè)進(jìn)線開關(guān)取消，但其轉(zhuǎn)接器對(duì)2＃電源進(jìn)行采樣，用于電源監(jiān)測。 兩個(gè)控制器均采集五個(gè)斷路器的狀態(tài)，且兩控制器之間通過信號(hào)線進(jìn)行控制協(xié)調(diào)。 斷路器合閘線圈回路按圖3 配置電氣聯(lián)鎖，確保滿足聯(lián)鎖要求。

圖4 CA1W 特殊組合應(yīng)用示意圖

4 結(jié)束語

本文從常見多電源轉(zhuǎn)換接線形式出發(fā)，結(jié)合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)要求，探討了低壓配電系統(tǒng)電源端多電源轉(zhuǎn)換的功能性、安全性和及時(shí)性等要求，并以常熟開關(guān)制造有限公司的自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)電器為例探討了基于自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)電器及其組合應(yīng)用實(shí)現(xiàn)電源端多電源轉(zhuǎn)換的應(yīng)用方案。 從滿足一、二級(jí)負(fù)荷供電連續(xù)性、可靠性及配電系統(tǒng)智能化來看，常熟開關(guān)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換產(chǎn)品應(yīng)用方案完全滿足電源端多電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用要求，是低壓配電系統(tǒng)電源端多電源轉(zhuǎn)換的理想應(yīng)用方案。