楊志紅 王開(kāi)鴻 孫宏 周川 孫猛 張?jiān)迄i 張恩壽 楊津聽(tīng) 廖瑞祥

摘 要：對(duì)大型糖廠的用電負(fù)荷進(jìn)行分類，分析研究供電方式基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的計(jì)算原則、用電負(fù)荷的計(jì)算方法；依據(jù)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)其自啟動(dòng)方式進(jìn)行分類，對(duì)允許感應(yīng)電動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)的最低母線電壓進(jìn)行分析，并研究不同感應(yīng)電動(dòng)機(jī)組在自啟動(dòng)時(shí)最低母線電壓的允許范圍；分析研究快速投切的工作原理。對(duì)比研究目前常用的快速切換方式；對(duì)糖廠配電網(wǎng)絡(luò)工作母線失電后的母線殘壓變化過(guò)程進(jìn)行研究，列出快速切換可能遇到的問(wèn)題；為確保大型糖廠的用電安全，給出了適用于糖廠快速切換的控制方案，以確保大型糖廠用電的連續(xù)性和可靠性。

關(guān)鍵詞：糖廠；用電負(fù)荷分類；自啟動(dòng)；快速切換；母線殘壓；備用電源

中圖分類號(hào)：TM32 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-820X（2023）02-0032-06

0 引言

隨著現(xiàn)代制糖工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，糖廠配電網(wǎng)絡(luò)中的重要負(fù)荷越來(lái)越多［1，2］，特別是大型糖廠對(duì)供電的連續(xù)性和可靠性提出了更高要求。如自備電廠鍋爐的鼓引風(fēng)機(jī)、給水間的給水泵、壓榨車間的切絲機(jī)、壓榨機(jī)組、蒸發(fā)煮煉工段的真空泵均要求連續(xù)可靠地工作。一旦發(fā)生停電事故將中斷或長(zhǎng)時(shí)間中斷工藝流程，產(chǎn)生廢品，威脅生產(chǎn)設(shè)備安全，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)損失，甚至發(fā)生火災(zāi)、爆炸等事故，危及人身安全。糖廠用電負(fù)荷90%以上是10 kV或380 V的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)［3］。其負(fù)荷特點(diǎn)是當(dāng)工作母線的電源停止供電后，由于電動(dòng)機(jī)及其拖動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的存在，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子不會(huì)立即停止，同時(shí)在定子側(cè)繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，若此時(shí)電動(dòng)機(jī)定子還連接在母線上，則此感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)形成母線上的殘余電壓（稱為母線殘壓）［4］。母線殘壓在電源斷電后有一個(gè)由機(jī)械慣量和電氣慣量共同引起的過(guò)渡過(guò)程，電動(dòng)機(jī)容量越大、拖動(dòng)負(fù)載慣量越大、母線殘壓衰減過(guò)渡過(guò)程時(shí)間越長(zhǎng)。在母線失電時(shí)，如果不能在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)刻投入備用電源，由于母線殘壓的存在或全壓低速起動(dòng)，會(huì)引起過(guò)大的電壓、電流以及力矩沖擊，過(guò)大的沖擊可能會(huì)引起保護(hù)動(dòng)作甚至造成電源切換失敗，造成設(shè)備損壞。綜上，針對(duì)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷進(jìn)行電源切換策略的研究，設(shè)計(jì)快速平穩(wěn)的切換策略，對(duì)糖廠降低故障停機(jī)時(shí)間，減少停機(jī)損失，提高供電的連續(xù)性和可靠性具有重要的理論與實(shí)踐意義。

1 大型糖廠的供配電系統(tǒng)

1.1 大型糖廠用電負(fù)荷分類與供電方式

在糖廠建設(shè)之前，常根據(jù)用電負(fù)荷性質(zhì)對(duì)其進(jìn)行分類，根據(jù)用電負(fù)荷類別設(shè)計(jì)不同的供電方式，依據(jù)重要性原則，糖廠的用電負(fù)荷可分為以下6類［5］。

I類負(fù)荷：這類負(fù)荷會(huì)導(dǎo)致重大設(shè)備損壞、重大產(chǎn)品報(bào)廢、用重要原料生產(chǎn)的產(chǎn)品大量報(bào)廢，重點(diǎn)企業(yè)的連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程停止后需要長(zhǎng)時(shí)間才能恢復(fù)，所以不能突然停電或瞬時(shí)斷電而手復(fù)供電等。如自備電廠鍋爐的鼓引風(fēng)機(jī)、給水間的給水泵等重型核心負(fù)荷。用電安全的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求I類負(fù)荷要采用連續(xù)的、可靠穩(wěn)定的母線保障供電，要用備用電源自動(dòng)投入裝置協(xié)同工作或采用配備自動(dòng)切換裝置的雙電源供電。II類負(fù)荷：這類負(fù)荷的重要性稍弱，允許短時(shí)停電，如壓榨車間的滲透水泵、混合汁泵等。II類負(fù)荷采用與I類負(fù)荷近似的供電方式，設(shè)計(jì)規(guī)程要求備用電源采用手動(dòng)投入即可，無(wú)需自動(dòng)投入。III類負(fù)荷：這類負(fù)荷的重要性較弱，不在生產(chǎn)工藝的主流程上，長(zhǎng)時(shí)間停電損失也不大，如機(jī)械修理所需負(fù)荷、照明負(fù)荷、員工取暖負(fù)荷等。采用單電源供電。

OI類負(fù)荷（即不停電負(fù)荷）：要求采用不間斷電源（UPS）或逆變機(jī)組供電。OII類負(fù)荷：直流保安負(fù)荷。OIII類負(fù)荷：交流保安負(fù)荷。這3類負(fù)荷的供電單獨(dú)設(shè)計(jì)。

1.2 大型糖廠供配電網(wǎng)絡(luò)的典型結(jié)線

大型糖廠典型的主接線圖如圖1所示。糖廠配置了10 kV的發(fā)電機(jī)組12MW 1臺(tái)、7MW 1臺(tái)，供電網(wǎng)路配置10 kV系統(tǒng)，一次回路使用10 kV單母線系統(tǒng)，母聯(lián)分段運(yùn)行，配1臺(tái)10 kV母線聯(lián)絡(luò)柜和1臺(tái)隔離柜，壓榨車間的切絲機(jī)、壓榨機(jī)，鍋爐車間的鼓引風(fēng)機(jī)，給水間水泵等糖廠內(nèi)部的重要負(fù)荷分布在I和II段母線上，并均勻了照明行車等一般負(fù)荷，糖廠的電壓等級(jí)有10和0.4 kV 2個(gè)等級(jí)，總負(fù)荷約為16000 kW［6］。

給水間供電方式如圖2所示。圖中給水間1回、給水間2回的電源由圖1中的10 kV II段引入，給水間1回是工作電源，給水間2回是備用電源，給水間內(nèi)各水泵電機(jī)均為I類負(fù)荷，按設(shè)計(jì)規(guī)程的要求采用供電可靠性較高的母線給I類負(fù)荷供電，同時(shí)配備了備用電源自動(dòng)投入裝置協(xié)同工作。給水間除水泵外，還有行車、行車照明、電焊機(jī)電源等III類負(fù)荷，因不影響快切技術(shù)相關(guān)問(wèn)題的研究，圖中并未繪出。糖廠正常生產(chǎn)時(shí)，斷路器1處于合閘位置，斷路器2處于分閘位置，由給水間1引來(lái)的工作電源通過(guò)變壓器1向電動(dòng)機(jī)母線供電。如果系統(tǒng)故障導(dǎo)致工作電源失電，則備用電源自動(dòng)投入裝置快速發(fā)出指令，工作電源變壓器向電機(jī)母線系統(tǒng)供電。如果母線系統(tǒng)故障導(dǎo)致工作電源變壓器失電，則備用電源自動(dòng)投入裝置發(fā)出指令使斷路器2快速動(dòng)作，將電動(dòng)機(jī)母線切換到給水間2回路，由備用電源變壓器供電。

1.3 配電網(wǎng)快切原理

為實(shí)現(xiàn)連續(xù)可靠地供電，當(dāng)故障發(fā)生導(dǎo)致工作電源失電時(shí)，要求將母線快速切換到備用電源上，由備用電源實(shí)現(xiàn)接續(xù)供電。常用的快切方法有快速切換、同期捕捉切換、殘壓切換、長(zhǎng)延時(shí)切換等［7］。快速切換是指在切換啟動(dòng)條件滿足時(shí)，常用電源電壓與備用電源電壓的相位差、頻率差均在設(shè)定定值允許范圍內(nèi)，母線系統(tǒng)的電壓大于低電壓設(shè)定的閉鎖定值，瞬間啟動(dòng)切換。同期捕捉切換是指母線失電后，捕捉母線殘壓與備用電源的同期點(diǎn)，在同期點(diǎn)時(shí)啟動(dòng)切換，因?yàn)檫x擇首次同期點(diǎn)進(jìn)行切換時(shí)，母線電壓相位差為零，電壓幅值差較小。殘壓切換是指母線三相線電壓在衰減至額定電壓值的20%～40%時(shí)，持續(xù)殘壓導(dǎo)致的低電壓保護(hù)經(jīng)過(guò)定值延時(shí)后實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作切除。在3種切換方式未成功切換時(shí)，將執(zhí)行長(zhǎng)延時(shí)切換。長(zhǎng)延時(shí)切換是一種備用切換方式，延時(shí)定值一般為9 s，

2 大型糖廠I類負(fù)荷供電母線失電后電動(dòng)機(jī)的性態(tài)分析

為實(shí)現(xiàn)將母線快速切換到備用電源上，由備用電源實(shí)現(xiàn)連續(xù)供電，從研究大型糖廠I類負(fù)荷供電母線殘壓衰減特性出發(fā)，研究快速切換過(guò)程中的差拍電壓，結(jié)合供電規(guī)程，提出一種實(shí)時(shí)快速切換的方法，避免傳統(tǒng)切換系統(tǒng)定值難以確定及整定的問(wèn)題［7］。以圖2所示給水間供電方式圖進(jìn)行分析，當(dāng)電動(dòng)機(jī)母線的工作電源斷電后，掛接在母線上的三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)由于慣性的原因不會(huì)立即停止，而將電動(dòng)機(jī)軸上的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，倒送到母線，使母線上感生出電壓，稱作殘壓（Residual voltage），也叫母線殘壓。隨時(shí)間的推移，母線殘壓的頻率和幅值不斷衰減，由母線系統(tǒng)上電動(dòng)機(jī)組的容量及慣量決定衰減的速度及軌跡。由大容量、大慣性負(fù)載的電動(dòng)機(jī)（電動(dòng)機(jī)組）作為發(fā)電機(jī)向小容量電動(dòng)機(jī)供電。因此電動(dòng)機(jī)組的殘壓衰減曲線介于單一大容量電動(dòng)機(jī)和單一小容量電動(dòng)機(jī)的殘壓衰減曲線之間［8，9］。

2.1 失電后異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電流

假定t=t0時(shí)給異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)送電投入運(yùn)行，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的起動(dòng)過(guò)程，進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，t=t1時(shí)，給異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)供電的工作母線三相電源同時(shí)失電，使異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)定子三相電源也同時(shí)失電；失電后定子電流降低到0，為保持主磁路磁通不突變，異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電流沒(méi)有零序分量，依據(jù)電機(jī)學(xué)理論，可得失電后異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電流方程如式（1）［10-12］。

[ia=Rei+i0=irt1e?t?t1Trcosλib=Rea2i+i0=irt1e?t?t1Trcos （λ+120°）ic=Reai+i0=irt1e?t?t1Trcos （λ+240°）]

…式（1）

式中，Tr=Lr/Rr，是轉(zhuǎn)子電路的時(shí)間常數(shù)；[irt1]是t=t1+時(shí)刻三相異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)與電源完全斷開(kāi)時(shí)所形成的轉(zhuǎn)子電流空間向量的初始值，其模值為[irt1]，相角為[λ]，零序電流為0。

2.2 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下的失電殘壓解析式

對(duì)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)，設(shè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為TL，忽略旋轉(zhuǎn)阻力系數(shù)，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)失電殘壓可以表示為式（2）。

[UA=Mmirt1et?t1Trω2r+1T2rcos （ωrt+θ0+φ+λ）UB=Mmirt1et?t1Trω2r+1T2rcos （ωrt+θ0+φ+λ+120°）UC=Mmirt1et?t1Trω2r+1T2rcosωrt+θ0+φ+λ+240°]

…式（2）

式中，[φ=arctan （?Trωr）]，

[ωr=ωr0?p0TLJt=πnr0p030?p0TLJt]。

2.3 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下的失電殘壓衰減圖

依據(jù)式（2），在Matlab中用m語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的失電殘壓計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。圖3-A是失電殘壓衰減幅值時(shí)間圖，橫坐標(biāo)是時(shí)間，縱坐標(biāo)是失電殘壓的幅值；圖3-B是失電殘壓衰減極坐標(biāo)圖，1周是360°電角度。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)斷電后，失電殘壓的幅值和頻率等空間向量在不斷衰減時(shí)，電源電壓和失電殘壓空間矢量的相位差和矢量差的幅值也在不斷變化。

3 基于差拍電壓的快切技術(shù)在大型糖廠的應(yīng)用

目前使用的快速切換技術(shù)對(duì)判定失電的響應(yīng)時(shí)間較短，主要用于電源的重合閘或分段母線電源的自動(dòng)切換，使用中存在一定的局限性；同期捕捉切換是2個(gè)幅值基本相等的電壓源進(jìn)行切換，因?yàn)槭щ姎垑旱姆挡粩嗨p，備用電源電壓與失電殘壓空間向量差的幅值峰出現(xiàn)在二者相位完全相反或相同之前，致使同期捕捉切換誤差過(guò)大。殘壓切換至穩(wěn)態(tài)所需時(shí)間較長(zhǎng)，長(zhǎng)延時(shí)切換至穩(wěn)態(tài)所需時(shí)間最長(zhǎng)。

備用電源電壓與電機(jī)失電殘壓之矢量差稱作差拍電壓。本研究采用基于差拍電壓幅值大小判定電源切換時(shí)刻的控制方法。在電源切換過(guò)程中，真正傷害電動(dòng)機(jī)以及配電線路的因素是過(guò)大的沖擊電流，過(guò)大的沖擊電流由過(guò)大的差拍電壓形成，而差拍電壓是母線殘壓的函數(shù)，差拍電壓的特性依賴于母線殘壓的衰減特性。

基于差拍電壓幅值大小判定電源切換時(shí)刻控制方法的原理如圖4所示。圖4中，曲線4-1是差拍電壓幅值，曲線4-2是差拍電壓相位，曲線4-3是判定適合切換時(shí)刻的差拍電壓幅值的整定值，通常這個(gè)整定值設(shè)1.1～1.2倍的額定電壓［12］，為使切換過(guò)程盡量平穩(wěn)，可設(shè)定為額定電壓。圖中同時(shí)給出負(fù)向電壓的控制線曲線4-4，在曲線4-3與曲線4-4之間的區(qū)域進(jìn)行切換，差拍電壓幅值較小，引起的瞬態(tài)定子電流向量幅值的峰值也較小，瞬態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩也將先出現(xiàn)正峰值，并且正峰值大于負(fù)峰值，是合適的切換區(qū)域。從理論上來(lái)看，0.05 s內(nèi)可實(shí)現(xiàn)5擊切換，曲線1、曲線3和曲線4所圍成的區(qū)域?yàn)槔硐肭袚Q區(qū)域。

4 結(jié)語(yǔ)

基于差拍電壓幅值大小判定電源切換時(shí)刻的控制方法通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算母線殘壓的衰減特性，具體使用時(shí)一線工人不必全面了解殘壓衰減特性，只要設(shè)定備用電源切換時(shí)斷路器差拍電壓幅值定值即可，實(shí)現(xiàn)快速切換極其方便，不會(huì)因壓榨車間的切絲機(jī)、壓榨機(jī)，鍋爐車間的鼓引風(fēng)機(jī)，給水間水泵等重要負(fù)荷所處母線的不同，電機(jī)容量與臺(tái)數(shù)不同導(dǎo)致殘壓特性的不同而改變定值，操作方便，提高了供電的連續(xù)性和可靠性。

致謝：本文的構(gòu)思和寫(xiě)作得益于常年在糖廠服務(wù)過(guò)程中積累的一點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)和方法，以及糖業(yè)界前輩中國(guó)輕工業(yè)聯(lián)合會(huì)輕紡工程領(lǐng)域?qū)＜液椭袊?guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)電氣工程領(lǐng)域?qū)＜抑艹缗d教授的指導(dǎo)，在此特表謝意！

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