无扰动快速切换装置在石化行业应用存在的问题及解决方案

快速切换装置在石化行业应用存在的问题及解决方案
    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。
    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。

    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
     1）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。
     2）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。
     3）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。
     4） 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。

    5） 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。
    6） 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RSH-812S无扰动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。