建筑节能 论备自投装置在化工厂变电所中的应用 摘要：备自投装置作为变电所中的重要设备，目前已经得到了广泛应用，文章结合笔者参与的海南实华嘉盛化工有限公司３５ｋＶ 变电所工程，介绍了供配电方案，并详细分析了三种备自投逻辑方案设计的分析与比较，研究关键设计环节和相应对策。 关键词：备自投装置；化工厂；供配电 ０前言 图２为Ｉ段母线失压，跳Ｉ段进线、合母联的备投方式逻辑图。 备自投充电完成后，无放电条件，如果符合Ｉ段母线无压、Ⅱ段母线有 压，备自投经无压延时后即可起动。备自投起动后，不管Ｉ段进线断路器是否 备自投装置是保障供电安全、稳定、可靠的重要装置，如发生拒动或误动 会造成重大事故的发生。本次海南实华嘉盛化工有限公司设计中引入了三种 备自投方式，其中快切方式目前在发电厂厂用电中应用比较多，但在化工厂 用得相对少。因此在现场做备自投的整组试验时，必须根据具体情况进行综 合分析，检验备自投装置动作的正确性，以确保其正常运行。 １工程概况 实际应用中备用电源自动投入装置的实现方式有多种，如常规继电器组 合方式、微机继电保护装置（以下简称“综保”）实现备自投方式、专用备自投 装置（这里的“专用”用于区别“备自投”统称）、快切装置等。由常规继电器组 合来实现的方式现在已经非常少见。目前在化工厂厂用变电所中，大部分采 用的是由综保在完成保护功能的同时利用其可编程功能来实现备自投。近些 年来，随着后２种备自投方式技术的成熟，它们在化工行业中也逐渐开始应 用。本文结合笔者参与的海南实华嘉盛化工有限公司３５ｋＶ变电所（以下简称 “区域变”）工程设计实例，该设计采用了后３种备自投方式。 ２供配电方案 区域变的设计是为几 套化工装置提供电源，所带 负荷大部分属于一级及二 级负荷，各电压等级均需双 回路电源供电，每回电源进 线均具有１００％的供电容量。 区域变２回主电源进线分别 图１单线图 引自上级变１１０ ｋＶ不同母 线段，且当电源故障时，２回路电源不应同时中断供电。区域变３５ ｋＶ、６ ｋＶ及 ３８０Ｖ配电系统均采用双电源、单母线分段运行方式，２电源互为备用，如图１ 所示。根据业主要求，在区域变不同电压等级采用了不同的备自投装置。３５ ｋＶ系统备自投装置采用的是ＳＩＤ一８ＢＴ快切装置；６ｋｖ为ＮＳＰ４０Ｂ专用备自投 装置；３８０Ｖ采用综保实现备自投方式。 ３三种备自投逻辑方案设计的分析与比较 根据供配电方案，区域变备自投装置主要用来实现当某一路电源因故障 使母线失压时迅速将另一路电源自动投入的切换。以下就故障情况下的各种 备自投逻辑方案设计进行分析与比较。 备白投从原理上讲基本属于简单逻辑运算，通过逻辑判断来实现功能， 基础是对于工作母线有压与无压的检测判别。备自投装置接人各相关断路器 的状态接点用于逻辑判断，根据定值和各断路器位置信号投入相应的备自投 方式。当逻辑满足起动条件、备自投准备条件（充电条件）、无闭锁条件（放电 条件）时，备自投即可动作。 ３．１工作原理 ３．１．１专用备自投装置 图２逻辑图 。１５４‘ 跳开，装置均发跳Ｉ段进线断路器命令。跳闸脉冲发出后，备自投检查Ｉ段进 线断路器是否跳开，确认跳开，再发出合闸脉冲合母联开关。备自投起动后， 全部动作时问应在延时放电时间完成，延时放电时间到后装置即整组复归。 专用备自投装置引入２段母线 信号，用于进行有压、无压判别并起动 备自投装置；引入进线任一相的电流信号，防止母线Ｐｒｒ三相均断线后造成备 自投装置误投，并可确认进线开关已断开；输入进线母联开关状态量作为系 统运行方式判别及备自投充电和放电条件；装置还输人闭锁备自投的开入量 及进线开关的合后位置，以便在手跳进线开关时可以闭锁装置，不动作。 装置设计了充电过程，保证备自投装置的一次动作性，备自投只有在充 电完成后才可能动作。各充电条件均满足持续充电时间１５ ｓ后，备自投完成 充电；任一放电条件满足，备自投即备投动作跳；备自投未起动时，只有再次 充电后才可能再起动；已起动后，备自投动作过程立即终止。 ３．１ ２综保实现备自投 这种备自投逻辑在母联综保中实现（也可以在进线综保中实现），工作方 式与专用备自投装置基本相同，将备自投所需开关量和模拟量均输入到母联 综保中，如果满足备自投条件，备自投就自动发出先分进线后合母联断路器 命令。 ３１．３快切装置 快切装置应用捕捉母线所带设备耐受电 压△Ｕ的准则投入备用电源。当Ｉ段进线电 源中断时，由于Ｉ段母线所带设备的反馈电 压（主要是变压器电动机组等。高压电机及负 载的机械惯性使电动机维持较长时间继续旋 转，并转变为异步发电机运行工况），Ｉ段母 线在一段时间内会维持一定的残压ＵＤ并缓慢衰减，频率也会随着转速降低 而缓慢下降。Ｉ段母线残压ＵＤ与Ⅱ段母线电压ｕｓ的相角０、幅值产生差值 ＡＵ如图３所示。 随着Ｉ段母线残压ＵＤ的快速变化，它与Ⅱ段母线正常电压的相角差逐 渐拉开，△ｕ可能会很大；如果此时母联断路器合闸，Ｉ段母线所带设备就要 承受很高的电压ＡＵ，如果电压ＡＵ超过设备耐受电压值，势必影响设备的安 全运行。这就要求必须在残压ＵＤ快速变化中找出恰当的时刻进行母联断路 器合闸。 快切装置用实时计及母联断路器两侧电压差、相角差及频率差变化规律 的快速算法，遵循捕捉Ｉ段母线所带设备耐受电压的准则投入Ⅱ段电源。 ３．２切换时间 对于母线低压起动备自投、先分进线断路器后合母联断路器的方式，３ 种备自投方式失压母线断电时间均为：备自投动作延时时间＋进线断路器固 有分闸时间＋母联断路器固有合闸时间。对于快切装置，还可选择动作时间 较短的同时切换方式，失压母线断电时间为：备自投动作延时时间＋母联断 路器固有合闸时间。 ３．３分析与比较 综上所述，综保实现备自投方式借助于综保的可编程功能输出分合闸命 令，实现备自投，节省成本、减少并简化电缆接线，适用于仅要求故障时电源 投切操作功能的场合。这种方式一般不输出报警信号，输入信号受输人口个 数限制。 专用备自投装置作为单独实现备自投功能的设备，可输出开关拒动等报 警信号。其典型配置根据供配电系统一次接线形式不同共分８种方式和４种 自由定义方式，当系统运行方式发生变化时，装置可自动选择对应的切换方 建筑节能 式，不用工作人员到现场改动联线或逻辑。装置可安装在开关柜中，适用于对 动而造成电源线路保护越级动作等时，备自投应闭锁，当备自投动作后，发生 备自投装置功能要求较多或系统一次接线形式发生变化的系统。 区内故障，母联此时动作合于故障，备自投应有后加速功能，以零时限切除母 快切装置采用快切算法，确保投切时机，切换时间短。除满足快速切换等 各项基本要求外，它还具有电压、电流的自动录波功能，可用于分析整个切换 过程电压、电流、相角及频率的变化。对于双电源分段运行方式快切装置需单 独组屏，投资高，适用于对可靠性要求较高或带发电机的系统。 ４参数整定 合理整定各种参数是确保备自投装置快速可靠动作的重要因素。３种备 自投方式均需设定电压、电流参数。三相均无电压称无压，进线无流称为无 流，一般母线无压值整定为０．３～０．４倍额定电压，进线无流定值一般按照躲 过最小负荷电流整定；三相均有电压则为有压，一般整定为０．９倍额定电压。 此外，备自投方式由于原理不同还有一些其他参数需整定。 联断路器。（３）对于备自投装置，当备自投动作正确，发出分合命令时，由于断 路器自身原因拒动，这时进线电源未断开或备用电源未合上。备自投装置应 有断路器拒动告警功能。（４）当供配电系统中存在多级备自投时，应考虑各级 备自投间的关系。原则上高电压等级、高可靠性、影响面大的备自投先动作， 低电压等级的、低可靠性、影响面小的备白投按躲过上级备自投整定。但是， 低电压等级线路事故率高，在可靠性要求很高的情况下，为缩短延时，可同时 动作。 ６结语 在本文中，笔者首先对备自投装置进行了简要的介绍，接着从笔者参与 的海南实华嘉盛化工有限公司变电所采用的三种备自投逻辑方案设计进行 ５设计中应注意的问题 除前文所述，在备自投装置设计中还应注意以下问题：（１）提高备白投系 统输入信号连接电缆的抗干扰能力，防止备自投误动作。（２）进线断路器动作 原因可分区外故障、区内故障２种情况，前者是电源进线本身故障导致线路 开关跳闸，备自投正常动作；后者是因如母线故障、下一级线路故障但保护拒 分析与比较，综合实际情况确保设备的正常运用。 参考文献： ［１］能源部西北电力设计院．电力工程电气设计手册２：电气二次部分．中国电力 出版社．１９９１ 【２】中国航空．ｒ－，＿ｌｋ规划设计研究院组．工业与民用配电设计手册．中国电力出版 社．２００５ （上接第１４６￣＂）制，信号量又包含数字量、开关量以及模拟量。系统可以通过 数字量控制变频器的开关；通过开关量获得变频器的运行状态以及报警状 等主机启动完毕，系统会根据当前冷凝压力的大小，调节需要运行的冷 态；通过模拟量来控制变频器的运行速度。②通过智能接口或是现场总线可 以将中央控制器与变频器直接相连从而达到对变频器运转的控制以及其运 行数据的收集。 （７）ｉ苴过装置中的各类流量传感器，中央控制器可以实时收集冷却系统运 行中的流量数据。技术人员需要事先对系统运行中的流量大小设定一个限制 范围，方法是用主机的额定流量乘以一个可设定的参数。那么在之后的实际 却塔以及冷却塔风扇的数量，然后对冷却泵的运行速度以及冷却塔风扇的运 行速度进行自动调整。若是要关闭系统，需要先关闭主机，然后关闭冷却泵、 冷却塔，最终关闭主机电动阀。 ４实际应用 如今随着社会发展的不断要求，ＩＧＣｓ控制装置已经越来越多的被运用到 中央空调节能设计中，并且已经取得不菲的成效。 运行中，当流量变化范围超过系统设置的限制范围时，中央控制器会暂时停 杨浦区绿地集团某大厦集办公以及休闲娱乐为一体的综合性建筑。为了 止对冷却泵速度的调节，待稳定一段时间之后，重新进行调节。 提高中央空调的性能同时降低能耗，相关部门对其空调水泵进行节能改造， （８）在启动制冷主机时，应按下述顺序启动： 主要是对部分冷冻水泵以及冷却水泵加装变频器以及控制装置。节能效果十 ｒ————————————］ｃ＝ｌ冷却塔进出水阀Ｊ 冷却泵ｌ亡ｒ—————＿］＝＝ 主机Ｉｒ———］ 分显著，相关数据显示改造之后的系统在十月份单１３即可省电１３２０ｋＷ。 在２０１１年年底，本大厦中央空调系统又进行了一次大的改造，主要是引 在关闭制冷主机时，应按下述顺序关闭： 进了ＩＧＣＳ节能系统。这一系统的引进具有划时代的意义。其记录的数据强有 ｒ———］ｒ——————．－１ ｒ—————————————］ 力的证明了ＩＧＣＳ￣置对于中央空调系统节能效果的提高具有显著效益。根据 Ｉ主机Ｉｃ 冷却泵Ｉ ｃ＝＝ Ｉ 冷却塔 ｌ 有关数据表明，２０１２年中央空调系统总耗电量为１３１８８００ｋＷ・ｈ。 关闭主机 ＩＧＣＳ节能系统汇集了计算机网络技术、通讯技术以及自动控制技术，采 ３实际实施方案 如下图１详细描绘了ＩＧＣＳ 装置的实施方案。 变频器可以控制冷却泵的 运行。变频器和冷却泵都与变 频器通讯网关相连接。 取的视角也与以往不同，主要是从制冷主机的冷凝压力与冷却系统节能控制 的关系之间出发，提出了一种创新的控制策略。这种新型装置也是对传统节 能系统的一次超越，通过控制主机在满足负荷的条件下始终运行于高效率区 间，可以实现节能效果的最大化。 不同于传统节能系统对于环境的局限要求。新的节能系统监控的是制冷 主机的冷凝压力，是系统在运行过程中的实时反应，准确而且快速。它不会因 为不同的运行环境以及不同的系统使用时间而影响其控制属性发生改变；而 且压力信号反应十分快速灵敏，这可以保证系统在最快的时间内对主机的运 行状况做出调整。因而其具有极强的稳定性，也是未来中央空调节能系统需 变频器通讯网关又通过现 场总线与中央控制器相连接； 图１ ＩＧＣＳ系统冷却部分方案示意图 连接。 在冷却水泵的出口处安装开关 要强力发展的方向。 并且与ＩＧＣＳ主控制器的ＤＩ模块 相连接。同时在冷却水管与冷 参考资料： 冻水管处安装电动阀门并与 １］朱明善，刘颖，林兆庄，等．工程热力学【Ｍ】．北京：清华大学出版社，１９９５． ＩＧＣＳ主控制器的ＡＩ／ＡＯ模块相 ［［２］刘洪洲，韩遥，贺立功，等应用于中央空调冷却系统的节能系统：中国： ２０１１２０２３３７６９［Ｐ］．２０１１—０７—０５． 如果主机停止运行，需要关闭冷却水管与冷冻水管处的电动阀门。主机 通过智能接口或者是压力传感器连接至中央控制器。冷却塔附近的分站负责 控制冷却塔的进水阀、出水阀以及风扇电机变频器。风扇电机变频器通过总 线与变频器网关相连接最后连接至ＩＧＣＳ主控制器。 当系统停止运行时，所有阀门都是关闭的。若要启动制冷主机，需要先启 动冷却塔进出水阀门，然后启动主机电动阀，再启动冷却阀，最后启动主机。 【３胡幸鸣．电机及拖动基础【３］Ｍ］．北京：机械工业出版社，２０００． 【４】李玉街，蔡小兵，郭林．中央空调系统模糊控制节能技术及应用［Ｍ】．北京：中 国建筑出版社。２００９． 【５】建设部工程质量安全监督与行业发展司，中国建筑标准设计研究所．全国 民用建筑工程设计技术措施暖通空调・动力【ｓ】．北京中国计划出版社，２００３．