快速切換裝置（簡稱“快切”）最初源于發電廠廠用電系統，現已在工業系統中得到了廣泛應用。石化連續性生產企業內有大量電動機負荷，變壓器或者線路故障會造成電動機停止運行，可能給企業帶來巨大的損失。近年來，適用于工業企業變電站接線及運行方式的快速切換裝置相繼問世，較之前采用的備自投和雙電源切換模塊，快速切換裝置大大提高了工業企業控制的自動化水平，運行效果顯著。

本文首先提出現階段快切在石油化工行業中應用存在的幾個典型問題，在此基礎上，分析這些典型問題產生的原因及影響，并針對這些典型問題提出一系列解決方案。

1 快速切換技術原理

快速切換技術的應用前提是母線上有大量的電動機感性負荷，當工作母線失去供電電源時，電動機存儲的能量給母線反供電，在母線上形成殘壓，其變化趨勢如圖1所示。快速切換裝置以備用電源為基準，判斷母線失電后的母線殘壓與備用電源之間的頻率差、相位差和電壓差（相量差），當頻率差、相位差和電壓差（相量差）滿足一定條件時，將失電母線切換到備用電源運行。

圖1 母線失電殘壓曲線

目前，快速切換裝置常用的兩種切換模式為快速模式和同相切換模式。據統計，目前快速切換常用的整定值頻率差為3Hz，相位差為20°，低電壓閉鎖為70%Un。現場實踐表明，快速切換模式對電動機自起動極為有利，但是由于要求太高，切換成功率低。

根據現場應用數據統計，快速模式成功率僅在10%～20%。同相切換常用的整定值頻率差為5Hz，相位差為5°～10°，電壓差為30%～40%左右。但是同相捕捉模式過度依賴相位，切換時母線失電已經一段時間，再加上合閘延時，切換成功時母線電壓較低，容易導致電動機負荷停轉。

2 快切在石化企業的應用及典型問題

石化企業中所帶的電動機負荷占70%左右，其供用電系統接線較為復雜，母線的出線分支較多，供配電系統內部發生故障的概率較高。經統計，石化企業中母線電壓波動原因有以下幾種類型：①母線內部故障，低壓饋線和用電設備發生故障導致母線電壓波動；②電動機起動，大容量電動機（或機群）起動時導致母線電壓下降；③外部故障，外部電網發生短路故障或者解列，導致供電電源中斷。

現階段快切在石化行業應用中遇到的典型問題有以下幾個：

1）快速切換模式成功率低導致負載掉電時間較長，最終可能導致電動機負荷停轉。

2）母線內部故障或大容量電動機（或機群）起動均會引起母線電壓波動，從而導致快切誤起動和誤切換。

3）大規模快切裝置在電力系統各電壓等級中應用后帶來電動機群起問題，如備用電源進線過電流保護誤動。

4）大量高壓電容器及同步發電機與快切配合問題。

5）系統復雜度越來越高，多于三個斷路器的大型系統應用越來越多，單個快切裝置難以滿足需求，往往需要多個快切裝置通過邏輯關聯共同完成，復雜度高且可維護性差。

3 典型問題解決方案探討

3.1 快速切換模式成功率低

現階段石化企業最大的困擾是快切成功率低，雖然投入了大量資金引進快切產品，但很多情況下的實際動作并非快切模式，相當于把快切當作慢切用，導致負載掉電時間長，最終可能導致電動機負荷停轉。提高快切成功率的思路主要有兩個方面：整體系統方案設計優化和快切產品設計優化。

1）整體系統方案設計優化

很多大型石化企業的110kV到400V電力系統都用到快切，當高電壓等級的快切起動后會跳開高電壓母線的進線電源開關，下一級母線也會因此失壓，進而導致下一級快切失壓誤起動，因此對于異常情況下起動快切時需要考慮上下級快切的配合。

上下級配合最簡單的方案是在起動延時整定上做級差配合，越往下級快切起動延時越長，為保險起見，往往會保證延時有足夠裕量，10kV及400V快切的起動延時可能會很長甚至超過1s，這樣就會使快速切換模式形同虛設，進而導致切換直接進入殘壓切換模式或者長延時切換模式。

更優方案是通過上下級邏輯閉鎖來確保上一級快切起動時下一級快切不誤動。快切上下級異常起動配合示意圖如圖2所示。

圖2 快切上下級異常起動配合示意圖

上下級之間的邏輯閉鎖可以借助光差保護的光纖通道傳輸遠傳信號，也可以通過電纜硬結點或者面向通用對象的變電站事件（generic object oriented substation event, GOOSE）傳輸來實現。

在設計上下級聯閉鎖方案時，還需要考慮一些異常工況的處理，比如110kV快切裝置僅投入快速模式且快速模式開放時間為100ms左右，當超出快速模式開放時間后，可認定為切換失敗，或快速模式和同相模式都失敗則認為切換失敗，此時需要解鎖下級快切。

除上下級聯閉鎖方案外，還有以下系統優化可以在一定程度上提升快切成功率：

（1）對于斷路器選型，選取分合閘時間較短的斷路器，為快速切換模式爭取更多空間。

（2）對于快切起動條件，盡可能用快速跳閘的保護功能來起動快切，原則上只要配置快切就要差動保護跳閘來配合起動。

（3）減少中間環節的時間消耗，如少用出口繼電器從而節省約20～30ms的跳合閘延時；如果用到GOOSE通信則盡可能選擇高性能數據傳輸，且要確保網絡的數據安全及可靠性。

2）快切算法優化

國內常用的快切算法由快速切換和同相捕捉切換組成，其動作區域如圖3所示。理論上快速切換可以將母線上的電力中斷保持在最短的時間內并能保證電動機及其負載不會受到過度的或累積的損害，所以優選快速切換。如果快速切換的判據沒有得到滿足，失去快速切換的時機后同相捕捉切換將被起動，即同相捕捉切換是快速切換的后備。

針對快速切換和同相捕捉切換的不足，通過深入研究母線殘壓特性和感應電動機的靜態特性，并根據ANSI/NEMA C50.41—2012關于電動機母線快速切換的指導性原則（見圖4）對該算法進行改進。

圖3 傳統快切動作區域

圖4 ANSI/NEMA C50.41—2012關于電動機母線快速切換的指導性原則

該原則指出合閘時刻，電動機母線殘壓與參考電源電壓之間的V/Hz相量差應不超過1.33倍標幺值且V/Hz相量相位差不超過90°，因此，新型的改進算法引入母線失電后實時的電壓幅值、相位及頻率等，動態計算殘壓和備用電源之間的相位差變化率dφ/dt及電壓幅值變化率dU/dt，并預測V/Hz相量差，以確保合閘時刻的相關判據條件在定值之內，同時對相位差進行預測，使相位差在90°以內，對負荷及電網的影響較小，實時快速切換的切換應用區域如圖5所示。

用戶無須因殘壓特性的改變而調整先前的設定，方便用戶進行操作。該算法引入后快切區域采用快速和實時快速兩種模式，大大提高了快切成功率。

圖5 實時快速切換應用區域

3.2 母線內部故障或大容量電動機（或機群）起動導致快切誤切換

1）電動機起動識別

同母線失電類似，當母線上有電動機起動時，均會引起電壓突降。其電壓降落與電網的運行方式、系統阻抗、電動機參數及電動機起動方式有密切關系。仿真結果顯示，大功率異步電動機起動可能會造成母線電壓有效值下降20%以上。

實際應用中部分用戶沒有進線電流互感器接入快切裝置，無法通過進線電流區分電動機起動和上一級母線失壓，因此需要僅依靠母線電壓特性對電動機起動進行識別以避免誤起動快切。

與母線失電不同的是，電動機起動引起母線電壓突降后，電壓會逐漸趨于正常，而母線失電時殘壓會逐漸趨于0，圖6為電動機起動和電源失電的電壓特性對比。快切裝置需要根據母線電壓在電動機起動時和失電時突降后的不同變化趨勢，對兩種情況進行區分，可有效預防在電動機起動時快切裝置誤動的現象。

2）故障識別

異常起動方式均需在母線無故障的情況下起動。在工作母線故障時，快切裝置可迅速將母線切換到備用電源上，使備用電源變壓器遭受一次故障沖擊，同時對開關的沖擊非常大，擴大事故的范圍；在無法收到保護閉鎖信號時，快切裝置需要通過判斷母線是否有壓識別三相故障，通過母線電壓是否包含零序分量或負序分量來識別不對稱故障[9]，如母線最大電壓小于一定值，或零序電壓大于一定值或負序電壓大于一定值，來識別母線及負荷支路故障，從而保證發生母線內部故障時快切不會誤切換。

圖6 電動機起動和電源失電的電壓特性對比

3.3 大規模快切應用后帶來的電動機群起問題

快切在石化企業電力系統中應用的數量越來越多，應用的電壓等級也越來越高，國內某些石化企業甚至將快切應用在220kV電壓等級。隨之而來的電動機群起問題也越來越凸顯，最直接的影響就是造成備用電源短時過負荷，進而造成保護誤動作導致全廠失電。

針對電動機群起問題，解決思路有如下兩個方向：

1）從系統設計角度優化

最有效的方案是從整體電力系統設計角度考慮最大運行工況，從而確保電源容量的設計裕量足夠大。提高系統裕量的措施可以通過多電源接入或者增設自備發電廠來實現。

另外，從整體快切方案角度需要考慮盡可能提升企業最高電壓等級進線端的切換速率，確保切換過程中電動機不停轉，從而確保最終切換成功后系統的沖擊電流可控制在較低水平。具體可以通過參數整定和配置來實現，比如220kV及110kV的快切僅投入“快速切換模式”及“同相捕捉模式”，不允許投入“殘壓切換模式”及“長延時切換模式”。

2）從快切方案角度優化

現階段市面上的快切產品在判斷切換條件時僅考慮了最基本的合閘條件，即待合斷路器兩端電壓差（相量差）、相位差、頻率差，而并未考慮系統運行裕量。更優的切換策略應該從系統角度考慮運行工況及系統裕量分布，從而在滿足最基本合閘條件的基礎上有選擇性地“分群分批”將電動機機群切換到最合適的電源上，根據負荷的優先級制定策略，確保重要負荷能快速切換到備用電源上。

3.4 高壓電容器/同步電動機等設備應用與快切的配合

1）高壓電容器的應用

最常遇到的工程設計問題是在快切之前是否應該把電容器切除，某些工程規范中明確指出需要在快切或者備自投切換之前將高壓電容器切除，以確保電容器不致因過電壓而損壞。

實際工程應用中，也有很多帶著電容器完成切換的案例，但成功切換的前提需要確保快速切換，至少是同相捕捉切換模式動作。在快切模式下，母線殘壓仍保持在較高水平，且母線殘壓和備用電源電壓之間的頻率差、相位差都被控制在較小范圍內；在同相捕捉切換模式下，雖然母線殘壓幅值已經有一定程度衰減，但相位差被嚴格控制在很小范圍內，所以兩種切換都不會造成電容器過電壓。殘壓切換模式動作的情況下，由于殘壓幅值已經降低到額定電壓的30%以下，所以電容器保護自帶的低電壓保護會提前將電容器從系統中切除。

2）同步機/異步電動機混用情況下的切換策略

現階段很多石化企業的10kV或6kV母線上混帶有同步機和異步電動機，同步機可能是同步電動機或者自備發電機。

同步發電機和異步電動機在失電后的動態模型存在巨大差異。異步電動機可以在遠離額定工況下，例如80%額定轉速，直接并網并達到額定運行狀態。甚至部分小容量異步電動機，支持零轉速直接并網起動，即冷起動。經典的快速切換理論基于異步電動機模型，可以保證在較寬區域（電壓差、頻率差、相位差等條件）安全并列到備用電源上并達到額定運行狀態。而同步發電機由于獨立勵磁系統的存在，非同步條件下的合閘，同步過程會出現比較大且持續時間比較長的轉矩振蕩。

不正確的同期并列會造成系統振蕩，甚至造成同步機永久性損傷，所以同步發電機的操作規程明確禁止重合閘操作，快切操作則是未定義的灰色地帶。然而母線上同時存在同步發電機和異步電動機的場景，相關理論幾乎空白，如何處理同步發電機、異步電動機混用情況下的快切切換策略需要研究。

為確保切換過程中同步機和系統安全性，嚴格符合操作規定的策略是把同步發電機、異步電動機混用的切換分解為多個理論和實踐都較為成熟的操作：①異常識別起動快切，將母線從主電源系統中斷開；②在斷開主電源時，或者合于備用電源前，切除所有同步發電機；③按照純異步電動機母線切換策略，合于備用電源，完成異步電機群快切；④待母線電壓穩定后，將同步發電機調整到同期并列條件下，逐一完成并網。

上述方案最大缺點是同步發電機退出運行時間較長，對相關功能影響較大，完成切換需要配合調頻調壓及同期并列裝置完成并網，操作周期較長，復雜度較大，不利于在保證安全的情況下提高成功率。因此，不切除同步發電機的切換策略可行性研究具有積極意義。

應用案例中比較典型的是110kV母線經過變壓器混帶有10kV異步電動機母線和10kV同步發電機母線，如此，110kV母線及以下元件組成的子系統可被認為是帶有分布式電源的微網。

通過PSCAD仿真可知，110kV子系統相比電動機機端母線，更容易達到功率平衡，電源斷開后頻率差、相位差等切換合閘的條件也更有利，不切除同步發電機的快切，不僅降低了操作復雜度，同時還提高了切換性能和成功率。進一步研究在不同系統工況下，母線電壓是否有利于進行切換，圖7為子系統額定發電功率與負荷功率比為100%和80%的母線電壓幅值變化趨勢。

圖7 母線電壓幅值變化對比

根據圖7可知，在110kV側成功切換需要斷開后的子系統能快速達到功率平衡并且穩定，所以需在如下兩個方面進行限定：①在110kV母線一次設計時，額定工況下同步發電機容量應近似等于負荷，考慮阻抗參數等損耗情況下應略大于負荷；②使用調頻能力較強的發電機組，調頻調壓較快的自動控制系統。

快切起動后不切除同步發電機，在110kV母線進行快切操作。為確保同步發電機的安全性，合閘時刻的電壓差、頻率差、相位差需參考同步發電機的并網條件，比如限定電壓差在5%Un以內，頻率差在1Hz以內，相位差在10°以內。

3.5 系統復雜度越來越高，多于三個斷路器的大型系統應用越來越多

現階段單臺快切裝置適用的典型系統接線如圖8所示，包括單母分段雙進線、單母雙進線、單母三進線。

圖8 單臺快切裝置適用典型系統

上述幾種典型系統接線包含的斷路器數量不超過三個，運行工況和切換邏輯都相對簡單。但近些年隨著快切在110kV甚至220kV應用的擴展，快切邏輯需要考慮更加復雜的運行工況，比如雙母雙分段及多電源接入的復雜系統接線。

圖9～圖11是幾種石化行業典型的大型應用場景。針對圖9系統接線，通常需要三臺快切裝置通過硬結點連接或通過GOOSE傳輸互鎖信號來完成整體切換邏輯，類似解決方案對于圖10系統接線需要六臺快切裝置聯合完成，對于圖11系統接線需要更多臺快切。

此類解決方案復雜度非常高，對于用戶來說存在很多弊端：

1）整體方案的硬件成本昂貴。

2）設計、配置、接線、工程調試都非常復雜，且如果系統在后期有任何修改或擴展，會帶來大量的硬件接線和實現邏輯的調整，費時費力，可操作性很低。

圖9 三母三進線接線方式

圖10 單母分段四進線接線方式

圖11 雙母雙分段四進線接線方式

3）由于整體方案依賴硬結點連接或GOOSE傳輸，所以受電磁兼容（electro magnetic compatibility, EMC）干擾及通信數據干擾的影響較大。

4）故障錄波存于各裝置，遇到問題不便對快切過程有整體的分析。

更優的解決方案應該以實際應用為中心，從以下幾個方面考慮提高易用性：

1）單臺裝置獨立完成全部快切邏輯，避免多臺裝置間開放互鎖邏輯，大大降低配置、接線、調試的復雜度，同時也可以規避EMC干擾及通信數據干擾帶來的影響。

2）配置簡單，化繁為簡。根據企業的實際運行方式計劃實現最優電源切換策略。

3）設置可視化接口。當系統中有多個備用電源時，預定義切換優先級，并實現客戶定制化服務。

4）軟硬件實現模塊化設計，后期擴展簡單方便，從而確保在系統擴展后原有接線及軟件邏輯均無需修改。

以圖10系統為例，其典型切換方向如圖12所示，在快切裝置中定義四個斷路器及三個切換方向對應的斷路器，如所需方向有變化，只需更改或增加切換方向即可，無需二次接線。

圖12 單母分段四進線典型切換方向

以上設計理念提供可視化的優先級定義，如圖13所示，根據系統設計定義切換方向的優先級，當快切起動時即可自動按優先級起動相應的切換方向，從而避免復雜的閉鎖邏輯。

圖13 切換方向優先級定義

4 結論

本文對快切裝置在石油化工企業應用中的典型問題進行了分析，針對快切裝置成功率低的問題，提出通過上下級配合的方案提高了快切成功率，采用對V/Hz相量進行預測的切換模式提高了快切成功率；通過僅基于母線電壓的算法來識別電動機起動或母線故障從而避免快切誤起動；通過提高電源設計容量或電動機分群分批切換策略避免切換后保護誤動作的問題；提出了在同步機異步機混用時帶同步機切換的解決方案；應用快切裝置自適應于各種大型應用場景的解決方案大大簡化了快切閉鎖邏輯，對快切應用于石油化工行業的切換模式和整體解決方案具有積極的意義。

本文編自2021年第6期《電氣技術》，論文標題為“快速切換裝置在石化行業應用存在的問題及解決方案”，作者為曹禎、董桂成 等。