快切装置的应用1

在火力发电厂厂用电的切换是否正确可靠，直接影响着机组设备的安全。早期火力发电厂厂用电的切换主要是采用备自投技术，其存在切换时间长可靠性低等缺陷，随着技术的发展，快切技术在火力发电厂厂用电的切换得到了广泛应用，下面就嵩屿电厂二期厂用电快切装置（ABB SUE3000）作个简介。

1 操作方式

       本章包括了SUE3000快速切换装置的功能方面上的介绍。然而，由于项目上客户的特殊要求，不是所有的特殊要求的说明都被包含在本文档内。 

1.1 需要的接口

 以下接口在快速切换装置安装连接时候需要被考虑到（如果适用）

1．断路器间隔（见 4.1.1 和 4.1.2）

a) 断路器的位置指示

b) 断路器合分闸控制回路

c) 可抽出的断路器单元中，弹簧储能状态和断路器的试验运行位置

2.  测量（见4.1.3）

a) 母线，主进线和备用进线的电压

b) 两个进线的相应的电流

3.  启动  (见4.1.4)

 保护或手动启动

a) 快速保护启动

b) 在设备或控制室上启动快速切换（就地/远方选择）

c) 内部低电压（相对相电压）或外部低电压继电器（相对相电压或3相电压采集）启动低电压保护

4.  远方控制（见4.1.5）

     快速切换设备的所有功能都可以远方控制

5.  远方信号（见4.1.6）

      所有相应的快切操作进行的模式可以由SUE3000的无源信号接点来表示。

   在相应的工程图纸中可以找到信号输入输出相对应的二进制输入输出模块。

   以上的接口在以下各条中能被更仔细的考虑。

1.1.1 断路器的位置指示

      为了监视断路器的位置，每一个断路器需要提供其常开和常闭的无源不带延时的接点，快速切换装置执行一个异或的操作来保证操作的安全性，如果断路器的位置无法正确指示，快速切换装置将不能被执行任何操作。

       对于可以抽出的断路器的设计，SUE3000通常需要一个位置触头来指示断路器处于工作位置。

       在断路器的弹簧储能机构被监视的时候，需要把一个表示电动机储能已满的无源接点串联到断路器的工作位置的接点上，为了保证SUE3000在完成切换操作后，在电动机的储能过程中不发出“No Ready”的信息。在内部需要确定一定时间，来延迟该信息的显示，在调试的过程中可以设置该时间参数。

       和切换有关的断路器状态（分/合，工作位置）会在快速切换装置的人机界面上显示。

      图4-1  断路器的状态指示     

  在母线有过电流故障的时候，需要通过在进线上的过电流保护继电器的保护动作信号闭锁快速切换装置，为了进行下一次切换，快速切换装置需要在切换操作前被复归。

       在低电压启动快速切换装置的功能被激活的时候，为了防止一些不必要的切换，以下信号将被考虑，

       在每个低电压保护回路中，需要提供相应的进线柜的过电流保护的启动信号，在母线有故障的时候，快切装置将通过这些过电流保护信号来闭锁低电压启动信号。

      为了保证在PT回路上MCB跳闸时候低电压不启动快切，相应的MCB跳闸的辅助接点将接到快切装置中被监视。

1.1.2 断路器控制

断路器可以用单极或双极控制，命令回路应该被连接到相应的开关量输入输出模块的重载输出模块中。

1.1.3  测量电压

        SUE3000的切换功能主要由测量电压（模拟量信号处理）和断路器的位置指示状态（切换方向）来实现。

断路器的位置决定了现在的切换方向（1->2或 2->1）也决定了哪个馈线为备用的馈线。

注：快速切换设备需要得到断路器的确定位置，一次快速切换操作只能在一个断路器分闸，另外一个断路器合闸的情况下进行。

       如果相应的备用进线的电压低于80％Un（默认设置值）,对于快速切换装置来说，备用进线被认为没有准备好。

       如果母线电压低于70％Un（默认设置值）， 其快速切换的原理已经不再满足了，由于在母线电压和备用电压的差异，快速切换装置将不再执行快速切换操作，它将执行首次同相切换，残压切换或延时切换。

        快速切换装置在持续的监视进线的低电压，对于这种低电压是否在快速切换装置内启动切换操作，可以在项目的设计阶段决定。

        快速切换装置由相应的备用进线的电压和母线的残压来动态决定进行哪种模式的切换。

1.1.4 启动

 快速切换装置由以下三个不同的方式来启动，它们是相互不兼容的。他们有不同的外部闭锁条件和不同的内部处理时间

1.  手动启动

手动启动的快速切换装置可以从设备上或远方通过设备的二进制口输入进行，取决于就地/ 远方的电子钥匙的设置，手动切换是不受方向的。即启动切换操作在任何一个方向上都是可能的。

2.  保护启动

  快速切换装置的保护启动信号通过单元保护，变压器保护或其它方式输入（带方向控制）。

3.  低电压启动

如果没有快速保护的输入信号存在，相应的进线低电压信号可以启动快速切换装置，相应馈线的低电压保护监视电压的模拟信号，其测量电压是相对相的电压，在项目设计的过程中，低电压启动的信号将被包括在快切控制的逻辑中，低电压监视能包括在切换过程中，另外在两个不同的切换方向，可以有外部的低电压继电器不带延时的输入到快切装置，快切装置内部带了一个延时的设置。

注：在低电压启动的时候，必须要注意没有快速切换可以发生，由于母线电压通常总是低于70％Un(典型的U<的设置)， Ubusbar > Umin2的判据将不再满足。

 在低电压启动被激活时候，过电流保护信号和MCB的跳闸信号在控制逻辑中也被考虑进去。

1.1.5 远方控制

   SUE3000快速切换装置的所有功能都可以由远方控制(在电子钥匙设置为远方控制时)，远方通过二进制输入进行控制。

  快速切换装置提供了以下单独的操作控制

远方控制的选项

1．SUE3000投入(控制菜单)

2．SUE3000退出(控制菜单) 

3．手动启动(控制菜单)  

4．复归闭锁(控制菜单)

以上的控制功能如果由控制系统激活，需要提供最小100ms的控制脉冲（由于SUE3000的内部循环时间决定了）。

1.1.6 远方信号

  所有的相应的操作，功能显示和报警信息可以由SUE3000快速切换装置的常开的无源接点或可选的可复归的接点上来指示。

在项目设计或现场可以决定相应的信号输出。

以下的操作和报警信息可以作为远方的控制信号输出。

操作显示

1． SUE3000运行  

2． SUE3000退出运行 

3．切换准备就绪 

4． 同步（快速切换允许）

切换过程和切换成功的信号

1．每次切换的信号 

2．残压或延时切换的信号

3．进行快切的信号 

4．执行了残压切换 

5．执行了首次同相切换

6．手动切换启动

故障或报警信息

1．未准备好 

2．闭锁 

3．母线残压低 

4．备用馈线电压低 

5．控制回路故障 

6．手动启动执行

 具体的信号输出见相应的工程图纸

1.2 通讯功能

 SUE3000可以通过通讯和上层控制系统连接，可以采用以下的通讯协议

· SPABUS接口

· LON 通讯协议

· IEC-60870-5-103 通讯协议

· MODBUS RTU 通讯协议

1.3 切换模式

  决定切换模式的关键是启动快切装置的瞬间电力系统的状态，根据系统的物理状态选择最优的切换模式。

  另外，断路器的位置指示和外部的闭锁条件对切换的决定也是很重要的，模拟信号的监视也是非常重要，由于在SUE3000在不同的外部条件下执行不同的切换模式，在以下有更清晰的解释给出。

1.3.1 信号处理的操作方式

 SUE3000快速切换装置提供了一个逻辑信号处理模块，它考虑到了馈线的状态和操作特性。

 另外，它监视相应回路的低电压，使SUE3000装置提供了一个内部的低电压启动切换的可选功能

母线电压和备用馈线电压在被持续监视，并且和逻辑处理模块进行通讯，这意味者，当前的测量值在每次快切启动的都已经存在了，并在切换的时候决定了切换的模式

以下几个判据被快切装置进行单独的监视和测量

1 j  该相角指母线电压和备用馈线电压之间的相角差，构成同步判据的角度差限值，可以根据超前或滞后的母线电压进行调整，典型的设定值是jmax =20°

只有在两个监视回路中的相角都在规定的范围内，快速切换才可以被进行，相角差直接影响到两个回路的的电压差。

2 Df母线电压和备用馈线电压的频率差也应该被确定下来

就切换过程来说，频差反映了用电设备（如中压电机）启动特性和承受电气和暂态冲击的能力，频差由两个网络设定的参数设置，典型的设置值是DfMax = 1 H Z， 当频差在设置的窗口外，快速切换不允许进行。

3 Ustndby>Umin1(备用电压正常判据)

 备用馈线电压也被监视，备用回路的电压是否正常也非常重要，通常Umin被整定为正常电压Unormal的80％Un，只有在启动的时候，备用馈线的电压正常，SUE3000才可以进行快速切换。

4 Ubusbar>Umin2(母线电压判据)

  母线电压监视来判断快切是否可以正常进行，它和相角和频差一样也被视为快切的一个条件

Umin2的限值厂内被设置为70%Un 如果母线电压低于设定值，切换时候将会产生暂态效应，母线和备用电压的差值将超过限值，甚至在同步的网络中，快速切换操作也不能被进行。

1.3.2 快速切换

  对于不间断的切换，快速切换装置进行了快速切换，在母线和备用馈线同步的情况下（见4.3.1的条件），合分闸命令同时被快速切换装置发出到断路器。

如果一个断路器固有的合闸时间大于分闸时间，将有一段的无电流时间发生，其时间长度由断路器的操作时间决定。

如果断路器的分闸时间大于合闸时间，在两个进线中将产生一个短时间的耦合时间，其时间长度由相应的断路器动作的时间差决定。

SUE3000的快速切换装置，可以设置最大30ms的时间，使断路器操作命令延时,这个经常为了缩短无流时间（或耦合时间），该设置在断路器合分闸的时候。分别补偿合分闸时间。

图4-2 快速切换的波形图

  1 母线电压

2 母线和备用进线的电压差

3主进线电流

4备用进线电流

5切换时间

1.3.3 首次同相切换

  首次同相切换发生在快切启动的时候网络没有同步的时候，对于这种切换，分闸命令是立刻发生的，合闸命令在备用网络和母线电压差值最小的时候发出。

   图4-3 首次同相点切换的相量图

  Ustand-by  备用电源电压

Ubusbar     母线电压

j              Ustand-by 和Ubusbar 的相角

dj/dt        角度的速度

             断路器的合闸窗口

  快速切换装置决定首次同相点，为了补偿固定过程时间（SUE3000装置操作时间，断路器合闸操作时间）合闸命令在实际的最小差压发生前的一个固定的超前时间窗口发出， 

对首次同相切换，项目设计的细节（例如，断路器操作时间，允许的频差，合闸窗口）必须被一一考虑，由于这个原因，这个功能需要非常仔细的工程设计和小心的调试。

  图4-4  首次同相点切换的波形图

  1 母线电压

2 母线和备用进线的电压差

3主进线电流

4备用进线电流

5切换时间

为了使首次同相切换可能，需要快速断路器，其总的合闸时间小于100ms(SUE3000的快切装置的动作时间和断路器的操作时间)

  失电母线的频率变换率不应超过最大的频差dmax/dt= 15Hz/s ，甚至在那些首次同相切换判据满足的时候，首次同相切换并不是都可以成功的。它取决于每个不同的条件，特别是其母线连接的不同的负荷，例如，残压切换有可能在首次同相切换前发生，在母线上有一次非常大的故障冲击时候，首次同相切换也不能发生。

1.3.4 残压切换

  在快速切换和首次同相切换条件不满足的时候，快速切换装置进行残压切换，对这种切换，首先进线的断路器分开，母线上的残压被监视，中压电动机的储存的能量仍可以维持一段时间的母线残压，所以该电压能在以秒计算的范围内以一定的时间常数进行衰减。

  一旦其预先设置母线残压能够被达到，备用馈线将不被考虑相角和频差马上被合上，模拟信号将按照以下的信号进行设置

Ubasbur 这个判据，执行了残压切换，这个信号逻辑模块低于预先的设定值Uresidual(缺省值设为40%)，断路器接着被合上。

图4-5  残压切换的波形图

  1 母线电压

2 母线和备用进线的电压差

3主进线电流

4备用进线电流

5切换时间

 在进行残压切换的时候，相应的措施需要被采取防止了极端情况下在反相的时候合上备用开关，而母线和备用馈线之间有最大的压差并产生过大合闸的冲击暂态效应。

1.3.5 延时切换

 如果在监视到母线电压不可能的时候，例如由于MCB分闸使电压降低，SUE3000运行一个延时的启动，对于这种启动，备用馈线在一个固定的时间内合上。

  在厂内设置该时间为Tdelay-time=2s,但它必须在任何情况下大于最大的残压切换时间，以保证残压切换总能被达到，通常该厂内的设置值总是可以满足的。

注： 时间延时切换，将作为一个保证安全的措施，但它在快速切换设备的正常切换时候并不是一个重要的方式。

1.3.6 切换时候的信号（减载）

  如果在切换的时候由于技术的原因需要对一些电机进行减载（在一些情况下，备用馈线不适合带全部的负荷），相应的信号可以由以下方式来使用。

在每次启动快切的时候，发出一个分闸命令去分断路器（减载1）

如果切换不是不间断发生的，首次同相切换，残压切换和延时切换过程中（减载2）将送一个时间延迟Ubasbar1.3.7 去耦合

     同时操作的原理使在进行快速切换的时候，一个断路器没有被分闸，两个进线有可能处于同时合上的耦合状态，由于这个原因，在两个断路器同时处于合闸位置时间长于Tdecoup=50-200ms的时候（厂内的默认设置值为100ms），快速切换装置处于耦合的状态，快速切换装置将刚合上的断路器马上重新分开，SUE3000被闭锁，下一次操作前需要被复归，两个进线能被耦合在Tdecoup+Toffprogram的时间内，其进线间的暂态电流取决于母线电压上的电压差和相角差。

       然而，但这种耦合操作只能发生在快速切换过程中，即同步的进线，其补偿电流在耦合的时候将不会很大，实际上在大部分的情况下，只能稍大于相应的正常操作电流。

1.4 外部闭锁和解除

 快速切换装置将会需要相应的外部闭锁条件，以下输入将被提供

1．I>Ininfeeder1

 当快速切换装置安装了一个低电压启动，相应进线的电压正常条件是需要的，当母线有过电流（在相应的进线内），任何低电压或保护跳闸将不被允许启动快切装置。

 该信号也被用于临时使快切装置闭锁

2．I>Ininfeeder2

 由于快切设备有完全对称的设计，该方向的功能和以上的闭锁是一致的。

3．电压互感器的MCB监视 馈线1

 为了保证电压互感器的MCB跳闸不启动低电压操作，低电压启动在MCB跳闸的时候将需要被闭锁。

   由于这种原因，快速切换装置提供了监视MCB分闸的的输入。

4．电压互感器的MCB监视，馈线2

  馈线2方向上的MCB监视，与馈线1的闭锁是一致的。

5．允许1－》2的切换

 这个输入影响到快切装置的两个切换方向上的切换功能，正常这些输入在厂内已经被设置了，所以SUE3000在两个切换方向上都是允许的。

6．允许2－》1的切换方向

 见第5点。

7．允许残压和时间延迟的切换

 这个输入被用于残压或延时切换的允许。

2 操作

 快速切换装置的基本设计理念是对用户提供友好、透明的使用界面。

 对大多数用户来说，快切装置如同一般保护装置一样，在自动工作，自动的执行各项切换功能，而不需任何额外命令或操作信号。当然，如果需要的时候它也可以提供相应的自检信息，包括有关过程信息和快速切换装置的状态。

2.1 操作的基本原则

     SUE3000快切装置配备了“就地、远方”钥匙选择切换模式。快切操作和报警信息不仅在就地可以显示，通过触点信号在远方也可以被显示。然而，只有在装置的报警页才可以看到详细的报警信息描述。

2.2 就地操作单元HMI

     SUE3000的就地操作命令和信号指示可以通过人机界面控制单元HMI实现。

2.2.1 控制元件

           人机界面控制单元（HMI）（见图5－1）具有带背光的液晶显示器（LCD）、7个按键、几个状态和指示的LED、一个电子钥匙感应器和光电式RS232接口。

图 5－1 在快速切换装置SUE3000人机界面上的操作元件

2.2.2 LCD显示屏

图5-2 SUE3000的显示屏和SUE页面上的单线图显示

SUE3000的标准显示屏包括2个部分：单线图和菜单页。

1．单线图（SLD） 

        单线图显示所有开关设备的当前状态以及SUE3000快切装置本身的（投入/退出）状态。这些显示可以按用户的要求定制，这意味着相应的设备标志（如KKS编码）和其他相应设备（变压器、断路器、隔离开关等）都能显示。而且，那些能被快切装置控制操作的设备可以被设置为可以被选择的。

在LCD屏上，能显示如下内容：

多达8个开关设备图标（当开关量输入输出板使用机械继电器时，最多可控制7个开关设备）

电动机、变压器、传感器等设备的图标

最多达40根的线条

2．菜单/正文页

         在LCD屏幕的右面是菜单/正文页。测量值、主菜单和子菜单、保护信号和事件记录在这里都有清晰的显示。通过菜单按钮操作可以浏览相应的菜单。

2.2.3 状态LED

           四个系统LED指示灯指示SUE3000的状态。

1．运行状态  Unit Ready

 在HMI当前面板上，运行状态被显示为“Ready”，用绿色LED灯亮表示。当装置停电或不能被操作时，则LED指示灯熄灭，例如在下载配置程序或处理单元没准备好时，LED指示灯熄灭。

2．通信状态  Network Communication

在HMI当前面板上，通信状态指示被称作“Network Communication”，如果SUE3000需要和上级通讯系统进行通讯，需要相应的通信卡，绿色LED灯亮表明当前通讯板处于正常工作状态。如果有通信故障产生，LED指示灯将变为红色。

3．报警指示 Alarm

SUE3000已经定义和配置好了几种标准的告警信息。当然，也可以由用户自己定义告警信息。当任何一种告警信息出现时，LED指示灯将会变为红色。

4．闭锁状态 Interlocking Error

如果操作违背了闭锁条件，则闭锁LED指示灯将会变亮。在正常操作模式下，并没有在SUE3000装置上手动操作单个断路器的可能性，此个指示通常是没有用的。

2.2.4 LED指示  8 User Programmable LEDs

  8个可编程的三色LED指示灯用于就地显示。通过菜单的翻页，总共可以显示4页的LED 。这样，共有32个指示灯选项可用作为状态指示。即关于保护、控制、监测和监视功能的状态。每一个指示灯可以和一个SUE3000的二进制输入口联系起，也可以和软件的事件相联系。

  这些功能可以用SUE3000的FUPLA配置工具轻松实现。在主菜单之下的LED文本信息和指示灯的颜色也可以自由选择。LED主要在两种不同的模式下运行：在动态模式中，如果状态输入信号是低电平，LED指示灯自动熄灭。在保持模式中，在LED灯已亮的情况下，即使状态输入信号是低电平，也只有通过菜单下的复归页确认，LED灯才会熄灭（被复位）。在SUE3000快切装置中，复位功能在所有操作模式下都存在。

2.2.5 和电脑相连接的光电接口  Optical PC connector

HMI提供一和当地电脑连接的光电RS232接口，通常情况下，通过一台具有Windows操作系统的笔记本电脑上传或下载配置数据。HMI有一个双绞线屏蔽电缆连接的RS485电接口和主机单元连接。其连接的最大长度不能超过100米。

2.2.6 就地操作（控制按钮）

  按钮位于HMI面板的前部，用于对SUE3000进行就地控制。共有7个按钮可使用

2.2.6.1 菜单和导航按钮

         菜单按钮

            向上按钮

            向下按钮

              回车按钮 

2.2.6.2 命令按钮

            分闸按钮  

                               合闸按钮 

             选择按钮                                                                                        

2.2.7 测量值LED指示条

HMI控制面板上有三个LED指示条，2个显示给进线电流，第三个可自由定义。每个LED指示条的额定值定义为10个绿灯，可以在配置软件中定义，如果测量值高于额定值，红色LED灯将会发亮，指示过负荷情形。即使测量值在LCD上可以被显示，这3个 条状LED也可以快速馈线的负荷情况。表示馈线电流的2个条状LED被分别标示为I1和I2，可自由定义的LED标示为M3。I1、I2、M3的LED指示条出现在单线图上靠近测量区位置。每一个指示器共由12个LED组成，10个绿色LED对应所测量值标称值的0％至100％，每个LED对应相应的10％的额定值。2个红色LED表示超过正常值的20％。

2.2.8 电子钥匙

两把不同的钥匙通过控制单元上的钥匙传感器来识别。一把用来进入保护参量的配置， 另一把用来选择控制模式（无控制、就地控制、远方控制），通过使用这两把钥匙可以把保护和控制的权限分开。如果在紧急或特殊情况下，可以提供一把通用的钥匙进入这两种状态。安装在HMI控制单元前面板上的钥匙传感器可以识别出哪一把钥匙。钥匙必须通过接触钥匙传感器来工作。

2.3 LCD菜单

下面的章节将会提到一些重要的菜单操作

2.3.1 SUE页面浏览

   在SUE的页面上显示一些相关的快速切换装置的运行状态的信息。

*母线和进线的电压

*进线的运行电流

*母线和备用电源间的相角差

*切换状态

*相差率（和选择的切换模式有关）

*SUE3000的状态

2.3.2 主菜单

在SUE3000的正常操作模式下，主菜单下的HSTD page出现在显示屏的右面，为了浏览菜单页。按下下图所示的