一、概述
1前言
對于用電企業來說，用電的安全可靠關系到整個電力生產系統的安全運行。用電企業的電源來源于國家電網，整個國網連接不同的發配電及用電用戶形成龐大的電力系統。在電力系統中，任何一條支路發生短路事故時，都會造成整個電力系統電壓的下降。這對于用電企業來說，當電源側發生短路事故時，導致用電企業內部母線電壓降低，直至該短路支路切除，母線電壓恢復，母線電壓才能恢復。從短路事故發生直至短路事故切除，系統電壓從下降至恢復的過程，被稱為“電壓暫降”。
電壓暫降時間為繼電保護切除短路故障時間，當短路事故發生時，按照線路保護裝置采取0秒速斷，從采樣至保護出口約20～30ms；真空斷路器在過零點跳閘開斷，故等待燃弧時間10～20ms；常規斷路器機械分閘時間30～50ms；由此電壓暫降時間為60～100ms左右，電壓暫降示意圖如下圖1。
圖1電壓暫降示意
2電壓暫降影響
如上所述，電壓暫降時間一般在為60～100ms左右，這個時間間隔對于一般負載而言，不會造成過大危害例如普通的民用負荷；但是對連續生產型企業而言，這個時間卻是無法容忍的。這些企業包括石化、鋼鐵、化工、及冶金等企業，因為這些企業中，用電負荷較多，其中就包含了對于電壓暫降耐受時間很短的敏感性負荷；當出現電壓暫降時，如果不在最短的時間內及時投入備用電源，該敏感性負荷就會停機，生產中斷，給企業造成重大損失。
以石化型企業為例，這類企業按照電能穩定性的要求屬于一類用戶，是電網需要重點保護的對象，一般都備有多路電源。由于石化企業使用大量的電機作為動力驅動泵、壓縮機、風機等設備，而控制電機負荷的設備采用繼電器，一旦發生電壓暫降，繼電器就會欠壓釋放，電機失電停機。而流體失去動力會使生產的工藝參數偏離控制指標，損壞設備甚至可能導致惡性爆炸事故。石化企業的核心設備裂解裝置，每一次裂解氣壓縮機因電壓暫降停機時，為了保護裂解爐的爐管，會有大量的已經裂解的烴類放入火爐燒掉，為保證裂解爐管上本身的結焦不脫落，此時不能很快停止進料。一個中型以上石化企業，從正常生產到事故停工，每小時要白白燒掉60噸以上的原料，而重新恢復生產至少需要4各小時，僅僅此4個小時的時間導致的損失就達百萬。
在電壓暫降發生期間，運行中斷的負載，稱之為敏感負載，這類負載的特點是有機械運動以及有電或磁儲能元件的存在，如電動機、變頻器、繼電器等。
2.1電壓暫降對電機的影響
工業生產中的電動機一般為異步電機，電動機正常運行時，由于須維持其旋轉磁場，電動機從系統獲得無功功率。當系統發生電壓暫降，電機無法再從系統電源側獲得無功功率，原有的磁場在旋轉中切割定子，產生的電子電壓向短路點提供短路電流。從定子側看，電機等效為發電機，剩磁按照時間常數衰減，若電壓暫降時間大于電機時間常數，則電機剩余磁場能量就會衰減完畢，待系統電壓恢復電機磁場能量重新建立，此時電網對電機產生6～7倍于額定電流的沖擊電流，該電流可能會造成電機的線路保護動作，從而導致生產設備停機跳閘。
電壓暫降時間越長，電機剩余磁場能量越少，系統沖擊電流越大，造成保護動作、停機跳閘的可能性就越大。
2.2電壓暫降對變頻器的影響
變頻器采用交流—直流—交流型變頻方式，其原理圖如下圖2。
圖2變頻器簡易原理圖
三相全波二極管整流電路將交流電壓變成脈動的直流電壓，跨接在直流母線上的電容可以減小電壓的脈動。在外電壓不能充電時，電容的電壓降落是典型的指數函數：
，其中的
，Pn是電機的輸出功率，C是電容值。當出線電壓暫降時，直流母線電壓高于交流側電壓，此時二極管受到反向電壓而不導通，交流側不能向直流側提供能量。此時電容C上存儲的電場能量
維持著向電機的運行，能量的輸出導致電容上的電壓按照時間常數下降。在電壓暫降結束的時刻，交流電壓突然恢復，通過整流線路重新在直流母線上產生陡升電壓，它的幅值基本上是
，與電容上的當時殘存的電壓U之間會出現一個電壓差
。電壓暫降時間越長，
就越大，電容和整流二極管上產生的電流沖擊就越大，嚴重時會損壞電容和整流二極管。
為了防止此類損害，變頻器中設計了保護功能，即當直流電壓
下降到U0的一定百分比時，立即封鎖變頻器的觸發脈沖，使電容器不再繼續向電機提供能量。即發生電壓暫降時，變頻器為保護自身不被損壞，將停止工作，電容不再向外輸出能量，由此導致變頻器下的負荷停運。
2.3電壓暫降繼電器的影響
電磁繼電器廣泛運用于電力系統控制回路，當發生電壓暫降時，繼電器觸點釋放。經過研究，一般電磁繼電器在電壓暫降兩個周波左右就會釋放，其結果仍然是造成繼電器控制的負荷停運。
綜上所述，電壓暫降時間越長，超過一些敏感性負荷電壓暫降耐受時間，導致負荷停運、生產中斷的可能性就更大。
3技術現狀
當系統電源側發生短路事故造成電壓暫降時，考慮到敏感負荷的連續性運行要求，應當立即將其電源切換到正常備用電源側，由備用電源對負荷進行供電。
但是，電源切換過程是一個復雜的暫態過程，特別在事故切換過程中電流、電壓、頻率、相角、轉矩等將發生快速變化，如果切換不當，將造成切換失敗或設備損壞。考慮到敏感性負荷電壓暫降耐受時間，要求在最快的時間內完成切換；如切換完成時間超過負荷的電壓暫降耐受時間，則敏感性負荷仍然停運，切換毫無意義。
常用的備自投裝置，其控制部件采用常規的微機保護，采樣至保護出口時間在20ms左右；其切換執行部件采用常規的彈簧儲能機構斷路器，而斷路器固有機械分閘時間在30～50ms左右，采用備自投裝置即使完成切換，切換時間遠遠大于敏感性負荷的電壓暫降耐受時間，切換無意義。
國內一些微機保護廠家生產的快速切換裝置，其僅是控制部件采用特殊算法，縮短采樣至保護出口時間，但是其切換執行部件仍采用常規的彈簧儲能斷路器，完成切換時間仍不能保證敏感負荷的連續性運行。
二、產品功能
HYKS型中壓雙電源快速切換裝置是專門為解決敏感性負荷的連續安全運行而研制的一體化切換裝置，可在30ms內將敏感負荷主電源電源切換到正常備用電源側。
三、工作原理及產品構成
工作原理
切換一次系統原理圖如下圖3。
圖3 HYKS一次切換原理圖
如圖3，DL1、DL2分別為Ⅰ、Ⅱ段母線進線斷路器，DL3為母聯斷路器，DL1、DL2、DL3均采用快速固封極柱斷路器，由快切控制器控制其分合閘。正常運行時，Ⅰ、Ⅱ段母線分列運行，DL1、DL2合閘，DL3分閘。當1#電源出現電壓暫降時，快切控制器在5ms內判斷出事故，采用串行切換方式立即將DL1快速固封極柱斷路器跳閘并合閘DL3母聯快速固封極柱斷路器，將敏感負載1的供電電源由1#電源切換為2#電源。由于快切控制5ms內已發出保護出口，快速固封極柱斷路器分閘時間≤4ms，合閘時間≤16ms，故裝置整體切換時間在30ms以內，大大縮短了電壓暫降時間，保證了敏感負荷的連續性運行。
產品,, 構成
HYKS型中壓雙電源快速切換裝置主要由快速固封極柱斷路器及快切控制器構成。其中，快切控制器采用特殊算法，采集電壓值頓號電流的幅值大小、方向及變化率，當系統電源側發生短路事故時，快切控制器保證在5ms內完成檢測、判斷；快速固封極柱斷路器采用德國布雷克電氣科技有限公司生產的基于“渦流斥力”原理的快速固封極柱斷路器，其結構圖如下圖5。
圖4快速固封極柱斷路器結構圖
“渦流斥力機構”快速固封極柱斷路器是一種電容器儲能、渦流盤驅動、永磁保持、直動式的快速永磁真空斷路器。其組成比普通斷路器所使用的彈簧操作機構運動部件減小80%，渦流盤斥力與觸頭運動方向同軸，無拐臂杠桿，驅動系統力學傳遞函數簡單穩定，機械合分閘時間遠遠小于常規彈簧儲能斷路器，其機械特性參數表如下。
快速固封極柱斷路器技術參數表
|
序號 |
技術特性 |
單位 |
額定參數 |
|
1 |
額定電壓(Ur) |
kV |
10 |
|
2 |
額定絕緣水平 |
斷口額定短時工頻耐受電壓(Ud)（1min） |
kV |
42 |
|
斷口額定雷電沖擊耐受電壓(Up) |
kV |
75 |
|
3 |
額定頻率(fr) |
Hz |
50 |
|
4 |
額定電流(Ir) |
A |
1250~4000 |
|
5 |
額定短路開斷電流 |
kA |
40 |
|
6 |
額定分閘時間 |
ms |
≤4 |
|
7 |
額定合閘時間 |
ms |
≤16 |
|
8 |
合閘分散度 |
ms |
≤2 |
|
9 |
分閘分散度 |
ms |
≤0.5 |
|
10 |
合閘彈跳時間 |
ms |
≤2 |
四、產品特點
1）一體化設計
成套裝置采用快切控制器及快速固封極柱斷路器，裝置的控制部件及執行部件均保證了快速性，一體化生產供貨。
2）切換速度快
裝置快切控制器采用快速算法，在5ms內發出保護出口；裝置內的快速固封極柱斷路器分閘時間≤4ms，合閘時間≤16ms，保證了成套裝置30ms內完成整個切換過程。
3）系統影響小
成套裝置30ms內完成切換，負荷電壓與備用電源電壓之間的幅值差、相角差均很小，對系統沖擊小。
五、產品型號
額定電壓（kV）—6、10
額定電流（A）—1250、1600、2000、2500、3150、4000
額定短路開斷電流電流（kA）—31.5、40
六、適用范圍
替換備自投的場合，整體切換30ms內完成，具備手動、自動、回切等功能
七、使用條件
1）使用環境溫度：-20℃～+40℃；
2）空氣相對濕度：≤80%（+20℃）；
3）海拔：≤1000m（超過須在訂貨時說明）；
4）使用環境的周圍介質無爆炸危險，不應含有腐蝕性氣體，所含導電塵埃的濃度不使絕緣水平降低到允許值以下；
5）戶外安裝
6）無劇烈震動
八、一次系統圖
圖5 HYKS一次系統圖
九、結構尺寸圖
圖6 6/10kV單臺柜體尺寸圖
