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厂用电无扰动快切的连续供电解决方案

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内容节点
概述
实验/设备条件
样品提取
实验/操作方法
实验结果/结论
仪器/耗材清单

一、项目背景

连续供电是生产的产能、品质和安全的重要保障,晃电发生时,常常伴随电压暂降,超过大约80毫秒的电压暂降会引起各类高低压电机、变频器等设备报警停机,导致生产系统停产,严重酿成生产事故。现采用的备自投方案,扰动时切换较慢,会引起负载停机,有安全隐患以及停机风险,为了保证整体配电网的无扰动供电连续,需在高压侧增加无扰动快切系统和负载侧增加抗晃电模块的整体解决方案。

高压配电侧,是由110kv变电站与35kv变电站之间10kv两条线路,两站距离300米左右,正常运行时35kv站内10kv高压柜由110kv变电站10kv供电,35kv处于热备状态为两进线一主一备结构,10KV母线均带有各类电机、变频器和变压器等混合负载,任何一路电源扰动或失压均影响负载连续运行。

低压配电侧,低压400v设备包括(450kw风机3台,255Kw水泵2台,132kw水泵2台),低压变压器2000kvA4台,2500KvA2台,1000kvA1台,对于低压负载侧的重要电机、变频器等设备,需要增加DCM621KH再起式抗晃模块和MSpower 低电压穿越装置作为快切切换风险的后备保障。

二、方案概述

通过对厂区配电网的整体理解,拟画了配电说明简示图,如下图1:

图片4.png

变电所两10KV进线来自于110KV变电所,以及35KV的变电所,10KV母线带有各类电机和变压器等混合负载,同时,馈出多个回路到低压配电侧及其它变电所。400V低压母线分别带混合负载。风机,水泵等各类电机、变频器和软启动器混合负载。

2.1 方案架构

10KV变电所为厂区10KV总配电侧,向下到400V低压配电侧和各个变电所。根据现场配电运行的当前情况,结合现场施工安装的可行性,考虑到35KV总降的变压器容量问题,现拟定一套抗晃电解决方案。

方案:

10KV进线侧配置DCM-635G高压无扰动快切。

0.4kV负载侧,为了保证生产工艺的连续性,根据实际需求,针对一些关键的工艺节点,严格要求生产过程中不停机的重要设备,需要配置低压抗晃电装置,接触器控制电机回路配置DCM621KH再起式抗晃电模块,低压变频器配置低电压穿越装置(非关键变频加装DCM621KH抗晃电模块)。

本方案中,考虑35kV进线及变压器容量限制,现场的容量不足以支撑全部的母线设备工作,所以在切换的过程中,通过DCM635G装置的智能卸载出口,卸载掉非重要负荷,保证重要负荷正常运行。

另外现场的低压侧断路器带有瞬时脱扣,当高压切换过程中由于短暂的停电,导致低压侧的断路器因脱扣跳闸,致使低压母线失电,现场建议拆除瞬时失压脱扣,400V低压侧可以配备低压备自投,来实现掉电的切换。

三、系统构建

3.1  10kV变电所进线快切方案

10KV变电所电源快速切换系统以下简称“10KV系统”由DCM635G高压电源无扰动快切装置配合现场的自己的真空断路器完成,下图2为方案构建,图示做了部分简化,配电结构如下图所示:

图片5.png

图中,来自“110KV变电站”简称为进线一,来自“35KV变电站”简称为进线二。

正常工作时,进线一带整段10kV母线,进线二带处于热备用状态,当母线失压自动快速切断主进线线路,快速合上备用开关,由另一路正常供电线路带整段10kV母线。

DCM635G无扰动快切装置对两路进线及两段母线电压电流的幅值、频率、相位等关键电参数进行采集,对当前运行模式进行智能识别,装置具有手动切换、保护起动、失压起动、误跳起动等多种起动方式,具有快切、同期、残压、长延时等多种合闸策略,确保备用进线间相互无扰动快切。

切换工作过程简述如下:

正常工况,进线一有压,进线二有压,进线一开关“1QF”合闸,进线二开关“2QF”分闸,无扰动快切装置充电完成后进入待机状态。

当进线一出现电压暂降或停电,无扰动快切系统快速跳开开关“1QF”,并快速合上备用进线开关“2QF”,由进线二带载,保证供电连续性,切换过程中负载设备不停机。

当进线一恢复供电,根据需要,手动切换恢复到初始状态。

因在切换过程中,35kV的系统不足以带动所有母线上设备,所以在切换的过程中,通过DCM-635G装置的卸载出口功能,切掉非重要负荷,完成无扰动快切方案。装置如图3

图片6.png

3.2 低压负载侧抗晃电方案

现场马达保护装置具有辅助的再起功能,启用此功能时,需要对线路进行改造,并且马达保护装置和现场DCS的兼容性存在不确定性。再起式抗晃电模块作为电动机、变频器的专业再起装置,现场安装直接并联与控制回路,无需改造线路,并且体积小,磁吸式设计现场安装方便,建议配置DCM621KH作为关键工艺节点的保障方案。

3.3 直起式电动机抗晃电方案

针对低压负载侧非常重要的直起式电动机,为了保证在极限情况下,确保这些重要设备连续工作,需要配置抗晃电模块作为快切方案的补充方案。

模块工作原理为,通过采集负载的工作电源、接触器线圈电压以及控制回路电压形成复合判据,起动结束后延时5秒进入抗晃待机模式,当接触器位置信号发生了变化时,内部超级电容系统自动投入,系统开始计时,在设定的最长晃电时间内,如果系统自动恢复了供电,经再起动延时起动电机,恢复晃电前正常工况,从而保证生产正常进行。

重要直起式电机设备,配置DCM621KH抗晃模块,方案如下图4:

图片7.png

工作过程简述如下:

正常工作时,当手动或远程起动电机后,KM线圈得电,KM接触器吸合, DCM621KH检测到KM吸合状态,开始充电,5S充电结束后,进入抗晃待机模式,晃电发生后,电压暂降,KM主动释放,电机停机, DCM621KH内部超级电容自动投入,为抗晃电模块正常供电,系统开始计时,在设定的最长晃电时间内(最长9秒),如果系统自动恢复了供电,经再起动延时,装置RS继电器吸合,自动再起动电机,恢复晃电前的正常工况。

3.4 变频器抗晃电方案

针对重要的变频设备,根据连续工作要求等级的不同,有两套方案可选,如果允许短暂停机,配置DCM621KH抗晃电模块,如果不允许停机,配置MSpower低电压穿越装置。

方案一,配置DCM621KH抗晃模块,方案图5如下:

图片8.png

图5

工作过程简述如下:

正常工作时,当手动或远程起动变频器后,1KA1线圈得电,1KA1接触器吸合,DCM621KH检测到1KA1吸合状态,开始充电,5S充电结束后,进入抗晃待机模式,晃电发生后,电压暂降,1KA1主动释放,变频器停机,DCM621KH的AL继电器打开,闭锁“变频器故障闭锁信号”输出,DCM621KH内部超级电容自动投入,为抗晃电模块正常供电,系统开始计时,在设定的最长晃电时间内(最长9秒),如果系统自动恢复了供电,装置RE复位继电器闭合,复位变频器故障,经再起动延时,装置RS继电器吸合,自动再起动变频器,恢复晃电前的正常工况。

方案二,配置MSpower低电压穿越装置。

对于现场安装的变频器,为了保证晃电时不停机,需要配置MSpower低电压穿越装置。

> MSpower装置结构:

MSpower装置由主机、触摸屏显示单元、超级电容箱及直流配电系统组成。

主机及触摸显示单元用来显示交流电源、直流输出电流、运行工况、历史记录、系统设置、故障信息、带时标的低电压穿越信息以及成功穿越统计等,同时实现与外部联锁以及整套装置的实时自检,如下图6

图片9.png

图6

电压暂降控制主机为整个装置的核心单元,完成超级电容的充电管理,电网监视,系统自检等。将三相交流整流后经过隔离变换将直流能量预充DC 520V±5%。当厂用电在±10%以内波动时,电压暂降主机不会对给煤机变频器直流母线供电;当三相交流跌落到90%(360V)以下时,电压暂降主机自动瞬时输出,保证直流母线恢复到正常运行范围。    

超级电容箱,采用进口超级法拉电容,通过主机对超级电容进行充电管理,完成恒流、恒压、涓流等多种充电模式,同时带有自动温度管理系统,以及保护均压系统等。

直流输出回路主要有品牌直流断路器、放电检测等组成。每个直流配电回路对应一台变频器。

> 工作原理:

装置结构原理图如下图7:

图片10.png

图7

 

三相交流电能经断路器QF1进入三相整流回路,脉动直流经限流电阻对C1预充电,预充结束后通过直流接触器KM1旁路限流电阻对电容C1满荷充电。电感L1与Q1和Q2构成BOOST 型式的升压电路,将C1上的直流电荷泵到更高电压对C2进行充电,并经预充限流电阻对电容C3充电,经晶闸管及二极管防逆流回路到直流接触器后经断路器和熔断器,送入变频器的直流母线。

正常工作电压时,变频器通过内部桥式整流的直流电源维持变频器正常工作, BOOST 升压电路处于待机状态;当电网电压发生瞬时跌落并达到设定值时(默认80%,可整定), BOOST电路迅速投入运行,输出稳定的直流电压,支撑变频器直流母线的电压稳定,从而维持变频电机的转速和转矩。待电网电压恢复之后(默认90%,可整定),BOOST升压电路自动退出,变频器继续内部整流供电工作。

本低电压穿越装置为旁路运行方式,原变频器交流供电线路不做调整,也不需对变频器进行新的设置,只需要就地安装在原变频控制柜旁即可。现场可引入直流屏直接为低电压穿越装置供电。

四、功能特点及参数

4.1  无扰动快速切换系统

4.1.1 基本功能

 

> 装置适用于双进线结构

◆具有手动起动、保护起动、失压起动、误跳起动、无流起动、逆功率起动及频率异常起动等多种起动方式

◆装置具有正常切换、事故切换、非工况切换(失压、开关误跳)功能

◆装置具有并联、串连、同时三种开关切换顺序选择

◆装置具有优先级的快速、同捕、残压、长延时切换

4.1.2辅助功能

◆区内外智能切换闭锁识别

◆备用电源失电

◆开关异常闭锁

◆合闸回路测时

◆智能故障录波

◆全息黑匣子记录

◆装置自检故障告警

◆PT断线

◆母联开关电流保护(母联方式)

◆智能卸载出口(选配)

◆定值远方召唤和修改

4.1.3 资源及配置

◆模拟量:八路电压量输入(二路进线电压+三路母线1段电压+三路母线2段电压)

          九路电流量输入(六路进线电流+三路母联电流)

◆开入量:装置满配有30路开入量

◆开出:装置满配有22路继电器出口

4.1.4 通讯功能

◆两路标准RS485多机通讯口

◆两路工业以太网口端口

◆支持单网、双网通讯,能够完全实现网络的冗余互备

◆一路打印接口,兼容多种打印机

◆IEC-60870-5-103(串行通讯模式)、IEC-60870-5-103(工业以太网通讯模式)、MODBUS-RTU,MODBUS-TCP标准通信规约

4.1.5 GPS对时功能

◆装置通过RS485差分电平支持1PPS和IRIG-B码对时模式,误差小于1ms,同时支持软件后台对时。

4.1.6装置特点

◆采用了双核32位DSP微处理器,快切内核和人机界面内核独立

◆实时多任务操作系统及C++编程技术,可实现在线编程

◆开关合闸时间精准统计,自动适应开关老化及开关更换

◆实时系统自检,系统工作电源、AD状态、内存状态实时自检,确保稳定可靠

◆抗干扰设计,高EMC电磁兼容等级试验,软硬件复合闭锁架构

◆大屏幕双显示(液晶汉化显示和LED显示),方便运行人员巡检

◆硬件互换性好,方便用户维护及减少备件的数量

◆采用6U、19/3英寸标准机箱,背插式结构,可就地安装在开关柜上或集中组屏

4.1.7额定参数

◆装置电源:AC/DC 86~265V

◆操作电压:DC 220V 、DC 110V或AC220V(允许偏差+15%,-20%)

◆交流电压:100V或380V(订货时需说明)

◆交流电流:5a或1A(订货时需说明)

◆适用频率: 50Hz

4.1.8功率消耗

◆直流回路     :<10W(正常工作时);<15W(动作时)。

◆交流电压回路 :<0.5VA/相

◆交流电流回路 :<1VA/相(In=5A);

                 <0.5VA/相(In=1A)。

4.1.9过载能力

◆交流电压:   1.2倍额定电压连续工作

◆保护电流:   2倍额定电流连续工作

               10倍额定电流,允许10 s

              40倍额定电流,允许1 s

4.1.10测量范围及精度

◆电压元件     :1% Un~120% Un

◆电流元件     :0.05In~20In

◆频    率     :30.00Hz~65.00Hz

◆时间元件     :0.00S~100.00S

◆电压电流精度 :0.5级

◆频率精度     :0.02Hz

◆角度精度     :0.2度

◆SOE分辨率    :≤2ms

◆合闸测时     :≤2ms

◆GPS授时      :≤1ms

4.1.11整定值精度

◆电流及电压定值   :≤±2.5%整定值

◆频率定值         :≤±0.02Hz

◆角度定值         :角差定值误差:±0.2°

◆切换最小断电时间 :<11 ms+开关时间+用户整定延时。

4.1.12出口接点容量

◆跳合闸出口可长期接通AC 250V,5A。

◆信号出口可长期接通AC 250V,5A。

4.1.13电磁兼容性

◆快速瞬变干扰试验符合GB/T 14598.10的规定;

◆静电放电试验符合GB/T 14598.14的规定;

◆脉冲群干扰试验符合GB/T 14598.13的规定;

◆幅射电磁场干扰试验符合GB/T 14598.9的规定;

◆工频磁场抗扰度试验符合GB/T 17626.8的规定;

◆射频场感应的传导骚扰抗扰度试验符合GB/T 17626.6的规定;

◆脉冲磁场抗扰度试验符合GB/T 17626.9的规定;

4.1.14绝缘耐压

◆绝缘试验符合GB/T14598.3-93 6.0的规定;

◆冲击电压试验符合GB/T14598.3-93 8.0的规定。

4.1.15环境条件

◆工作温度:-20℃~+55℃。

◆储存温度:-25℃~+70℃,相对湿度不大于80%,周围空气中不含有酸性、碱性或其它腐蚀性及爆炸性气体的防雨、防雪的室内;在极限值下不施加激励量,装置不出现不可逆转的变化,温度恢复后,装置应能正常工作。

◆相对湿度:最湿月的月平均最*相对湿度不大于90%,同时该月的月平均低温度不低于25℃且表面不凝露。最高温度为+40℃时,平均最*湿度不超过50%。

◆大气压力:80kPa~110kPa(相对海拔高度2km 以下)。

4.1.16故障录波

◆记录切换起动前2个周波,起动后最长98个周波,最多32组录波数据。录波数据格式满足COMTRADE99标准。

4.2  DCM621KH 再起式电机抗晃仪

4.2.1 基本参数

u 系统功耗:  1W

u 安装方式:  磁吸式

u 外型尺寸:  64mm*47mm*96mm(宽*高*深)

u 产品净重:  约300克

u 适用电压 : AC220V(可定制)

u 起动节点容量: 常开,5A 440Vac/300Vdc

u RUN信号容量:常开,超时返回,5A  250Vac/30Vdc

u 最*晃电时间:0-9s可调,步进1S,0时模块退出。

u 再起延时:0-1S 连续可调,步进0.1S。

u 适用回路:直接起动、变频器、软起动

 

4.2.2 功能特点

u 起动电机自动待机,手动停车自动放电;

u 磁吸安装,可靠灵活;

u 接插端子,维护便捷;

u 脉冲起动,节能可靠;

u 晃电时间最长达10S,且易修改;

u 再起动延时可修改,利于分批多电机环境;

u 电压波动未引起接触器释放,不会对抗晃模块产生影响。

4.3  MSpower低电压穿越装置

 4.3.1 基本参数

名称

基本参数

型  号

MSpower-C

额定功率

10-1000kW

输入电压等级

AC 80V~400V

交流输入额定频率

50Hz±2 Hz

直流输出电压

DC 490V±5%

电压跌落支持范围

20%~90%Ue

工作时间

0-30s时间可调

电磁干扰等级

符合IEC标准

直流供电切换时间

≤200微秒,半导体导通时间

噪声

≤60dB

动作联锁

变频器运行/故障联锁

不间断电源综合效率

≥99%

报警输出

各类报警输出

短路保护,过载等

散热方式

智能风冷系统

进/出线形式,

下进下出

 

                            图8

 

4.3.2 功能特点

u 模块化设计,方便安装维护调试;

u 快速切换,电网电压跌落80%时,依然可提供30s的延时支撑;

u 可以扩展外部联锁控制,提高系统安全性;

u 系统独立模块自检,长期实现免维护运行;

u 大型工业触摸屏显示,系统运行工况直观详尽;

通讯功能支持RS485,以太网,轻松实现DCS系统互联;

五、快切系统功能详述

5.1切换功能

其接线端子参见下图,该系统由两进线构成,正常运行时由进线一为整段母线供电,进线二为备用供电。

起动方式:手动、保护、失压、误跳、无流、逆功率、频压起动切换

工作过程:跳1QF合2QF、跳2QF合1QF。

图片11.png

5.2辅助功能

u 智能合闸测时

装置设置了高精度开关合闸测时功能,可准确测出装置在发合闸命令到收到开关已合闸信号的时间,包括开关合闸时间及合闸回路上的电气时间。若5秒内,未检测到开关闭合,则此记录数据为无效数据。进线方式时测量进线一低开关和进线二低开关合闸时间;母联方式时测量进线一低开关、进线二低开关及母联开关合闸时间,每个开关记录最近的六次时间值。

u 闭锁功能

以下闭锁属于自复归闭锁:

●开关位置异常闭锁,进线电流大于无流定值,而相应开关为跳位,延时10s报警

●后备失电闭锁,进线电流大于无流定值,后备电源小于“后备失压电压定值”且“后备电源失电闭锁”投入,装置闭锁。

●功能未投入闭锁,“切换投退”未投入;起动方式全未投入;切换方式全未投入;

 满足以上任一条件时,装置闭锁。

●出口闭锁,试验时通过该信号闭锁装置, 332端子有信号输入时装置出口闭锁,信号解除闭锁消失。

●PT断线闭锁,“PT断线投退”投入,母线PT断线时,通过“失压检进线无压”控制字选择,检进线和母线无压或者检进线无流和母线无压闭锁切换,或者通过母线负序电压闭锁切换,故障解除闭锁返回。

●母线PT检修闭锁,检修时用于手动闭锁装置, 337端子有信号输入时装置出口闭锁,信号解除闭锁消失。

以下闭锁属于手动复归闭锁:

●保护闭锁一、保护闭锁二,本侧装设有保护闭锁接入时,发生保护动作信号用来闭锁切换,信号解除需手动复归,闭锁返回。

●过流切换闭锁,无本侧保护闭锁接入时,当母线及出线故障时,用于识别区内故障闭锁切换。当电流为正方向(从进线流向母线)且电流值大于“方向过流闭锁值”时,装置闭锁切换并报警(此功能必须接入进线三相电流)。

●切换闭锁,332端子有切换闭锁信号时,装置闭锁,信号解除需手动复归,闭锁返回。

有以上任一情况发生时,装置闭锁,点亮面板“闭锁”灯、出口215-216闭合。

u 告警功能

  ●自检告警,装置运行中实时自检,自检故障时,发出装置故障信号(209、210闭合),同时闭锁切换和保护功能。自检故障包括:RAM、EPROM、出口故障、定值出错和电源故障。

当检测到下列状况时,发出报警信号(211、212闭合):

  ●逆功率告警,进线三相电流中任一相大于0.1A且功率反向,固定延时10ms后,装置报警并记录。(只报警,不会起动或闭锁切换,此时母线电压小于逆功率电压门槛才可能起动切换)。本功能主要用来核对现场接线以及监视电网电压波动,提供事故分析素材。

  ●失压告警,当检测到工作母线电压低于有压定值时,固定延时20ms后,装置告警并记录。(只报警,不会起动或闭锁切换)。本功能主要用来监视电网电压波动,提供事故分析素材。

  ●内部测频故障(电压大于15%,频率小于30Hz或者大于65Hz,固定延时10s报警)

有以上任一情况发生时,装置告警,点亮面板“告警”灯、出口211-212闭合。告警状况解除自动返回,无需复归。

u 其它功能

  ●起动后加速功能

在切换过程中,若某进线合闸,则同时输出一对后加速接点,用于起动该进线的后加速功能,此节点切换完成后返回。

  ●快切装置电源消失

装置提供一对常开常闭节点用于电源消失信号,若装置电源消失,则打开207-208常闭节点,闭合207-206常开节点,电源恢复后,节点返回。

  ●去耦合功能

为避免两个电源长时并列运行,在切换过程中“去耦合延时”时间内该合上的开关已合但该跳开的开关未跳开,快切装置将执行去耦合功能,跳开刚合上的开关。

  ●低压减载功能(选配)

受变压器容量限制,母联方式运行时(母联在合位),根据电压滑差、欠压及过流起动减载功能,跳开非重要负载,保障系统的连续可靠运行



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