柴油发电机组应急电源自动投切低压供电系统的研究

刘 义

(沈阳铝镁设计研究院有限公司,辽宁 沈阳 110001)

对于有色金属冶炼厂和其他行业低压供配电系统的一级负荷中特别重要的负荷,国家设计标准及规范对其供电可靠性均提出了强制要求。《供配电系统设计规范》(GB50052)中将一级负荷中特别重要的负荷定义为:中断供电将发生中毒、爆炸和火灾等情况的负荷,以及特别重要场所不允许中断供电的负荷。其供电应应符合以下要求:除应由双重电源供电外,尚应增设应急电源,并严禁将其他负荷接入应急供电系统;设备的供电电源切换时间,应满足设备允许中断供电的要求。

《有色金属冶炼厂电力设计规范》(GB50673)中规定:一级负荷中,中断供电将发生中毒、爆炸和火灾危险等情况的用电,大型关键设备的保安用电以及重要计算机控制系统、通讯系统等的用电,属于一级负荷中特别重要的负荷。其供电应应符合以下规定:一级负荷应由两个电源供电。当一个电源故障时,另一电源应能连续供电或在不超过负荷允许的中断供电时间内恢复供电。一级负荷中特别重要的负荷,除上述两个电源外,尚应增设独立于电力网的应急电源。应根据一级负荷允许中断供电的时间,确定备用电源手动或自动方式投入。

由此可见,一级负荷中特别重要负荷的供电可靠性要求非常之高,否则将会造成特别重大的安全生产事故

对于一级负荷中存在特别重要负荷的380/220 V电压等级的供电系统,特别重要的一级负荷除由两个电源供电外,还应增设应急电源。典型的供电系统结构如图1所示,该低压供电系统采用单母线分段带母联的供电结构,设置两段配电母线,每段母线设置一路电源进线作为工作电源,共两路工作电源,分别引自电力网;一段配电母线上设置一路独立于电力网的应急电源,应急电源采用采用低压柴油发电机组。

图1 典型供电系统图

这种典型的供电系统的运行方式为:两路电源同时工作,进线开关处于闭合状态,母联开关处于断开状态,柴油发电机组应急电源馈线开关处于断开状态。

供电系统结构能够实现的功能为:正常工作情况下,两路电工作电源同时工作,柴油发电机组应急电源处于冷备用状态;当任意一路工作电源故障或退出运行时,剩余一路工作电源负责特别重要一级负荷的供电,柴油发电机组应急电源不需投入运行;当两路工作电源全部失电,造成低压配电系统两段母线全部停电后,手动或自动起动柴油发电机组,应急电源自动投入运行,同时手动断开两路工作电源的进线开关,使其退出运行;当两路工作电源中任意一路工作电源恢复供电后,手动合上对应的工作电源进线开关,使其投入运行,再手动停止柴油发电机组,应急电源退出运行。

由于这种操作模式某些操作环节采用手动控制方式,存在较大的人为因素,特别是在紧急情况下,由于操作人员紧张失误,将对供电系统造成误操作,影响供电系统的快速恢复;另一方面,由于柴油发电机组应急电源与正常工作电源之间存在短时并列运行的情况,这种情况下将对设备和人身安全造成威胁,存在一定的安全隐患。虽然也有采用微机保护监控单元来实现两路工作电源和低压柴油发电机组应急电源间的自动切换,但由于其对供电系统的配置结构及设备的装备水平要求较高,造成一次投资较大;同时由于信号监测数量较多,逻辑关系及接线复杂,容易发生拒动或误动现象,使用效果并不理想。

当采用柴油发电机组作为应急电源时,通过对上述典型的供电系统结构的分析研究,确定最为可靠的供电方式为:正常工作情况下,柴油发电机组处于冷备用状态,当两路工作电源全部失电,造成低压配电系统两段母线全部停电后,柴油发电机组应自动起动,应急电源应自动投入运行,同时为了防止应急电源向供电系统反送电,要求两路工作电源的进线开关应处于断开状态退出运行;当两路工作电源中的任意一路工作电源恢复供电后,该工作电源的进线开关应自动闭合投入运行。同时,为防止发生触电安全事故,以及工作电源和应急电源的并列运行引起供电系统短路电流的增加而超出设备额定运行短路分断能力,要求应急电源应立即自动退出运行,其馈线开关应处于断开状态;即,应急电源与正常电源之间必须采取防止并列运行的措施。

为实现上述自动投切控制理念,通过研究开发出了低压柴油发电机组应急电源自动投切供电系统,这种自动投切供电系统设置两路工作电源和两段低压配电母线,两路工作电源进线处设置自动切换开关,自动切换开关输出线上设置两个交流接触器;柴油发电机组作为应急电源,在应急电源出口断路器输出线上设置两个交流接触器;通过上述四个交流接触器分别将1#、2#工作电源和应急电源接入两段配电母线,通过PLC控制系统对两组交流接触器进行相互闭锁控制,实现柴油发电机应急电源与两路工作电源之间的自动切换。自动投切供电系统接线原理图如图2所示,其配置结构如下:双电源自

图2 自动投切供电系统接线原理图

动切换开关1用于连接两路工作电源,实现两路工作电源的自动切换操作。熔断器2和熔断器3用于控制回路的保护。电子监视继电器4用于两路工作电源的电压检测,当两路工作电源失电时,向PLC控制系统19输入一个断电信号,然后由PLC控制系统19控制柴油发电机17起动。转换开关5用于选择流接触器13和交流接触器14的自动或手动控制方式。转换开关6用于选择交流接触器15和交流接触器16的自动或手动控制方式。停止按钮7用于手动控制方式下控制交流接触器13和交流接触器14断电。停止按钮8用于手动控制方式下控制交流接触器15和交流接触器16断电。起动按钮9用于手动控制方式下控制交流接触器13和交流接触器14通电。起动按钮10用于手动控制方式下控制交流接触器15和交流接触器16通电。PLC控制输出接点11用于自动控制方式下控制交流接触器13和交流接触器14的通电和断电。PLC控制输出接点12用于自动控制方式下控制交流接触器15和交流接触器16的通电和断电。交流接触器13和交流接触器14用于连接自动切换开关1和配电母线20,通过其打开和闭合对配电母线20进行断电和供电切换操作。交流接触器15和交流接触器16用于连接断路器18和配电母线20,通过其打开和闭合对配电母线20进行断电和供电切换操作。柴油发电机组17用于应急电源。断路器18用于连接柴油发电机17和配电母线20,柴油发电机起动后闭合。PLC控制系统19用于柴油发电机应急电源与两路工作电源之间的自动切换控制,PLC控制系统19分别对电子监视继电器4、转换开关5、转换开关6、交流接触器13、交流接触器14、交流接触器15和交流接触器16的运行状态进行监视。

这种自动投切供电系统的主要控制逻辑功能如下,控制逻辑图如图3所示。当1#、2#工作电源带电工作时,自动切换开关出线侧的两个交流接触器闭合,为配电系统提供供电电源,此时柴油发电机出口断路器侧的两个交流接触器处于断开状态,柴油发电机处于冷备用状态。当1#、2#工作电源失电停止工作时,通过PLC控制系统将柴油发电机自动启动运行,自动切换开关出线侧的两个交流接触器断开,同时柴油发电机应急电源出口断路器侧的两个交流接触器闭合,将应急电源接入配电系统,继续为用电负荷提供供电电源。当任意一路工作电源恢复供电时,通过PLC控制系统将自动切换开关出线侧的两个交流接触器闭合,同时将柴油发电机出口断路器侧的两个交流接触器断开,柴油发电机停止运行,从而实现柴油发电机应急电源的自动投入和退出,保证重要一级负荷的可靠供电。

图3 自动投切供电系统控制逻辑图

下面结合上图2和图3,对低压柴油发电机组应急电源自动投切供电系统的具体实施方式说明如下。

当两路工作电源中任意一路带电时,柴油发电机处于备用停止状态,此时,电子监视继电器4的辅助接点带电闭合、转换开关5打到自动控制位置、PLC输出接点11闭合,使交流接触器13和交流接触器14带电闭合,PLC输出接点12和交流接触器13的常闭触点断开、使交流接触器15和交流接触器16断电断开并闭锁,以此实现工作电源通过交流接触器13和交流接触器14接入配电母线20,为用电负荷提供供电电源。在此种情况下,如果发生交流接触器15或交流接触器16处于闭合状态,交流接触器13或交流接触器14处于断开状态,则PLC控制系统19发出声光报警信号通知操作人员。

当两路工作电源全部失电时,电子监视继电器4的辅助接点失电断开,PLC控制系统19立即起动柴油发电机17,断路器18闭合,PLC输出接点12闭合,使交流接触器15和交流接触器16带电闭合,PLC输出接点11和交流接触器15的常闭触点断开,使交流接触器13和交流接触器14断电断开并闭锁,以此实现柴油发电机应急电源通过交流接触器15和交流接触器16接入配电母线20,为用电负荷提供应急供电电源。在此种情况下,如果发生交流接触器15或交流接触器16处于断开状态,交流接触器13或交流接触器14处于闭合状态,则PLC控制系统19发出声光报警信号通知操作人员。

当两路工作电源中任意一路恢复供电工作时,通过控制系统,自动将该工作电源接入配电母线,同时自动切除柴油发电机应急电源,从而实现柴油发电机应急电源与两路工作电源之间的自动切换。

综上所述,通过对一级负荷中特别重要负荷的典型供电系统进行分析,针对运行可靠性方面存在的问题提出了解决方案,通过研发的低压柴油发电机组自动投切供电系统,能够实现该负荷的两路工作电源全停电时应急电源自动投入,当任一路工作电源恢复供电时,应急电源自动退出运行。

采用该技术方案后,能够可靠实现柴油发电机组应急电源的自动投入和退出,避免了误操作和存在的安全隐患等问题,是一种解决特别重要一级负荷的可靠供电的技术措施,还可以节省一次投资。这种自动投切供电系统更加符合企业安全可靠生产的需求,在新建、扩建和提高可靠性改造项目中具有十分明显的应用优势。