一种化工煤气净化设备电源故障切换系统的制作方法

1.本发明涉及电源切换技术领域，尤其涉及一种化工煤气净化设备电源故障切换系统。


背景技术：

2.化工企业自动化生产线上广泛采用的伺服驱动、各类控制及通讯装置等电力电子元器件，对电能质量的要求越来越高，持续时间几十毫秒的电压瞬间跌落，就可导致敏感设备宕机，致使整个系统连锁保护停车，导致连续生产过程紊乱。如操作不当还易造成设备损坏及人身伤亡的生产事故，且每次停、开车耗资巨大，电压暂降已经严重影响到化工生产的安全稳定和经济运行，统计表明，电压暂降是目前最突出的电能质量问题，因电能质量问题导致工厂非计划停产停机的事件中，90%是由于电压暂降事件，国际电气与电子工程师协会(ieee)将电压暂降定义为供电电压有效值快速下降到额定值的90%~10%，然后回升至正常值附近；而国际电工委员会(iec)则将其定义为下降到额定值的90%~10%，持续时间为10ms~1min，大中型企业，特别是连续生产作业型的企业，须配备完备的供电电源，多母线、多变压器、多断路器拓扑成复杂的供电系统，电压级别多涉及到110kv、35kv、10（6）kv、400v，一般而言，把企业内部的中低压电网称为内网，企业外部的供电电网称为外网，在外网发生短路和企业内网任何一个支路出现短路都会造成整个系统的电压跌落，而且发生短路的支路电压等级越高，影响面越大，跌落值也越大，短路发生后，该支路的保护装置将动作使断路器跳闸切除故障支路，从短路发生到故障切除的这段时间，系统电压经历从跌落到恢复的过程，被称为“电压暂降”，一般暂降时间70~110ms，电压暂降治理技术一直是电网运行中的重要研究课题，市面上采用的弹簧断路器分合闸时间长，动作速度慢，当短路发生后，普通弹簧断路器切除故障电流时间需要大约100ms，故障期间电压大幅下降，随着电力电子技术的高速发展，对电压敏感型设备越来越多，设备的电压耐受度曲线持续时间越来越短，市面上采用的弹簧断路器已经不在满足现代电网的运行要求，采用大型ups、ssts、dvr、超导设备虽然能满足部分要求，但是存在设备昂贵、运行成本高、占地面积大等缺点；化工煤气净化工段处于煤焦化化工生产的中间阶段，负责上级焦炉煤气的输送及净化，同时为后续生产提供净化后的煤气原料，该工段一些关键设备：煤气净化循环水泵、煤气鼓风机、循环氨水泵，其负载类型包含：高压变频设备、高压异步电动机、交流接触器，经过大量的试验和计算：此类负载对电压暂降的容忍时间一般为30-100ms，对供电连续性要求较高高，现有供电设计一般为双电源单母线双分段供电方式，当一路电源故障时将负荷转移至另一电源供电，其电源转换时间较长，已不能满足其对供电安全的需求，当外部短路或电源断线时会直接导致化工煤气净化工段关键设备停机，导致企业全面停产，因此，本发明提出一种化工煤气净化设备电源故障切换系统以解决现有技术中存在的问题。


技术实现要素：

3.针对上述问题，本发明提出一种化工煤气净化设备电源故障切换系统，该化工煤
气净化设备电源故障切换系统基于快速涡流斥力技术的断路器和基于快速识别技术的控制器，其切换时间短、适用范围广，切换时对电网及生产工艺影响小。
4.为实现本发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：一种化工煤气净化设备电源故障切换系统，包括电源进线断路器k1、电源进线断路器k2、控制器、电源ⅰ和电源ⅱ，所述电源ⅰ和电源ⅱ的供电线路连接重要生产设备，所述电源进线断路器k1、电源进线断路器k2分别串联在电源ⅰ、电源ⅱ的供电线路上，所述电源ⅰ、电源ⅱ的供电线路均串联有电流采集器，所述电源ⅰ、电源ⅱ的供电线路均并联有电压采集器，所述电流采集器、电压采集器的信号输出端均连接控制器，且控制器的控制端分别连接电源进线断路器k1、电源进线断路器k2；所述电源进线断路器k1、电源进线断路器k2为采用快速涡流斥力技术的真空断路器，合闸时间为8-12ms，分闸时间为4-5ms，所述控制器采用最小二乘法原理进行快速识别，在发生短路故障后1-3ms识别出短路电流的幅值并预测出过零点。
5.进一步改进在于：所述控制器采用最小二乘法原理进行快速识别，用2ms数据拟合电流、电压、频率曲线并提取幅值、相角和过零点，且加入2%白噪声验证鲁棒性。
6.进一步改进在于：所述重要生产设备包括煤气鼓风机变频器、循环氨水泵电机、煤气净化循环水泵电机，且重要生产设备接于电源进线断路器k1、电源进线断路器k2的出口侧。
7.进一步改进在于：当系统正常运行时，电源进线断路器k1/电源进线断路器k2处于合闸位置、电源进线断路器k2/电源进线断路器k1处于分闸位置，所述重要生产设备由电源ⅰ/电源ⅱ供电，所述控制器通过电流采集器提供的电流信号和电压采集器提供的电压信号实时监测系统的工作状态。
8.进一步改进在于：当控制器监测到电源侧发生电压暂降时，控制器发出控制指令，控制电源进线断路器k1/电源进线断路器k2分闸，电源进线断路器k2/电源进线断路器k1合闸，将电源从电源ⅰ/电源ⅱ切换到电源ⅱ/电源ⅰ。
9.进一步改进在于：在电压暂降时，整体切换投入时间≤30ms，其中控制器判断时间≤10ms，电源进线断路器k1、电源进线断路器k2分闸时间≤5ms、合闸时间≤12ms，短路开断容量为31.5ka。
10.进一步改进在于：当主用的电源ⅰ/电源ⅱ出现故障，控制器监测到备用的电源ⅱ/电源ⅰ出现电压低于要求值、缺相运行、不平衡故障时，控制器不发出切换指令；当控制器计算主用的电源与备用的电源相角差太大时，控制器不发出切换指令；当控制器监测到电流方向内网短路时，控制器不发出切换指令。
11.进一步改进在于：所述电源进线断路器k1、电源进线断路器k2内置相互闭锁模块，用于控制电源进线断路器k1、电源进线断路器k2中只能一台合闸。
12.本发明的有益效果为：1、本发明优选先进的快速涡流斥力技术的真空断路器，作为电源进线断路器k1、电源进线断路器k2，可以做到合闸时间10ms左右，分闸时间控制在5ms左右，便于快速分合闸，躲过各电气敏感元件的电压暂降忍受时间，且占地面积小。
13.2、本发明优选的控制器采用最小二乘法原理进行快速识别，用2ms数据拟合电流、电压、频率曲线并提取幅值、相角和过零点，可以在发生短路故障后2ms左右识别出短路电
流的幅值并预测出过零点，便于提高判断控制的速率，躲过各电气敏感元件的电压暂降忍受时间。
14.3、本发明整体快切投入时间≤30ms，短路开断容量31.5ka，做到真正的无扰动切换，保证重要生产设备的连续供电。
附图说明
15.图1为本发明的控制示意图。
具体实施方式
16.为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明做进一步详述，本实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
17.实施例一根据图1所示，本实施例提出了一种化工煤气净化设备电源故障切换系统，包括电源进线断路器k1、电源进线断路器k2、控制器、电源ⅰ和电源ⅱ，所述电源ⅰ和电源ⅱ的供电线路连接重要生产设备，所述电源进线断路器k1、电源进线断路器k2分别串联在电源ⅰ、电源ⅱ的供电线路上，所述电源ⅰ、电源ⅱ的供电线路均串联有电流采集器，所述电源ⅰ、电源ⅱ的供电线路均并联有电压采集器，所述电流采集器、电压采集器的信号输出端均连接控制器，且控制器的控制端分别连接电源进线断路器k1、电源进线断路器k2；所述电源进线断路器k1、电源进线断路器k2为采用快速涡流斥力技术的真空断路器，合闸时间为8-12ms，分闸时间为4-5ms，所述控制器采用最小二乘法原理进行快速识别，在发生短路故障后1-3ms识别出短路电流的幅值并预测出过零点。本发明优选先进的快速涡流斥力技术的真空断路器，作为电源进线断路器k1、电源进线断路器k2，可以做到合闸时间10ms左右，分闸时间控制在5ms左右，便于快速分合闸，占地面积小。且本发明优选的控制器采用最小二乘法原理进行快速识别，用2ms数据拟合电流、电压、频率曲线并提取幅值、相角和过零点且加入2%白噪声验证鲁棒性，可以在发生短路故障后2ms左右识别出短路电流的幅值并预测出过零点，便于提高判断控制的速率。
18.所述控制器采用最小二乘法原理进行快速识别，用2ms数据拟合电流、电压、频率曲线并提取幅值、相角和过零点，且加入2%白噪声验证鲁棒性。在发生短路故障后2ms左右识别出短路电流的幅值并预测出过零点，便于提高判断控制的速率。
19.所述重要生产设备包括煤气鼓风机变频器、循环氨水泵电机、煤气净化循环水泵电机，且重要生产设备接于电源进线断路器k1、电源进线断路器k2的出口侧。在出现故障时，本发明通过对电源进线断路器k1、电源进线断路器k2的快速分合闸切换，保证重要生产设备的连续供电。
20.实施例二根据图1所示，本实施例提出了一种化工煤气净化设备电源故障切换系统，包括电源进线断路器k1、电源进线断路器k2、控制器、电源ⅰ和电源ⅱ，所述电源ⅰ和电源ⅱ的供电线路连接重要生产设备，所述电源进线断路器k1、电源进线断路器k2分别串联在电源ⅰ、电源ⅱ的供电线路上，所述电源ⅰ、电源ⅱ的供电线路均串联有电流采集器，所述电源ⅰ、电源ⅱ的供电线路均并联有电压采集器，所述电流采集器、电压采集器的信号输出端均连接控
制器，且控制器的控制端分别连接电源进线断路器k1、电源进线断路器k2；所述电源进线断路器k1、电源进线断路器k2为采用快速涡流斥力技术的真空断路器，合闸时间为8-12ms，分闸时间为4-5ms，所述控制器采用最小二乘法原理进行快速识别，在发生短路故障后1-3ms识别出短路电流的幅值并预测出过零点。本发明优选先进的快速涡流斥力技术的真空断路器，作为电源进线断路器k1、电源进线断路器k2，可以做到合闸时间10ms左右，分闸时间控制在5ms左右，便于快速分合闸，占地面积小。且本发明优选的控制器采用最小二乘法原理进行快速识别，用2ms数据拟合电流、电压、频率曲线并提取幅值、相角和过零点且加入2%白噪声验证鲁棒性，可以在发生短路故障后2ms左右识别出短路电流的幅值并预测出过零点，便于提高判断控制的速率。
21.当系统正常运行时，电源进线断路器k1/电源进线断路器k2处于合闸位置、电源进线断路器k2/电源进线断路器k1处于分闸位置，所述重要生产设备由电源ⅰ/电源ⅱ供电，所述控制器通过电流采集器提供的电流信号和电压采集器提供的电压信号实时监测系统的工作状态。
22.当控制器监测到电源侧发生电压暂降时，控制器发出控制指令，控制电源进线断路器k1/电源进线断路器k2分闸，电源进线断路器k2/电源进线断路器k1合闸，将电源从电源ⅰ/电源ⅱ切换到电源ⅱ/电源ⅰ。
23.在电压暂降时，整体切换投入时间≤30ms，其中控制器判断时间≤10ms，电源进线断路器k1、电源进线断路器k2分闸时间≤5ms、合闸时间≤12ms，短路开断容量为31.5ka。
24.当主用的电源ⅰ/电源ⅱ出现故障，控制器监测到备用的电源ⅱ/电源ⅰ出现电压低于要求值、缺相运行、不平衡故障时，控制器不发出切换指令；当控制器计算主用的电源与备用的电源相角差太大时，控制器不发出切换指令；当控制器监测到电流方向内网短路时，控制器不发出切换指令。所述电源进线断路器k1、电源进线断路器k2内置相互闭锁模块，用于控制电源进线断路器k1、电源进线断路器k2中只能一台合闸。具体为：采用合理的电气闭锁机制，保证其：（1）区内网短路时装置不切换，由原用户微机综保动作，相应断路器开断切除故障；（2）外网短路或失电时，装置完成切换；（3）切换闭锁条件，以下状态时不切换。
25.①
装置监测到备用电源电压过低、缺相运行或严重不平衡故障时；
②
快速控制器计算主电源与备用电源相角差太大时；
③
装置检测电流方向内网短路时；
④
两台开关相互闭锁，保证一台合闸。
26.论述例：现有防电压暂降方法及问题（1）、防电压暂降交流接触器防电压暂降交流接触器是针对普通接触器在电压暂降时自动释放的特点而改进的。简单的如节能型交流接触器，其逻辑是降低接触器释放电压的门槛值。当电压暂降发生、电压跌至接触器的维持电压以下时，模块以储能释放的方式保持接触器继续吸合，当电压恢复后又继续储能。此类接触器维持电压可调，并可预设门限时间，不依赖辅助电源。这
种接触器应用来，对雷电、短时重合闸造成的瞬间电压暂降起了较好的作用，但是对永久性短路故障或者时间稍长的、其他原因造成的电压暂降或失电显然是无法发挥作用的，因为其本质不具备备用电源投入功能，当负荷电源必须切换时，任何以防瞬时抖动为目的的方法措施都是无能为力的。
27.（2）、不间断电源（ups）目前业内采用ups预防电压暂降的做法有2种：其一是简单小功率的ups只给二次元件如接触器的控制回路供电，这种方法与前所述的方法本质是一样的，功能结果也相同。其二是对主回路的设备，包括变频器和电动机实现电网与ups的不间断切换，这种方法的成本代价极高，即使短时间的主回路供电，其成本也是不可想象的。而且这种方法短时之后，也必须依靠备自投的功能切换到电网备用电源。
28.（2）、已有的快速切换装置存在的问题根据电压暂降的需求，以及上述多种措施的不足，已经有企业意识到了实现快速切换装置的必要性，并提出了快速切换、首次同相切换、剩余电压切换、延时切换等多种方式。但是分析则可发现这些
‘
快速切换装置’立足的基础都是存在不足的。
29.某些快切装置使用的是常规的断路器，却认为断路器合闸的时间在数毫秒内完成，完全脱离了现实。
30.由于断路器的固有时间和离散度，无法捕捉特定时刻进行分合闸的操作。
31.这些设备和其多种切换方式，混淆了短路和开路，认为短路状态下十多个周波后仍然有较强的电压。
32.由于一路负载侧发生故障，故障未排除就切换导致另外一路电源也发生跳闸事故，导致全厂停电。
33.经过大量的试验和计算总结如下：
★ꢀ
开关电源、交流接触器、低压继电器可容忍电压暂降的时间一般为20～30ms。
34.★ꢀ
电磁阀可容忍电压暂降的时间不大于40ms。
35.★ꢀ
电动机群可容忍电压暂降的时间不大于30ms。
36.当前对电压暂降和失电的方法存在的问题，主要还是断路器的固有动作时间在40ms以上，不能满足变频器、电机和开关电源等的要求；综合前面所述，开关分闸与合闸动作的快慢，是电压暂降和失电现象的根本，也是解决危害的根本。解决企业电压暂降和失电的根本在于快速切换。真正的快速切换，必须要求断路器分合闸机构动作时间和控制器短路故障识别时间足够快。只有这样电压的幅值、相位、频率变化较小，才不会对用户的敏感负荷产生影响。
37.由此，本发明的真空断路器（电源进线断路器k1、电源进线断路器k2）采用先进的快速涡流斥力技术，可以做到合闸时间10ms左右，分闸时间控制在5ms左右；其控制切换的控制器采用最小二乘法原理进行快速识别，用2ms数据拟合电流、电压、频率曲线并提取幅值、相角和过零点且加入2%白噪声验证鲁棒性，可以在发生短路故障后2ms左右识别出短路电流的幅值并预测出过零点。切换系统整体切换时间要求（控制器+真空断路器总共时间）：当外网失电或短路时，快切动作，控制器发出：主断路器分闸，备用断路器合闸指令，将电源从i/ii切换到ii/i，整体快切投入时间≤30ms。其中控制器判断时间≤10ms；执行部件断路器分闸时间≤5ms，合闸时间≤12ms。极短的时间内切断故障线路，躲过各电气敏感元件的
电压暂降忍受时间，实现重要生产设备在外网故障时连续运行。
38.本发明优选先进的快速涡流斥力技术的真空断路器，作为电源进线断路器k1、电源进线断路器k2，可以做到合闸时间10ms左右，分闸时间控制在5ms左右，便于快速分合闸，躲过各电气敏感元件的电压暂降忍受时间，且占地面积小。同时，本发明优选的控制器采用最小二乘法原理进行快速识别，用2ms数据拟合电流、电压、频率曲线并提取幅值、相角和过零点且加入2%白噪声验证鲁棒性，可以在发生短路故障后2ms左右识别出短路电流的幅值并预测出过零点，便于提高判断控制的速率，躲过各电气敏感元件的电压暂降忍受时间。另外，本发明整体快切投入时间≤30ms，短路开断容量31.5ka，做到真正的无扰动切换，保证重要生产设备的连续供电。
39.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

技术特征：
1.一种化工煤气净化设备电源故障切换系统，包括电源进线断路器k1、电源进线断路器k2、控制器、电源ⅰ和电源ⅱ，其特征在于：所述电源ⅰ和电源ⅱ的供电线路连接重要生产设备，所述电源进线断路器k1、电源进线断路器k2分别串联在电源ⅰ、电源ⅱ的供电线路上，所述电源ⅰ、电源ⅱ的供电线路均串联有电流采集器，所述电源ⅰ、电源ⅱ的供电线路均并联有电压采集器，所述电流采集器、电压采集器的信号输出端均连接控制器，且控制器的控制端分别连接电源进线断路器k1、电源进线断路器k2；所述电源进线断路器k1、电源进线断路器k2为采用快速涡流斥力技术的真空断路器，合闸时间为8-12ms，分闸时间为4-5ms，所述控制器采用最小二乘法原理进行快速识别，在发生短路故障后1-3ms识别出短路电流的幅值并预测出过零点。2.根据权利要求1所述的一种化工煤气净化设备电源故障切换系统，其特征在于：所述控制器采用最小二乘法原理进行快速识别，用2ms数据拟合电流、电压、频率曲线并提取幅值、相角和过零点，且加入2%白噪声验证鲁棒性。3.根据权利要求2所述的一种化工煤气净化设备电源故障切换系统，其特征在于：所述重要生产设备包括煤气鼓风机变频器、循环氨水泵电机、煤气净化循环水泵电机，且重要生产设备接于电源进线断路器k1、电源进线断路器k2的出口侧。4.根据权利要求1所述的一种化工煤气净化设备电源故障切换系统，其特征在于：当系统正常运行时，电源进线断路器k1/电源进线断路器k2处于合闸位置、电源进线断路器k2/电源进线断路器k1处于分闸位置，所述重要生产设备由电源ⅰ/电源ⅱ供电，所述控制器通过电流采集器提供的电流信号和电压采集器提供的电压信号实时监测系统的工作状态。5.根据权利要求4所述的一种化工煤气净化设备电源故障切换系统，其特征在于：当控制器监测到电源侧发生电压暂降时，控制器发出控制指令，控制电源进线断路器k1/电源进线断路器k2分闸，电源进线断路器k2/电源进线断路器k1合闸，将电源从电源ⅰ/电源ⅱ切换到电源ⅱ/电源ⅰ。6.根据权利要求5所述的一种化工煤气净化设备电源故障切换系统，其特征在于：在电压暂降时，整体切换投入时间≤30ms，其中控制器判断时间≤10ms，电源进线断路器k1、电源进线断路器k2分闸时间≤5ms、合闸时间≤12ms，短路开断容量为31.5ka。7.根据权利要求6所述的一种化工煤气净化设备电源故障切换系统，其特征在于：当主用的电源ⅰ/电源ⅱ出现故障，控制器监测到备用的电源ⅱ/电源ⅰ出现电压低于要求值、缺相运行、不平衡故障时，控制器不发出切换指令；当控制器计算主用的电源与备用的电源相角差太大时，控制器不发出切换指令；当控制器监测到电流方向内网短路时，控制器不发出切换指令。8.根据权利要求7所述的一种化工煤气净化设备电源故障切换系统，其特征在于：所述电源进线断路器k1、电源进线断路器k2内置相互闭锁模块，用于控制电源进线断路器k1、电源进线断路器k2中只能一台合闸。

技术总结
本发明提供了一种化工煤气净化设备电源故障切换系统，涉及电源切换技术领域，包括电源进线断路器K1、电源进线断路器K2、控制器、电源Ⅰ和电源Ⅱ，所述电源Ⅰ和电源Ⅱ的供电线路连接重要生产设备，所述电源进线断路器K1、电源进线断路器K2分别串联在电源Ⅰ、电源Ⅱ的供电线路上，所述电源Ⅰ、电源Ⅱ的供电线路均串联有电流采集器，所述电源Ⅰ、电源Ⅱ的供电线路均并联有电压采集器；本发明优选先进的快速涡流斥力技术的真空断路器，作为电源进线断路器K1、电源进线断路器K2，可以做到合闸时间10ms左右，分闸时间控制在5ms左右，便于快速分合闸，躲过各电气敏感元件的电压暂降忍受时间，且占地面积小。地面积小。地面积小。


技术研发人员：房晓鹏 邵瑞 周明星 周波
受保护的技术使用者：临涣焦化股份有限公司
技术研发日：2022.12.30
技术公布日：2023/7/12