杨 瓅1，黄正波

(1. 重庆电力高等专科学校，重庆400053；2.国网重庆市电力公司 北碚供电分公司，重庆400700)

随着大容量设备的迅速发展，现代工厂对厂用电可靠性要求越来越高，厂用电系统的安全可靠性关系到电动机组和工厂生产的安全，甚至关系到整个系统的安全运行。厂用电系统的任何故障都会影响工厂的正常生产活动，其中重要负荷的意外停机还可能导致重大的国民经济损失、重大的政治影响或者人员伤亡等严重事故。

重要负荷对供电可靠性有特别高的要求。根据《工业与民用供配电系统设计规范》中规定：一级负荷属重要负荷, 要求应由两个电源供电, 相互间可备用互投；每一个电源应能承受全部用电负荷；当任一个电源发生故障时, 另一个电源不至于同时受到损坏；对于特别重要负荷, 还必须增设应急电源, 并严禁将其他负荷接入应急供电系统。

重庆是中华人民共和国4个直辖市之一，地处中国西南，工业实力雄厚，是中国重要的现代制造业基地。现代工业生产过程中使用了大量电力驱动的大型设备。设备的供电方案选择及供电可靠性直接影响工业企业的日常运行及生产安全。重庆方正高密电子有限公司是重庆地区具有代表性的电子企业，对供电可靠性有较高要求。在此通过对重庆方正高密电子有限公司进行调研，了解该公司的负荷概况，掌握其现有的供电方案，通过仿真备用电源自动投入装置，分析现有供电方案下的供电可靠性。

1 公司重要负荷概况

重庆方正高密电子有限公司(以下简称“方正公司”)位于重庆西永微电子工业园内，主要生产软板、软硬结合板、普通多层板、背板、封装基板等PCB产品，是重庆地区较有代表性的电子企业。

PCB板的生产过程对供电质量有较高的要求。方正公司现有负荷容量为13 200 kVA，主要为转动电机负荷。该企业由西永顺山变电站的两路10 kV供电线路分别对厂区内的两条0.4 kV母线独立供电，保证两条母线上所带负荷的正常供电。

方正公司主要的重要负荷包括空气压缩机、冷冻设备、锅炉站、导热油炉、纯水站、排风排烟设备、事故照明设备、控制指示灯等。

1)空气压缩机主要用于对生产过程中的大部分设备提供动力，保证生产线的正常工作。空气压缩机失电将造成生产设备停转，正常生产过程中断。

2)冷冻设备主要用于保持生产环境的恒温状态。电子产品在生产过程中对环境温度要求较高，一般为(24±2) ℃。冷冻设备失电，将造成环境温度的不稳定，影响产品质量。

3)锅炉站、导热油炉、纯水站主要用于生产用油的加热、运输及高纯度水的生产运输，保证生产线一些设备的温度稳定及生产过程中产品的清洗。若出现失电，将直接影响产品质量。

4)排风排烟设备、事故照明设备主要在厂区出现火灾、地震等紧急情况时，对厂区进行排风排烟，保证工作人员的安全，该类负荷属于一类负荷，配有备用电源。

5)控制指示灯负荷主要用于为工作人员指示当前设备的工作状态，在事故处理中占据重要位置，属于一类负荷，配有备用电源。

2 公司现有的供电方案仿真

现代企业大多采用流水线式生产，一条流水线中任何用电负荷失电都将导致整个流水线生产的停止。同时，一条生产流水线的用电负荷往往较大，如果采用“一主一备”方式，则会大大增加投资，导致设备的重复投资和大量浪费。

以方正公司生产线供电系统为例，空压机、水泵、油泵等负荷对于方正公司的正常生产具有十分重要的作用，空压机是其他生产设备的重要动力来源。空压机失电，会直接影响方正公司的正常生产。水泵、油泵是传输冷却水、热油，是保证生产安全的重要负荷。建立仿真模型如图1所示。

图1 运行中必须停机的大容量电机

在该仿真模型中，空压机、油泵、水泵等效为各类电动机，其总功率为7 000 kW。故障位置设置在系统侧。系统于4.8 s以后工作于稳定状态；5 s时刻工作电源线路上发生故障，断路器断开，工厂侧失电。

对所建模型进行仿真，如图2所示。如图2(a)和图2(b)所示，故障发生前，支路1和支路2的电机转速、端电压都接近一致。如图2(c)和图2(d)所示，经过失电1.5 s后，电动机负载停运。在电动机失电过程中，电动机转速和端电压缓慢下降。

对于大容量负荷，一方面由于该类负荷容量较大，价格昂贵，一般不配置备用设备；另一方面，由于所需备用电源容量较大，目前的柴油发电机、UPS无法满足该类负荷要求，而且大容量UPS的电池连接的实现也存在技术困难。该类设备的用电安全受到较大威胁。

图2 电机转速、端电压、有功功率、无功功率变化曲线

由于存在较高的残压，如果采用一般的备用电源自动投入装置，容易对备用电源、电动机、变压器等设备造成冲击，成功率不高。

3 备用电源自动投入装置的仿真

假设对图1中所述的大容量重要负荷设置备用电源，并采用备用电源自动投入装置实现重要负荷快速投切，可建立如图3所示的模型。

在此模型中，工作电源于4.95 s时刻发生故障，开关于5 s时刻动作断开，工厂侧失电。残压衰减速度较慢，经过1.5 s后，残压衰减至0。以下对不同运行情况下，采用备用电源自动投入装置切换至备用电源的效果进行仿真。

图3 带备用电源的大容量重要负荷

1)备用电源相角超前工作电源60°

失电50 ms后投入备用电源：从图4可见，在备用电源切换过程中，电动机最低转速为0.88 pu，支路1有功功率约为正常工作有功功率的5倍，支路2有功功率约为正常工作有功功率的2.5倍，切换效果较好。

图4 电动机转速、有功功率、无功功率变化曲线

失电100 ms后投入备用电源：从图5可见，在备用电源切换过程中，支路1和支路2的电动机均无法连续工作。

图5 电动机转速、有功功率、无功功率变化曲线

2)备用电源相角超前工作电源180°

失电50 ms后投入备用电源：从图6可见，在备用电源切换过程中，支路1和支路2的电动机均无法连续工作。

图6 电动机转速、有功功率、无功功率变化曲线

失电100 ms后投入备用电源：从图7可见，在备用电源切换过程中，支路2的电动机无法连续工作。

图7 电动机转速、有功功率、无功功率变化曲线

4 结论

通过仿真可得知，在备用电源相角超前工作电源60°时，于失电50 ms后投入备用电源，切换效果较好；在备用电源相角超前工作电源60°时，于失电100 ms后投入备用电源，切换效果不好，支路1和支路2无法连续工作。在备用电源相角超前工作电源180°时，于失电50 ms后投入备用电源，支路1和支路2无法连续工作；在备用电源相角超前工作电源180°时，于失电100 ms后投入备用电源，支路1和支路2同样无法连续工作。

在备用电源自动投入设备的实际应用中，工作电源与备用电源间的相位关系及断路器动作的时间延时的长短，直接影响备用电源自动投入设备的投入效果。如何根据工作电源与备用电源间的相位关系选择断路器动作的时间延时长度，将决定备用电源自动投入设备的使用效果。

目前，方正公司的输电线路上未装设开关重合闸装置，任何输电线路的故障均可能造成方正公司失电。在失电情况下，重要负荷的备用电源就显得十分重要。冷冻设备、空气压缩机、锅炉站、导热油炉、纯水站等设备由于容量较大，一般备用电源无法提供足够的启动容量，不配置备用电源。当工作电源出现故障时，将导致这些负荷的停运，影响正常的生产。排风排烟设备事故照明设备、控制指示灯等属于一类负荷，配有柴油发电机、UPS作为备用电源。当工作电源出现故障时，可通过双电源转换开关将备用电源投入工作。

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