一种双电源快速切换系统的制作方法

本发明属于矿井通风技术领域，具体涉及一种双电源快速切换系统。

背景技术：

矿井主通风机是煤矿的关键设备之一，其任务是向井下作业场所连续不断地输送新鲜空气，以冲淡并排出井下煤岩层中涌出或在煤炭生产过程中产生的一切有毒、有害、有窒息性、可燃烧或爆炸性的气体、粉尘和水蒸气，进而调节井下的气候条件，创造良好的生产环境，保证机械设备的正常运转，保障作业人员的健康和安全，达到安全生产的目的；因为《煤矿安全规程》规定，煤矿在地面必须安装2套等能力的主通风装置，其中1套备用，必须保证主通风机的连续运转，当通风机停止5分钟以上，就要求切断井下工作电源，井下工作人员必须撤离到安全区，通风机停止超过10分钟以上，就视为煤矿特大事故，所有人员必须撤离井下。所以每个煤矿都得制定主通风系统停风紧急预案。

据不完全统计，造成煤矿大范围停风的原因有三点：(1)上级输电单位或输电线路发生故障；(2)主扇配电室开关柜发生故障；(3)主扇风机发生故障；第二点和第三点故障可以通过日常检修避免，而第一点故障是不可预见的。所以，造成煤矿大范围停风的80％原因是由于外部电源失电引起的，一旦某一路外部电源出现故障，必须在最短时间内切换到另一路电源。

而目前，大多数煤矿对于风机电源的切换都是靠人工完成，在正常倒机情况下下，经过培训的技术操作人员都能完成此项工作，但在出现外部电源失电情况下，操作人员由于紧张，在切换时间上必然会滞后，且还可能因操作不当，引起更大的故障发生。

因此，在煤矿通风装置中，需要提供一种能够自动快速切换的系统是非常必要的。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种双电源快速切换系统，可以实现在正常情况下，备用电源与工作电源之间双向切换；故障或不正常情况下，工作电源向备用电源单向切换；能大大提高煤矿通风系统用电切换的成功率，避免非同期切换对设备的冲击损坏，简化切换操作并减少误操作，提高通风机的安全运行和自动控制水平。

本发明提供了一种双电源快速切换系统，所述双电源快速切换系统包括1#进线电源、2#进线电源、1#进线pt、2#进线pt、快切装置、母线1、母线2、1#电机、2#电机和5个断路器，所述5个断路器分别为：1dl、2dl、3dl、4dl、5dl，所述1#进线电源与所述1dl和所述1#进线pt分别连接，所述1dl连接至母线1，所述母线1通过4dl连接至1#电机，所述2#进线电源与所述2dl和所述2#进线pt分别连接，所述2dl连接至母线2，所述母线2通过5dl连接至2#电机，所述母线1和母线2直接连接有3dl，所述快切装置与所述断路器之间通过信号连接。

优选地，所述快切装置与所述断路器之间通过以下信号连接：合闸指令、分闸指令、开关状态。

优选地，所述快切装置采用双cpu加pld结构。

优选地，所述快切装置包括模拟信号输入器、、过零比较器、cpu处理器、打印机、光子牌、液晶显示器、开关量信号输入器、光电隔离器、pld逻辑器件、动作断路器、键盘和上位机，所述cpu处理器包括cpu1和cpu2，所述模拟信号输入器通过连接至所述cpu1的a/d端口，所述过零比较器一端连接在所述互感器隔离装置和a/d端口之间，另一端连接至所述cpu1的his端口，所述打印机、光子牌、液晶显示器、cpu2的i²c总线分别与所述cpu1连接，所述开关量信号输入器、光电隔离器、pld逻辑器件、动作断路器依次连接，所述pld逻辑器件连接至所述光电隔离器的一端连接至所述cpu1的一个端口，所述pld逻辑器件的另一端与所述cpu1互相连接,所述键盘和上位机分别与所述cpu2连接，所述液晶显示器连接至所述cpu2。

优选地，所述cpu1监测所述双电源快速切换系统的模拟量信号和开关量信号，在切换过程中记录切换数据，其高速输入hsi的分辨率为1.33μs。

优选地，所述cpu2用于完成人机对话处理及显示功能，所述cpu1和所述cpu2之间通过i2c总线方式联络。

优选地，所述双电源快速切换系统的切换方式包括正常切换、不正常切换和故障切换，所述正常切换和故障切换都分别包括串联切换和并联切换。

优选地，所述故障切换的串联切换和并联切换方式具体为：

串联切换，由反映工作电源故障的保护出口起动装置，先跳开工作电源，如此时同期条件满足并确认工作电源已跳开，然后合上备用电源；

并联切换，由反映工作电源故障的保护出口起动装置发出工作电源跳闸命令，如此时同期条件满足，装置同时发出备用电源合闸命令。

优选地，所述不正常切换是由母线非故障性低压引起的切换，由工作电源切换至备用电源，所述不正常切换分为以下两种情况：a.母线三相电压持续低于设置值的时间超过所设定的延时，装置自动跳开工作电源，投入备用电源；b.由于工作电源断路器误跳，装置自动投入备用电源。

优选地，所述双电源快速切换系统包括以下启动方式：

手动起动，手动起动方式多用于进线检修或故障后进线恢复时使用，由人工通过开入量起动装置的切换功能。

保护起动，将线路/线变组/主变等电源侧设备的快速主保护接点引入到快切装置中，系统正常运行时，一旦检测到电源侧主保护动作，系统立即起动切换，断开故障线路，投入备用电源。

误跳起动，当系统正常运行时，若本处于合位的开关跳开且进线无流，则装置起动切换，合上另一侧电源以保证母线供电。

失压起动，装置提供失压检进线电压和失压检进线电流两种判据供用户选择，并通过“失压起动检进线u”控制字来进行选择。

和最接近的现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明所提供的一种双电源快速切换系统,采用本发明的方案能够实现：

(1)在切换过程中，装置实时跟踪开关两侧电源的电压、频率和相位，并提供了多种可靠的起动方式和切换实现方式，能够保证快速安全的投入备用电源，同时不会对电动机造成大的冲击。

(2)能随时实现主通风机两趟电源的自由无缝切换，方便维护人员及时检修且降低了劳动强度。

(3)当某一路电源出现问题后，在不需要人员参与的情况下自动无缝切换到另外一路电源，提高了通风机的安全性和可靠性。

(4)解决了因维护人员操作不当而引起的对主通风机电动机的绝缘伤害，提高了电动机的寿命。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明一种双电源快速切换系统的电动机切换的等值电路图；

图2为本发明一种双电源快速切换系统的电动机切换的等值电路对应的向量图；

图3为本发明一种双电源快速切换系统的电动机切换的母线残压向量轨迹图；

图4为本发明一种双电源快速切换系统的系统结构示意图；

图5为本发明一种双电源快速切换系统的快切装置结构示意图；

图6为本发明一种双电源快速切换系统的手动并联切换方式逻辑示意图；

图7为本发明一种双电源快速切换系统的故障并联切换逻辑示意图；

图8为本发明一种双电源快速切换系统的手动及故障串联切换逻辑示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

为了彻底了解本发明实施例，将在下列的描述中提出详细的结构。显然，本发明实施例的施行并不限定于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

本实施例以电动机负载变电所母线在系统失电情况下的残压变换暂态过程作为对象，结合图1-图2，图1为本发明一种双电源快速切换系统的电动机切换的等值电路图；图2为本发明一种双电源快速切换系统的电动机切换的等值电路对应的向量图；对于电动机负荷的母线来讲，当母线失电时，由于电动机仍与母线侧相连，在母线失电后，由于电动机电感能量的转移，其机端电压仍然存在，被称为残压。残压的衰减程度与母线的负载特性有关；由于残余电压的存在，如果进线开关断开后，母联很快合闸，很可能会出现很大的合闸冲击电流；冲击电流的大小与合闸瞬间电压大小和相位相关，过大的冲击电流会给电机或电源造成故障或合闸失败。

首先，对上述快速切换过程中测的电动机残压进行分析，电动机切换电路的等值模型如图1所示，图中，各变量的物理意义如下：us---电源电压；ud---母线上电动机的残压；xs---电源等值电抗；xm---母线上电动机和低压负载的等值电抗；δu---电源电压和残压之间的差拍电压；由图中可以看出，电源电压和电动机残压二者之间的夹角θ不同，对应不同的δu值，如θ＝180°，δu最大，如果此时合上电源，对电动机的冲击最严重。

根据母线上电动机的残压特性和电动机耐受电流的能力，在极坐标上可绘出母线残压向量轨迹，见图3，图3为本发明一种双电源快速切换系统的电动机切换的母线残压向量轨迹图，当电动机切换到电源时，电动机上的电压um为：

为保证电动机安全起动，um应小于电动机的允许起动电压，一般来说，其允许值为电动机额定电压ude的1.1倍，令

得：

um＝δu×k＝1.1ude

则可得：

假设xs∶xm＝1∶2，则k＝0.67，那么δu(％)＝1.64，在图三中，以a为圆心，以1.64为半径绘出弧线a′-a′′，则a′-a′′的右侧为备用电源允许合闸的安全区域，左侧则为不安全区域，若取k＝0.95，则δu(％)＝1.15，则以a点为中心的弧线就右移到b′-b″，那么b′-b′′的左侧均为不安全区域。由此可见k值越大，安全区越小。

本实施例的切换方式有三种：快速切换、同期捕捉切换、残压切换、长延时切换，具体为：

①快速切换；在图三中，假定正常运行时1#进线电源和2#进线电源同相，其电压向量端点为a，则1#母线失电后残压向量端点将沿残压曲线由a向b方向移动，如果在a-b段内合上备用电源，则既能保证电动机安全，又不使电动机转速下降太多，这就是所谓的“快速切换”，这也是双电源切换中最理想的切换方式。在实际工程应用中，是否能实现快速切换，主要取决于工作电源与备用电源间的固有初始相位差、快切装置起动方式、备用开关的固有合闸时间以及母线段当时的负载情况等。例如：假定目标相位差为不大于60°，初始相位差为10°(备用电源电压超前)，在合闸固有时间内平均频差为1hz，固有合闸时间为100ms，根据图三，合闸时的相差约为40°，或者倒过来讲，只要起动时相位差小于30°，则合上闸时的相差肯定小于60°；相同条件下，若初始相差大于30°，或合闸时间大于140ms，则无法保证合闸瞬间相位差小于60°；

②同期捕捉切换；在图三中，当度过b点后b-c段为不安全区域，则需等待达到c点之后的安全区域。此刻根据实时的频差和相差变化，捕捉反馈电压与备用电源电压第一次相位重合点实现合闸，这就是同期捕捉切换。在快速切换装置中，由于电源母线电压(事故切换时为残压)的采样采用自动频率跟踪技术，各电源电压的频率、相位及相位差采用软件测量，使得残压幅值计算的准确性及各相位计算的准确性、可靠性得到了有效地保证。在同期判别过程中，装置计算出目标电源与残压之间相角差速度及加速度，按照设定的目标电源开关的合闸时间进行计算得出合闸提前量，从而保障了在残压与目标电压向量在第一次相位重合时合闸；

在实际工程应用时，可以做到在零点附近很小的范围内切换，如±5°。一般同期捕捉切换时母线电压为65％-75％额定电压，电动机转速不至于下降很大，通常仍能顺利自起动。另外，由于两电压同相，备用电源合上时冲击电流较小，不会对设备及系统造成危害；

③残压切换；当母线电压(残压)下降至20％～40％额定电压时实现的切换称为“残压切换”，该切换可作为快速切换及同期捕捉切换的后备，以提高电源切换的成功率。特别说明目前工业企业广泛使用的中大型感应电动机具有电动机端电压下降到接近额定电压的60％时，电动机将大量吸取无功并且有功(转矩)急剧下降，这说明如果备用电源在母残压衰减到该临界电压以下时再接入会严重恶化电动机的自起动条件甚至使电动机自起动失败，同时使母线残压下降到该临界电压因过流和低电压而跳闸，因此为保证生产过程的连续性，备用电源应在临界电压之前投入。所以残压切换只是在大部分机组停机之后作为后备切换；

④长延时切换；当某些情况下，母线上的残压有可能不易衰减，此时如残压定值设置不当，可能会推迟或不再进行合闸操作。因此在该装置中另设了长延时切换功能，作为以上三种切换的总后备。

本实施例的一种双电源快速切换系统的结构组成图见图4，结合图3和图4，图4为本发明一种双电源快速切换系统的系统结构示意图；本发明在在原有高压系统基础上增加两台pt柜，安装在进线断路器前端，用于进线电压有无判断、相位检测和频率检测，所述快切装置和断路器之间的联络信号有：合闸指令、分闸指令、开关状态等；图中双电源快速切换系统包括1#进线电源、2#进线电源、1#进线pt、2#进线pt、快切装置、母线1、母线2、1#电机、2#电机和5个断路器，所述5个断路器分别为：1dl、2dl、3dl、4dl、5dl，所述1#进线电源与所述1dl和所述1#进线pt分别连接，所述1dl连接至母线1，所述母线1通过4dl连接至1#电机，所述2#进线电源与所述2dl和所述2#进线pt分别连接，所述2dl连接至母线2，所述母线2通过5dl连接至2#电机，所述母线1和母线2直接连接有3dl，所述快切装置与所述断路器之间通过信号连接。

结合图5，图5为本发明一种双电源快速切换系统的快切装置结构示意图；本实施例的快切装置包括模拟信号输入器、互感器隔离装置、过零比较器、cpu处理器、打印机、光子牌、液晶显示器、开关量信号输入器、光电隔离器、pld逻辑器件、动作断路器、键盘和上位机，所述cpu处理器包括cpu1和cpu2，所述模拟信号输入器通过连接至所述cpu1的a/d端口，所述过零比较器一端连接在所述互感器隔离装置和a/d端口之间，另一端连接至所述cpu1的his端口，所述打印机、光子牌、液晶显示器、cpu2的i²c总线分别与所述cpu1连接，所述开关量信号输入器、光电隔离器、pld逻辑器件、动作断路器依次连接，所述pld逻辑器件连接至所述光电隔离器的一端连接至所述cpu1的一个端口，所述pld逻辑器件的另一端与所述cpu1互相连接,所述键盘和上位机分别与所述cpu2连接，所述液晶显示器连接至所述cpu2。

本实施例的快切装置采用双cpu加pld结构，图中cpu1是装置的主要核心，监测模拟量信号和开关量信号，在切换过程中记录切换数据，其高速输入hsi的分辨率为1.33μs，数据处理能力强大，使相差、频差的跟踪计算快速准确，完全满足厂用电同期检定和快速切换的要求。cpld模块完成切换逻辑功能，切换时cpu1提供切换同期切换允许信号。cpu2完成人机对话处理及显示功能，cpu1和cpu2之间通过i2c总线方式联络，cpu1在空闲时向cpu2传送显示数据。双cpu同时工作，可以保证立即响应外部信号，可靠进行切换和故障处理，实现切换的零等待。各主要模块功能专一，相互关系简单可靠，由于各模块并行协同工作，装置工作效率高。在同期条件满足的情况下，保护切换跳工作响应时间小于3ms，合备用切换响应时间小于10ms；所述cpu2用于完成人机对话处理及显示功能，所述cpu1和所述cpu2之间通过i2c总线方式联络。

本实施例双电源快速切换系统的切换方式包括正常切换、不正常切换和故障切换，所述正常切换和故障切换都分别包括串联切换和并联切换，

正常切换：正常切换是指正常情况下进行的厂用电源切换。通过控制台开关手动起动装置，完成从工作电源到备用电源，或由备用电源到工作电源的双向切换。正常切换分为串联切换和并联切换两种方式；串联切换：手动起动装置，先跳开工作(备用)电源，如果同期条件满足，则合上备用(工作)电源；并联切换：手动起动装置，经同期检定后，先合上备用(工作)电源，确认合闸成功后，再自动跳开工作(备用)电源；其中，手动并联切换方式逻辑如图6所示,图6为本发明一种双电源快速切换系统的手动并联切换方式逻辑示意图；

故障切换：故障切换是指由于工作电源故障而引起的切换。它是单向的，只能由工作电源切至备用电源，故障切换也分为串联切换和并联切换两种方式：串联切换，由反映工作电源故障的保护出口起动装置，先跳开工作电源，如此时同期条件满足并确认工作电源已跳开，然后合上备用电源；并联切换，由反映工作电源故障的保护出口起动装置发出工作电源跳闸命令，如此时同期条件满足，装置同时发出备用电源合闸命令。备用电源合闸命令也可经设置的延时后再发出，这样可以避免由于工作电源跳闸时间长于备用电源合闸时间，造成备用电源投在故障回路而跳闸，致使切换失败，故障范围扩大。

同期捕捉及慢速切换和长延时切换：上述切换过程中，如不满足所设定的同期条件，而不能进行快速切换，但频差又小于6hz时，装置自动转入同期捕捉状态，根据母线电压相位变化速率及断路器固有合闸时间，连续实时计算相位差，在频差允许范围内，捕捉合闸时机，使得合闸完成时相位差接近零度。如果同期捕捉不成功，装置再自动转入慢速切换状态，待母线残压下降到设定值，合上备用电源。在某些情况下母线上残压可能不容易衰减，或残压切换参数设置不合理，可能会推迟或不再进行合闸操作。装置中的长延时切换是其它切换方式的后备补充；其中，故障并联切换逻辑和故障串联切换逻辑分别如图7和图8所示，图7为本发明一种双电源快速切换系统的故障并联切换逻辑示意图；图8为本发明一种双电源快速切换系统的手动及故障串联切换逻辑示意图，其中图七同样适用于手动串联切换。

不正常切换：不正常切换是由母线非故障性低压引起的切换，它是单向的，只能由工作电源切换至备用电源。不正常切换分为以下两种情况：

(1)母线三相电压持续低于设置值的时间超过所设定的延时，装置自动跳开工作电源，投入备用电源；

(2)由于工作电源断路器误跳，装置自动投入备用电源。

所谓“误跳”是指在装置没有发跳闸命令的情况下，工作电源断路器跳开，有两种可能：一种是工作电源断路器受控跳闸，另一种是真正意义的误动跳闸。

本实施例的双电源快速切换系统包括以下启动方式：

手动起动：手动起动方式多用于进线检修或故障后进线恢复时使用，由人工通过开入量起动装置的切换功能。手动起动功能非常灵活，可以实现1dl到3dl之间的互相切换，也可以实现2dl和3dl之间的互相切换。

保护起动：将线路/线变组/主变等电源侧设备的快速主保护接点引入到快切装置中，系统正常运行时，一旦检测到电源侧主保护动作，系统立即起动切换，断开故障线路，投入备用电源。

误跳起动：当系统正常运行时，若本处于合位的开关跳开且进线无流，则装置起动切换，合上另一侧电源以保证母线供电。

失压起动：装置提供失压检进线电压和失压检进线电流两种判据供用户选择，并通过“失压起动检进线u”控制字来进行选择。当“失压起动检进线u”控制字为1时，如果装置检测到母线三相电压与进线电压均低于失压起动整定值，则经整定延时装置起动切换功能。当“失压起动检进线u”控制字为0时，当检测到母线三相电压均低于失压起动整定值且进线无流，经整定延时装置起动切换功能。

本发明所提供的一种双电源快速切换系统,采用本发明的方案能够实现：

(1)在切换过程中，装置实时跟踪开关两侧电源的电压、频率和相位，并提供了多种可靠的起动方式和切换实现方式，能够保证快速安全的投入备用电源，同时不会对电动机造成大的冲击。

(2)能随时实现主通风机两趟电源的自由无缝切换，方便维护人员及时检修且降低了劳动强度。

(3)当某一路电源出现问题后，在不需要人员参与的情况下自动无缝切换到另外一路电源，提高了通风机的安全性和可靠性。

(4)解决了因维护人员操作不当而引起的对主通风机电动机的绝缘伤害，提高了电动机的寿命。

可以实现在正常情况下，备用电源与工作电源之间双向切换；故障或不正常情况下，工作电源向备用电源单向切换；能大大提高煤矿通风系统用电切换的成功率，避免非同期切换对设备的冲击损坏，简化切换操作并减少误操作，提高通风机的安全运行和自动控制水平。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。