供电系统失电及电压凹陷问题的治理

李大伟

(宝钢不锈钢有限公司能源环保部，上海 200431）

供电系统失电及电压凹陷问题的治理

李大伟

(宝钢不锈钢有限公司能源环保部，上海 200431）

宝钢不锈钢有限公司供电系统由于外部事故或内部故障以及非正常停电，时常造成电网电压大幅波动或短时断电情况，造成重大损失。结合高炉风机房低压改造项目，对变电所进行了电源快切以及控制电源UPS技术改造，有效地解决了失电及电压凹陷对供电系统的影响，确保了鼓风机的安全运行。

电源快切；同期；逆功率；UPS

1 引言

失电及电压凹陷是长期困扰供电系统稳定运行的难题，根据IEEE标准规定把电压短时间下降这一现象称为电压凹陷(Voltage sag)，其定义为：供电系统中某点的工频电压均方根值突然下降至额定值的10%～90%，并在随后的10 ms～1 min的短暂持续期后恢复正常。典型的电压凹陷事件持续时间在0.5～30个周期。电压凹陷产生的原因主要包括系统运行和用户用电两方面[1]，系统方面的原因有各种短路故障、雷击致使保护动作、开关操作、变压器以及电容器组的投切等；用户方面的原因有内部短路、大型电机的启动以及轧机等冲击性负荷的投运。其中短路故障和感应电机起动是最主要的两个原因。短路故障可能引起深度电压凹陷，而电机起动可能造成较长持续时间的电压凹陷。本文结合750高炉风机房电源快切及控制电源UPS改造项目，论述了不锈钢事业部低压系统应对失电及电压凹陷措施，对今后同类380 V供电系统技术改造具有一定的借鉴意义。

2 750风机房系统简介

750高炉风机房变电所高压电源引自750高炉3#配电室，经6 kV/0.4 kV变压器送至低压变电所，变电所为单母分段运行，380 V供电系统为IT不接地系统，主要用电负荷为公司1#、2#锅炉以及750高炉鼓风机的重要辅助设备，包括锅炉给水泵，送、引风机，油泵，冷凝水泵等，变电所电气图如图1。

750风机房变电所内主要用电设备如给水泵等均由接触器控制电动机的启停，而控制电源引自380 V母线,经380 V/220 V隔离变压器送至各控制回路，所以系统出现失电或电压凹陷时，控制电源随之波动，经测试当电压值低于70%，则造成低压接触器释放，送引风机等重要辅助设备停机，从而连跳风机，造成750高炉休风，极大地影响公司铁水的产量，给生产带来巨大的经济损失。

3 380 V电源快速切换升级改造

3.1 传统备自投的原理

图1 750高炉风机房低压变电所电气图

传统备自投一般以开关变位、检无压、检无流为判据，根据以往的运行经验，备自投切换冲击电流大、投切时间长（约为0.5～1.5 s），主要原因是备自投工作原理在启动条件上，一般均采用失压启动，因为工矿企业，由于存在大量的感应电动机，母线失压后电动机惰行（性质为发电机状态，反向母线充电），反馈电压下降较慢，在短时限内维持较高水平，为了避免备用电源合上瞬间，系统电压与电动机反馈电压之间反相或是相位差过大造成过大的冲击电流（如合闸时，三相电流相位差相差120°，则相当于三相短路，给系统造成恶劣事故，烧毁设备或极大影响生产），备自投装置往往设定较长的延时和较小的低电压定值。以避开失电后母线上的残压，防止备自投装置快速切换后，由于备用电源与失电母线较大的压差、频差以及相角差，而产生巨大的系统冲击，而导致备自投切换失败或造成事故扩大。

所以，当故障发生时，即使备自投切换成功，也会由于投切时间较长，而导致母线电压损失严重，导致母线上大部分电动机类负载停机（电动机控制电源取自系统，电压降到低值将无法保持控制回路接触器可靠吸合释放，从而造成电动机停机），导致工业企业一些重要区域大面积停产。

3.2 电源快切原理及应用

为解决失电及电压凹陷对供电系统的影响，我们采用电源快速切换的方式实现重要负载的电源的在线切换，确保负荷连续运行，单母分段方式如图2。

系统正常运行时，母线1由进线1供电，母线2由进线2供电。即进线开关1DL、2DL闭合，母联开关3DL断开。当任意一路电源失去时，电源快切均能（迅速跳开失电进线开关后，合母联开关的方式）迅速投入另一侧进线电源，实现电源的快速切换。

图2 单母分段方式接线示意图（正常运行）

3.2.1 电源快切起动方式

电源快切包括保护起动、无流起动、逆功率起动三种快速起动方式，具体如下：

（1）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，一旦检测到电源侧主保护动作，装置立即起动切换，跳开故障线路开关，合上母联开关3DL，迅速投入备用电源。

（2）无流起动。当装置检测到进线电流小于无流起动整定值且频差大于无流起动频差定值时，经整定延时装置起动切换功能。逻辑图如图3。

无流起动方式主要用于进线本侧保护无法接入到装置的情形。当进线发生故障且被其他保护（可能是对侧的保护）跳开时，进线开路，频率（设定频率闭锁Fwlqd=0.5 Hz，GB/T 15945-1995《电能质量 电力系统频率允许偏差》规定，系统容量较小时，频率波动可放宽到±0.5 Hz）下降，同时电流必然迅速降低为零值，所以无流起动是应对事故仅次于保护的起动方式。

图3 无流起动逻辑图

（3）逆功率起动。当无进线快速保护接点起动装置切换时，逆功率起动可实现故障情况下的快速切换。当A、B、C任一相满足逆功率条件即进行快切起动，逆功率起动延时最少要整定为相邻线路主保护的动作时间+该进线开关的跳开时间，逆功率定义如下：

①相电流反向（定义从进线流向母线为电流正方向）；

②相电流大于0.1 A；

③线电压小于90%额定值。

保护起动、无流起动、逆功率起动，只能从“正常状态”切换到“进线1或进线2带两段母线（母联开关合闸）的运行状态”。在任一路进线失电后，实现装置的快速起动功能。

3.2.2 电源快切的实现方式

实现方式即用来描述电源快切跳事故进线开关、合备用开关的动作过程，具体如图4所示。

图4 快切实现方式逻辑图

快切启动后，立即检测失电母线和待并电源侧的压差、频差、相差，当压差|du|＜“切换压差”，且频差|df|＜“切换频差”，且相差|dq|＜“切换相差”满足切换条件后，执行快速切换，完成跳进线、合母联工作。当快速切换不成功时，同期切换作为后备切换方式。同期捕捉切换的原理是实时跟踪母线电压和备用电压的频差和角差变化，当各差值达到设定范围内时即进行投切，不必等到失电母线电压下降到低值，避免了投切过程，两段母线电气量不同产生的冲击，实现电源的快速切换（约200 ms）。

图5 快速切换电气量变化图

3.2.3 电源快切的闭锁方式

为防止快切动作于故障造成事故扩大，采用进线瞬动保护信号闭锁以及方向过流闭锁相结合方式进行改造，将进线开关QF1（QF2）的过流保护保护动作信号接入快切装置，防止母线故障时动作合闸。同时，采用方向过流闭锁方式，当电流为正方向（定义从进线流向母线的电流为正方向）且电流值大于“方向过流闭锁定值”时，装置闭锁切换，该定值大于最大负荷电流，小于本线路过流一段定值。采用事故信号与方向过流相结合闭锁的方式，避免快切于故障，确保供电系统安全运行。

4 快切与继电保护配置协调优化

单母分段运行方式进行电源快切改造后，需将继电保护与快切功能协调分析，以实现电源快切与继电保护的最优配置，改造后继电保护配置如下：

（1）无时限电流速断保护，保护装置动作电流应避开线路末端最大三相短路电流[2]，即：

Ki——电流互感器变比；

Kjx——接线系数，接于线电流时取1；

Kk——可靠系数，DL型继电器取1.2～1.3，GL型继电器取1.5～1.6。

保护装置灵敏度系数按被保护线路始端短路时，流经保护安装处的最小二相短路电流校验。

投用电源快切功能后，无时限电流速断保护，保护装置动作电流还应避开切换瞬间线路的最大冲击电流，即：

式中，Ijf——最大运行方式时，快切动作时母线的最大尖峰电流；尖峰电流可以根据快切动作时故障录波来确定，所以无时限电流速断保护依照式（1）与式（2）综合考虑确定。

（2）限时电流速断保护，保护装置动作电流应避开相邻元件（线路或变压器）末端的最大三相短路电流，还必须与相邻元件的电流速断保护动作电流相配合，即：

KP——配合系数；

Idzl——相邻元件的电流速断保护装置一次动作电流。

灵敏度系数按线路末端短路时的最小两相短路电流校验；动作时限一般取t=0.2～0.5 s，同时动作时限一定要满足t≥tq，tq为电源快切动作时尖峰电流的持续时间。

（3）后加速保护功能。为防止电源切换后合闸于故障线路，装置提供了后加速保护功能。切换过程中，在母联开关闭合后，后加速保护投入5 s。保护原理如图6。

图6 后加速保护逻辑图

5 控制回路UPS电源改造

针对电动机控制回路在电压凹陷时，接触器低电压瞬时释放问题，根据GB 50055-93《通用用电设备配电设计规范》规定，低压重要电动机必要时，可采用电压继电器和时间继电器，当电源电压中断后在规定时限内恢复时，其接触器应维持吸合状态。为了应对电压凹陷的影响，我们将750风机房变电所送引风机、给水泵等重要回路的控制电源改造为UPS电源供电，并通过电压继电器和时间继电器进行控制，依据电压凹陷基本在0.5～30个周期时间范围，改造设定为母线失电后，电动机UPS控制电源维持2 s后断电，解决了电压凹陷对系统的影响。

6 结束语

750风机房低压变电所进行电源快切及UPS电源改造后，极大地增强了供电系统抵御失电及电压凹陷的能力，提高了供电的可靠性，母线失电后，快切装置可在200 ms内完成备用电源切换，从2009年6月项目完成至今，有效避免因失电及电压凹陷造成风机停机3次，确保了公司750高炉的正常生产，为公司创造了巨大的经济效益。同时电源快切结合UPS控制电源成功实施，为今后供电系统应对失电及电压凹陷拓展了新思路，具有重要意义。

[1]王大居.电网电压凹陷及其解决办法探讨[J].冶金动力，2007，（3）：1-3.

[2]贺家李，宋从矩.电力系统继电保护原理[M].北京：中国电力出版社，1994.

Treatm ent of Power Blackout and Voltage Sags in Electrical Power Supp ly System

LI Dawei
(The Energy and Environment Protection Department of Baosteel Stainless Steel Co.,Ltd.,Shanghai 200431,China)

Internal and external faults and abnormal breakdowns inside or outside the power supply system of Baosteel Stainless Steel often caused sharp voltage fluctuations or short-term blackouts,resulting in big economical losses.Through measures of quick power switching and technological modification of UPS control power of the transformer plant combined with the project of low voltage technological transformation for the BF blast fan,the problems of electrical breakdown and voltage sags were effectively solved,ensuring safe operation of the blast fan.

quick power switch;synchronization;reverse-power;UPS

TM7

B

1006-6764(2014)03-0006-04

2013－07－08

李大伟（1981－），男，2006年毕业于哈尔滨工业大学，工程师，现从事电气设备管理工作。