系统“晃电”整体解决方案的探讨

邹桂平，王善立，高 寒

（1. 江西铜业集团公司 材料设备部，江西 南昌 330096；2. 安徽恒凯电力保护设备有限公司，安徽 合肥 230001）

系统“晃电”整体解决方案的探讨

邹桂平1，王善立2，高 寒2

（1. 江西铜业集团公司 材料设备部，江西 南昌 330096；2. 安徽恒凯电力保护设备有限公司，安徽 合肥 230001）

供电系统是企业电网的重要动力来源，是提高企业安全生产的重要保证。供电系统是否稳定直接关系到整个生产设备能否正常运行。通过分析供电系统及企业电网晃电产生的原因，区分晃电的基本类型，阐述晃电的主要危害，探索企业供电系统中晃电问题的解决对策，提出新型有效的治理方案。

企业电网；供电系统；晃电；电压凹陷；母保；快切

1 引言

随着电网的发展，容量及规模的不断扩大，晃电现象发生的频率越来越多。现代化工矿企业的生产规模越来越大，电气化设备越来越多，对晃电更不能忽视。晃电持续时间虽然比较短，但对于正在持续生产的设备而言，一旦受到晃电影响而停机，将产生严重后果。瞬间的电压波动将造成数百台电动机跳闸、设备停机，电网电压恢复后电机不能自行恢复运行，导致连续生产过程紊乱，并有可能造成生产及设备事故。对于大型装置来说，如果人工进行恢复，花费的时间比较长，而对于一些无人值守的野外装置，恢复的时间就更长。对于石油、化工、冶金等连续生产装置来说，产生的诸如安全、环保、废品、原料浪费、产量降低、效益低下等一系列损失是非常巨大的。

2 什么是“晃电”

晃电是指供电系统在正常运行中因雷击、对地短路、发电厂故障及其他原因造成电网电压短时大幅度波动，甚至短时断电的现象［1］。晃电的发生形式有三种:（1）电压短时越限或跌落，即电网电压短时间内骤升至额定电压的110%～180%或骤降至额定电压的10%～90%，持续时间为0.5个周波到数秒。（2）电压闪变，即短时间内电压波形以某种固定方式变化或者随机变化。（3）短时电压中断，即由于备用电源自动投入或者重合闸引起的0.5周波到3s的供电中断［2］。

如图1所示，内部电网（简称“内网”）总降母线上某条支路发生短路故障d，母线电压出现骤降，在断路器K切除该故障支路前，母线上所有的负荷将一直处于低电压工况，短路故障切除后，电压才开始恢复，由于异步电动机群磁场重建的二次冲击电流会延缓母线电压的恢复时间，这个母线电压从骤降直至恢复到额定电压70%以上的短暂低电压供电的“电压凹陷”现象，称为“晃电”。

图1 典型系统一次图

3 “晃电”造成事故的根本原因

晃电是否给企业造成停电损失，取决于母线上负荷是否能成功实现低电压故障穿越，即负荷对低电压的忍耐时间与晃电时间的博弈结果。

晃电时间包括：继电保护判断时间、断路器固有分闸时间、燃弧时间和电压恢复时间之和，一般要超过80ms，甚至更长。

从图2的时序图就可以看出：中、低压的变频器和低压系统的继电器、接触器、电磁阀等，忍耐极限一般就只有20～30ms，必然穿越失败。但是，可以通过采用一些附加设备或软件优化的方法，延长这些设备对低电压的忍耐时间，实现低电压穿越。

然而，问题的要点不在这，中、低压系统断路器的控制电源为直流，不会因交流系统的低电压而跳闸，因此它们所控制的异步电动机在低电压期间则一直在网，并以发电方式向短路故障点反馈输出短路电流，直到绕组内的磁场衰减完毕或短路故障点被切除，此过程为电机的“一次冲击”；一般异步电动机的绕组短路衰减时间常数为30～40ms［3］，就是说只要内网短路故障持续30～40ms的时间，电机的磁场就会衰减殆尽，变成挂在网上减速旋转的铁疙瘩。

图2 晃电期间相关事件变化时序图

当短路故障点被断路器K切除时刻，母线电压进入恢复期，所有在网的异步电动机同时重建磁场，此时电动机的软启动装置都处于退出状态，实际上就是“电机群直接启动”，启动伊始要向电网索取相当于电机群额定电流总和5～7倍的无功电流，形成强烈的电流冲击，此过程称为电机的“二次冲击”。

二次冲击电流在该系统变压器和线路的阻抗上会形成较大的压降，降低了电动机的机端电压，致使电机的电磁转矩不足，影响了电机转速恢复，并增加了过流时间，客观上延缓了母线电压的恢复过程，也就是电动机磁场重建的过程。只要当造成冲击电流的电机群总容量达到本系统电源容量的40%以上时，母线电压极易低于70%（电磁转矩小于50%），一旦这些电机处于额定负载状态，必然导致电机群失稳停转，最终使该系统崩溃［4］。

这就是，即使断路器K成功地切除了内网短路故障，还是经常会发生大面积停电事故的根本原因。

4 现有的治理措施

4.1 串联支路电抗器方案

如图3，在需要保护的母线的每条出线串联支路电抗器，用以抬升支路短路故障（d1）时的母线剩余电压，保障供电。

支路电抗器方案也存在一定的问题，尤其是当电抗器进线侧电缆头故障时（如图3所示d2点），电抗器反而起不到保障母线供电的作用。

这是目前针对内网晃电的典型设计。

4.2 “防晃电模块”和“延时重启继电器”解决方案

“防晃电模块”是针对继电器、接触器，在晃电时延长线包保持时间的一种低压系统的解决方案，达到晃电时不跳闸的效果。可是无法解决异步电机的“二次冲击”问题［5］。

因此，为了避免二次冲击，不得不有选择地使用防晃电模块，先接受部分跳闸的事实，事故后利用“分批延时重启继电器”，将跳闸的负荷根据工艺特点、容量大小预先分组，在跳闸后自动分批重启，以期尽快恢复生产。该方案不仅要求熟悉生产工艺，而且接线复杂，实际操作难度大，并且，由于模块本身的可靠性低于被保护对象的可靠性，又衍生出更多的故障。

这两种方案只针对低压系统，并不能解决中压系统的晃电问题。

4.3 “快切”解决方案

如图4所示,有时将电源开路故障（K偷跳）片面地认为就是“晃电”，因此提出了一种“快切”解决方案，即针对电源开路故障的“备自投”控制器；对短路故障d1可能引发的二次冲击问题，则主张跳掉一部分负荷，再分批延时重启。指导思想与上述方案有类似的不足之处［6］。

关键是此“快切”方案仅提供控制器，而K1～3还是采用普通断路器，当K0切除d1故障点时刻，也就是K1开断时刻，电源已经恢复正常，K1断开纯属多余；再合K3，整个切换时间远大余K0开断时间“即晃电时间”，用大于晃电时间的操作治理晃电，不符合逻辑。

尤其是对于故障点d2，对母线来说，属负荷故障，快切还不能动作，母线上的负荷还是要承受d2故障的影响。因此，治理晃电，单方面考虑快切策略，还显不足。

5 晃电治理的思想要素

5.1 “减小二次冲击”是方向

变频器、接触器等都有抗晃电治理办法，但是，异步电动机在电压恢复时刻的“二次冲击”却是造成大面积停电事故的根本原因。

针对这一客观物理现象，减小异步电动机的“二次冲击”，避免电机在二次冲击期间停机事故的发生，是治理晃电的方向。

5.2 “缩短晃电时间”是要点

停产即事故！必须在事故发生前完成治理。

因此，缩短晃电时间—在事故即将发生前就提前结束晃电是治理的要点。

图5中可以看出，将“晃电期间”压缩到“原事故点”（20ms时刻）之前即可避免变频器及低压负载等设备停运事故的发生，而且实际运行经验证明，只要在短路后第一个大半波（小于20ms）之内将短路故障隔离，就可以将异步电动机的“二次冲击”电流限制到2倍左右额定电流以内，避免电机失稳，确保生产的连续性。

图5 晃电治理时序图

5.3 “快速设备”是物质基础

因此，20ms之内完成“故障判断”和“执行操作”的“快速”制备，是成功治理晃电的物质基础，尤其是基于加拿大Max-Swi公司制造的5ms内分闸的“涡流驱动”快速开关而成套的母线残压保持装置（ZRD）和高速断路器及切换控制器装置（MS），是综合治理晃电的重要设备。

5.4 “孤立故障点”是策略

如图6所示，对于造成内网晃电的短路故障点d4，采取两头治理的策略：一头是在故障点的电源侧，即母线支路开关的位置，采用“母线残压保持装置”（ZRD）简称“母保”［7］，来快速隔离故障点对母线电压的影响，保障母线对其它非故障支路的连续供电；另一头是在故障点的负荷侧，采用“快速断路器及切换控制器装置”（MS）简称“快切”，将故障点以下的负荷切换到备用段电源或电压已经被“母保”恢复的本段其它支路的电源上。这样可以将故障点彻底地从系统中孤立出去，去除故障点的负面影响，最大限度地保障系统对所有负荷的供电连续性。

6 晃电治理总体解决方案

总体解决方案示意图见图7。

图6 典型10kV系统治理晃电解决方案示意图

图7 晃电整体解决方案示意图

表1 各晃电故障点及治理方案

（续表）

各晃电故障点及治理方案说明简表见表1。

7结语整体解决方案是将系统中各种可能故障点彻底地从系统中孤立出去，去除故障点的负面影响，最大限度地保障系统对所有负荷的供电连续性。

［1］董仲阳. 企业供电系统晃电的解决方案[J]. 中国科技财富, 2010(18):186-187.

［2］张军梁, 鲁宗相, 李立. 石化企业抗晃电问题研究[J]. 电气应用, 2010(22):60-63.

［3］李晓明, 李晓霞. 异步电动机短路反馈电流衰减时间常数分析[J].自动化技术与应用, 2001(2):85-86.

［4］A.E.Fitzgerald, Charles Kingsley,Jr.Stephen D.Umans,et al. Electric Mahinery[M] 刘新正, 苏少平, 高琳, 等, 译. Sixth Edition. 北京: 电子工业出版社, 2004.

［5］张伟. 工厂“晃电”现象与抗“晃电”措施[J]. 中国设备工程，2003(3):33-34.

［6］陈琳, 严金云. 石化企业晃电影响及抗晃电措施[J]. 电气技术, 2012(10):72-74.

［7］王善立, 姜坛. 母线残压保持装置ZRD快速切换装置MS说明书[K].合肥:安徽恒凯电力保护设备有限公司, 2014.

图11 改造前后电位对比

6 结束语

贵冶硫酸干吸浓硫酸管道由最初的铸铁管逐步改造成为阳极保护不锈钢管道，解决了铸铁管难以检修的问题，节约备件成本和检修费用，保证铜酸系统的正常生产，消除人身和设备的安全隐患，避免了因跑、冒、滴、漏造成的环境污染和设备腐蚀。

参考文献：

［1］艾红龙,乔彦强. 江铜贵冶硫酸一系列三期改造工程介绍[J]. 有色金属(冶炼部分)， 2003(1):34-37.

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［3］张国华,李敬高. 奥氏体不锈钢应力腐蚀分析研究[J]. 焊接技术，2002(6):23-27.

［4］潘正中,张明涛. 管壳式阳极保护酸冷却器的实际应用[J]. 化工机械， 2002(6):38-41.

［5］孙治忠. 国产阳极保护浓硫酸冷却器的应用[J]. 化工生产与技术，2001(3):51-54.

［6］王艳春, 高平, 沈国栋, 等. 阳极保护浓硫酸不锈钢管道的研制与应用[J]. 硫酸工业， 2002(2):49-52.

Discussion on Integrated Solution of System “Interference Electricity”

ZOU Gui-ping1, WANG Shan-li2, GAO Han2
（1. JCC Material & Equipment Department, Nanchang 330096, Jiangxi China; 2. Anhui Heng Kai Power Protection Equipment Co. LTD, Hefei 230001, Anhui, China）

The power supply system is the important power source for power grid enterprise, is the important guarantee of improving the enterprise safe production, is related to the whole production equipment operation normal or not. In this paper, the cause of interference electricity occurred and the basic types are analyzed, the main harm is expounded and the solutions and countermeasures are discussed, the new type and effective governance scheme is proposed.

enterprise grid；power system interference electricity；voltagedip；Busbar protection device；fast cutting

TM732；TM712

A

1009-3842（2015）01-0071-06

2014-12-19

邹桂平（1982-），男，江西新余人，本科，主要从事国内电气设备采购。E-mail: pjxo8204@163.com