提高冶金系统连续供电能力的方法创新与实践

袁军芳

1 前言

随着钢铁企业生产线自动化程度的提高，变频调速设备、可编程逻辑控制器以及计算机系统等敏感性用电设备得到广泛应用，它们对系统电压特性的变化非常敏感，几个周波的供电中断或电压跌落都将严重影响其正常工作并导致生产线的停运。

电压凹陷产生的原因涉及系统运行与用户用电两方面。系统方面的原因包括各种短路故障、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。用户的原因包括用户内部短路以及大型电机的启动、轧钢机等冲击性负荷的投运等。其中短路故障可能引起较为严重的电压凹陷。

目前对电压短时间下降有“电压凹陷”和“电压骤降”两种说法。IEEE标准中把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。IEC标准中将这一现象称为电压骤降（Voltage dip），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1%～90%，并在随后的10 ms～1 min的短暂持续期后恢复正常。

2 马钢电网存在的问题

马钢供电网络有着供电距离短、供电负荷集中等特点。在供电网络中任何一点出现三相短路故障时，在故障切除的电压凹陷期间，将造成同一母线段所供线路厂矿自动控制系统和低压控制部分敏感负荷的停运，给生产造成重大损失。根据公司设备部电气事故统计，2014年因电压凹陷造成主线厂矿停产时间累计约3000 min。

为了降低电压凹陷造成主线厂矿停产事故，各个生产厂矿都做了大量的工作，比如采用延时动作的低压接触器，解除低压系统低电压保护和在自动控制系统采用大容量不间断电源等，这些措施一定程度上减少了短路故障涉及的范围，但并没有从根本上解决问题，提高连续供电能力的第一道关键防线应该是快速隔离和切除短路故障。

马钢能源总厂62#变电所除担负三钢轧总厂大、小H型钢的供电任务外，还有部分外供负荷，长期以来由于外供负荷短路故障导致电压凹陷多次造成H型钢轧线卡钢和生产停产等，损失巨大。

目前微机继电保护装置和真空开关组合在一起，发生短路故障时速断保护跳闸时间一般在80 ms左右。在三相短路故障时，由于母线电压凹陷致使生产线自动控制系统故障而使主线设备停产，为此，能源总厂供电分厂在公司相关部门的大力支持下，创新运用快速保护和永磁真空开关的组合方式，缩短故障切除时间，提高连续供电能力，取得很好的效果。该项创新成果的成功应用，对提高马钢供电系统保供能力，保证高炉系统长周期稳定运行具有重大的意义。

3 解决方案

中压系统故障切除时间由继电保护装置动作时间和断路器跳闸时间共同组成。本创新方案从这二个方面同时入手降低故障切除时间：

3.1 采用国产中置柜和快速分闸断路器应用方式，降低开关固有动作时间

为提高断路器动作时间，创新方案采用ABB公司生产的VM1-T型断路器，通过对国产KYN28A-12型中压开关柜技术改造，新开关柜具备快速分断能力，二次回路和自动控制系统满足自动控制要求，并且达到马钢南区EMS系统远程控制和监测要求（图1）。

图1 ABB VM1-T型开关国产化应用二次接线图

改造后的KYN28A-12型中压开关柜断路器操作机构采用高可靠性，动作速度快的永磁操作机构，与传统操动机构相比较，具有部件少,数量是传统断路器操作机构零部件的7%,无需机械脱扣锁扣装置，故障少，可靠性高，使用寿命长，其中永磁操作机构寿命可达10万次以上，适于频繁操作及可靠性高变电站应用。

永磁机构克服了传统弹簧机构和电磁机构的不足，同时通过永磁材料实现真空断路器分、合闸位置的保持及操作过程，主要性能特点：

（1）提高了真空断路器整体机械性能，使之能适应频繁开断和长寿命使用的要求。

（2）相比传统操动机构，无须机械脱、锁扣装置，零部件数量大为减少，工作时仅有一个运动部件，故障率极低，可实现少维护。

（3）操动机构的性能与灭弧室开断、关合特性相吻合，延长真空灭弧室的使用寿命。

（4）采用高可靠的双稳态操作机构设计。通过分、合闸控制线圈产生的电磁力控制分、合闸操作，合闸和分闸位置均采用永磁保持。

（5）具有防跳功能，设计软连接和触头辅助压簧，解决了合闸弹跳问题。

（6）具有可靠的操作控制电路模块，可耐受雷击、电涌等严酷条件。

VM1-T型断路器采用真空灭弧室和浇注极柱，分闸时间10 ms，灭弧时间小于15 ms，该开关具有机构零部件少、可靠性高的优点，其额定电流开断寿命可以达到20000次。

国产开关柜和进口断路器组合，既达到动作速度快的设计要求，又满足62#变电所整体规划和节省投资。国产开关柜和进口断路器的组合应用，开拓了思路，为后期马钢新建3200 m3高炉建设积累了宝贵的经验，探索了一条经济实用的思路。

3.2 创新继电保护装置数据处理方式，降低保护出口时间

62#变电所采用微机保护和变电所自动化系统，为降低保护装置动作出口时间，通过和厂家设计人员交流，按照速断保护出口时间小于20 ms的目标要求对原有保护技术方案进行创新优化。

优化后保护配置主要功能有：三段式复合电压闭锁过流保护；反时限过流（三种特性可选）；前加速、后加速及手合加速；三相四次重合闸（不检定、检同期、检无压）；小电流接地系统套管零序过流；分布式低周减载和过负荷保护等功能。

为达到断保护出口时间小于20 ms的目标，对现有微机保护软件程序进行功能定制，主要创新方案有：

3.2.1 减小数据窗宽度

微机保护采样数据窗宽度影响速断保护对故障的识别时间，进而影响保护的整组动作时间。数据窗越宽，故障量的测量越准确，保护的动作可靠性也越高。本次方案中要求速断保护整组动作时间在20 ms之内，对工频故障量来说，10 ms为半个周波，可以比较准确地反映故障信号。小于10 ms的数据窗，虽然可以一定程度上提高动作速度，但冶金企业周边环境的电磁干扰及电网故障时产生的高次谐波都将对故障量的提取产生明显影响，其动作可靠性将比10 ms大大降低。考虑到保护装置内部的出口继电器的动作时间约为5 ms，因此数据窗宽度确定为10 ms。对于10 ms的数据窗，本次设计中采用滤波效果比较好的半波傅里叶算法。

3.2.2 采用电流突变量及电压突变量综合判别快速启动保护，提前开放保护装置的出口继电器工作电源

传统微机保护设计时，继电保护为提高可靠性，出口继电器电源必须经启动继电器的触点来控制，这样启动继电器与出口继电器形成与逻辑，以降低保护的误动概率。但是由于出口继电器的电源由启动继电器控制，因此即便CPU系统同时发出指令触发这两个继电器，实际动作时序上，也是启动继电器先闭合，然后出口继电器得到控制电源再闭合。如果这两个继电器的动作速度均为5 ms，实际从保护装置启动到出口继电器闭合也至少需要10 ms。因此，必须采取措施来使得启动继电器在故障发生后5 ms内启动，才能保证启动继电器的动作不影响出口继电器的动作时间。

本方案中，采用电压突变量与电流突变量综合判别启动逻辑，保证保护装置在不到5 ms内可靠启动。在严重故障时，因系统阻抗的存在，电压的变化往往较电流变化更为剧烈，但由于速断保护中，故障电流的大小是保护逻辑的主判据，因此电流变化量较电压变化量更为可靠。因此方案中采用电压突变量触发保护启动判别逻辑而用电流突变量来确认保护是否应该启动，从而实现保护装置达到快速、可靠启动兼顾。

3.2.3 采用电流瞬时值和电流半波有效值联合判别来实现区内故障的可靠识别

由于设计要求数据窗仅10 ms，而追求保护的动作速度又要求保护装置仅能故障发生10 m后再连续判别不到3 ms就必须发出跳闸指令（10 ms数据窗+3 ms连续判别+5 ms出口继电器动作时间=18 ms）。因此保护装置对外部干扰及谐波信号将变得非常敏感。为提高保护装置的动作可靠性，本方案采用电流瞬时值和半波有效值的联合判别方法，来提高保护的可靠性。

瞬时值判别逻辑，在连续的10 ms内，如超过5 ms时间其电流采样瞬时值超过0.95倍整定值，且上述情况在连续3 ms始终满足要求，即判为瞬时值判据满足要求（一个有效值为1的正弦波，在任何连续的10 ms内其瞬时值不小于1的累计时间恰好为 5 ms）。

有效值判别逻辑，如果使用半波傅里叶滤波后得到的电流有效值在持续3 ms内满足超过整定值，即判为有效值满足要求。

如果故障电流的瞬时值判据和有效值判据同时满足上述持续3 ms的时间要求，则保护装置立即发速断跳闸指令。此时通过电压电流突变量辨别已经预先发出了保护装置的启动命令，则该速断保护将立即出口。

快速开关和定制继电保护装置的配合，实现了故障切除时间控制在50 ms以内的目标，缩短了故障时电压凹陷时间，提高了连续供电能力。

4 技术方案取得的效果

该方案应用在马钢能源总厂62#变电所6221#出线柜上，实施1年来该出线柜共发生3次速断保护动作的短路故障，创新方案均取得了很好的效果。

4.1 故障一

2014年1月1日21时46分6221#线路速断保护动作，保护整定值为（2000 A、0 s），故障录波图显示6221#柜跳闸时间为34 ms（见图2），故障没有对H型钢生产造成影响。故障后，通过对线路巡检，故障原因为6221#线路25#点-支1#点用户变压器引线烧断短路导致。

图2 2014年1月1日21时46分6221#线路故障录波图

4.2 故障二

2014年3月3日13:41分6221#线路速断保护动作，故障录波图显示故障切除时间为36 ms（见图3），由于跳闸时间快，对62#变电所10 kVI段母线电压凹陷时间短（见图4），故障没有对H型钢生产造成影响。通过对线路的检查，跳闸原因为线路10#～11#点间线路下方违建房屋玻璃钢瓦翘起造成架空导线短路造成。

4.3 故障三

2014年12月12日15时42分6221#线路速断保护动作，故障切除时间为34 ms（见图5），由于跳闸时间快，对62#变电所10 kVI段母线电压凹陷时间短（见图6），故障没有对H型钢生产造成影响。通过对线路的检查，跳闸原因为线路18#点柱上开关接线烧断短路造成。

以上三起故障由于断开故障时间快，三起短路故障在电压凹陷期间均没有对H型钢厂生产造成任何影响，该方案通过一年的实践证明对提高连续供电能力具有很好的效果。

图3 2014年3月3日13时41分6221#线路故障录波图

图4 2014年3月3日13时41分6221#线路故障分析

图5 2014年12月12日15时42分6221#线路故障录波图

图6 2014年12月12日15时42分6221#线路故障分析

5 结束语

随着自动化设备的增多，敏感的用电设备越来越广泛地应用于冶金系统各个领域，电压凹陷造成的危害也越来越突出，减少电压凹陷造成的损失关键，在于当故障发生时能够迅速、及时地进行有效的控制和处理。马钢的实践为在冶金供电系统快速切除故障、保证一类负荷安全运行有重要的意义。通过本次成功实践，开拓了思路，为后期马钢新建3200 m3高炉建设积累了宝贵的经验，探索了一条经济实用的思路；通过本次成功实践，对进一步进行连续供电技术的研究和实施提供了宝贵经验。