母线残压保持装置在企业内部电网上的应用

孙东杰

（中石化南京化学工业有限公司连云港碱厂，江苏 连云港 222042）

连云港碱厂热电车间属于企业自备发、配电单位，配备两台发电机，通过两台主变与外电网连接，负责全厂电力供应，大体系统接线及主要设备参数如下：

1＃～2＃主变：额定容量：Se＝8MVA，额定电压：35／6（kV），阻抗电压：UⅠ－Ⅱ＝7.16% 。系统主6kVⅠ段和Ⅱ段通过电抗器并列运行。1＃发电机：额定容量：Pe＝6MW，2＃发电机：额定容量：Pe＝12MW，联络电抗器：DK－6－1000－8%。在最大运行方式下：主6kVⅠ段短路时短路电流为Ik1＝20kA；主6kVⅡ段短路时短路电流为Ik2＝22 kA。在最小运行方式按照两台发电机检修，只由主变供电（估算）：主6kV短路电流为Ik3＝13kA。

图1

从一次系统图可以看出，在厂用6kV（Ⅰ～Ⅳ段配电母线）支路短路时，即使故障支路的综保正确动作切除短路，但切除时间至少需要70ms以上（综保判断20ms，断路器动作40ms，燃弧时间10～20 ms），在此期间，6kV主母线会产生电压凹陷，母线电压出现凹陷这段时间，供电系统称之为“晃电”。晃电易造成相关负荷失电，发电机跳机等事故。同时这种高压侧的母线电压凹陷也同时传递到低压侧。连云港碱厂在过去十几年时间里曾多次出现因厂用6kV支路短路冲击造成全厂局部、全部等不同程度的停产事故，给生产稳定带来很大的危害。

本文从电压凹陷对用电设备的影响和传统串接电抗器的缺陷，以及SHK－ZRD母线残压保持装置的系统组成、工作原理和解决方案进行详细阐述。

1 电压凹陷对用电设备的影响

1.1 电压凹陷对继电器、接触器影响

二次控制元件在额定电压的70%下能可靠工作，当电压低于额定电压的70%时，接触器和继电器就有可能失电返回，造成设备停运。

1.2 电压凹陷对电动机影响

当系统短路引起的电压凹陷发生后，因为电动机感抗的存在，此时异步电动机变成异步发电机，原有的磁场在旋转中切割定子，产生的定子电压对外部短路点提供反馈电流。从定子侧看，此时电机等效出一个短路时间常数，该常数对3MW以下的电机而言一般为30ms左右，则100ms左右原有系统提供的磁场能量即可消耗完毕。当电压凹陷故障结束时将会对电动机产生相当于全压启动时的大电流冲击。

1.3 电压凹陷对变频器影响

常用的变频器大都采用交－直－交电压型变频方式，下图是其原理图。

图2

三相全波二极管整流电路将交流电压变成脉动的直流电压，跨接在直流母线上的电容一方面起到滤波的作用，可以减小电压的脉动，另一方面还具有储能的作用。在外电压不能充电时，电容的电压降落是典型的指数函数：

当电网出现电压凹陷时，直流母线电压高于交流侧电压，此时二极管受到反向电压而截止，交流侧无电流。此时电容C上存储的电场能量CU2维持着向电机的运行，随着电场能量的消耗电容上的电压很快下降。若电容两端电压下降到很低的水平，则当交流侧电压恢复时整流二极管完全有可能因受到大电流的冲击而损坏。

另外一个因素是，对于低压变频器而言其控制电源，包括开关电源和模块电源，往往取自电容C，也有的直接取自前置输入母线。当凹陷发生时，同前所述，会导致变频器控制失电。为了防止此类损害，变频器中设计了保护功能，即当直流电压u（t）下降到U0的70%时，立即封锁变频器的触发脉冲，使电容器不再继续向电机提供能量，把残存的电压保持在0.7倍的U0。如果从方程U＝0.7 U0＝解出时间t，我们得到：

也就是说，当电压凹陷发生后15.16ms时，变频器为保护自身不被损坏，将停止工作，电容不再向外输出能量。

2 在出线回路上串联电抗器存在的问题

为解决电压凹陷对系统的影响，传统方式在各条分支路上串入支路电抗器，意在某条配出线发生短路事故时，通过电抗器来保持母线电压，但电抗器的参数很难设计。

为有效的抬升电压（一般超过80%），电抗率越高的电抗器明显有很好的残压维持效果，但是高电抗率电抗器在线路中长期串联不仅会产生巨大的能耗，而且也将对电压质量造成很大影响，让这种方案经济适用性大打折扣。

同时空心电抗器正常运行时，交变的电磁场介质是空气，会产生强大的电磁辐射。电磁辐射使通讯系统及计算机监控系统受到严重干扰，甚至无法正常工作。另外电抗器附近的金属构件或基础混凝土中钢筋在强大的主磁场作用下，会产生附加损耗（基础和基础钢筋中），并且在长期的震动下，将使混凝土松软，影响混凝土基础和厂房的寿命。

3 采用SHK－ZRD母线残压保持装置

3.1 SHK－ZRD概述

ZRD由专用原装进口换流器、测控单元、特制罗氏线圈、限流阻抗、切离开关、微机综合保护器、电流互感器等构成。

测控单元通过罗氏线圈监视支路电流，当短路电流大于设定值，高速DSP通过专用算法1～2ms内快速精确的预测三相短路电流有效值，并发出动作信号。装置中的换流器在2～3ms内快速开断，短路电流换流进入限流阻抗中，限制短路电流，短路电流幅值大大降低。

本装置可在支路发生短路故障6～16ms内，将母线残压保持在额定电压的90%以上，保证其他无故障支路敏感负载的正常工作。同时主变等设备所受到的短路电流冲击大大降低。

分支内的短路故障切除后，测控单元检测支路电流接近额定电流时立即控制换流器合闸，限流高阻抗退出，系统即可恢复正常运行。发生短路故障的支路在短路超过300ms，故障没有解除，本装置测控单元认为是故障点的分支路真空断路器拒动或支路的母线故障，立即给切离开关发出分闸命令，切除该支路。

综合分析，ZRD方案通过控制单元和高阻抗串联电阻的配合比长期串联电抗器方案更加经济、可靠。

装置原理图见虚线框内。

图3

3.2 SHK－ZRD解决方案

优化系统图如图4。

图4

3.3 SHK－ZRD参数设计

限流电阻串入后，母线残压保持在额定电压的95%以上，限后电流按照1 500A考虑。

表1 厂用6kVⅠ段和厂用6kVⅡ段计算表格

表2 厂用6kVⅢ段和厂用6kVⅣ段计算表格

安装ZRD后，若厂用6kV某段分支发生短路故障时，控制器检测到短路故障后做出指令，分断换流器，串入限流电阻（装置在16ms内完成换流和限流），母线残压保持在额定电压的90%以上，保证了其他无故障支路的正常供电。

当短路支路内故障点切除后，操作中表现为测控单元检测支路电流接近额定电流时立即给换流器命令，指示换流器合闸。接到命令后10ms内限流阻抗退出，系统即可恢复正常运行。

发生短路故障支路在发生短路超过300ms，故障没有解除，控制器立即给切离开关发出分闸命令，切除该支路。

4 结 语

采用母线残压保持装置不仅可以维持母线残压，保护其它重要负荷不受一条支路短路故障的影响，也具备支路断路器的全部功能，同时对该母线主变压器短路电流冲击产生的损害大大降低，变压器得到很好的保护，同时对其分支母线以下的断路器遮断容量也相应大大降低。在很大程度上可以避免企业内部电网因晃电造成的电气设备异常跳闸，提高企业内部电网安全稳定性，保证生产系统的连续稳定。

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