冶金电力系统电压瞬降问题研究

2020-04-24冉孟武

冶金动力 2020年2期

冉孟武

（攀钢集团攀枝花钢钒有限公司制造部,四川攀枝花 617062）

前言

攀钢电网110 kV 东方红变电站向炼钢LF 加热炉及连铸机、轨梁万能轧机，热轧主轧生产线等重要负荷供电，该变电所两回110 kV 主供电源（均来自电网220 kV 施家坪变电站）并列运行，五台变压器总容量260500 kVA，由于炼钢LF 电加热炉及热轧、轨梁轧机冲击负荷影响，供电负荷在60～140 MW 波动。该变电站配电电压分别为10 kV、35 kV，配出开路繁多，负荷性质极杂。

如此庞大复杂的系统，因设备绝缘老化,雷击，误操作，小动物等故障引发短时的电压降低等波动,容易波及相邻系统重要负荷,致使事故急剧扩大并恶化；另一方面LF 炉与各类容性、感性负荷的交织作用将产生较大的谐波污染及电压闪变。东方红变电所系统内每年发生数起至十余起各类故障或电压波动，造成影响热轧、轨梁等生产的故障。因此,深入分析110 kV 东方红供电系统低电压闪变故障原因,并采取相应措施,最大限度避免或减少生产系统的电气事故，对保障生产顺行具有重大意义。

1 供电系统电压瞬降的原因分析

根据电力系统长期运行经验及理论分析表明，供电系统的电压瞬降通常是由以下几方面原因引起的：一是供电系统短路故障；二是大型电动机直接启动;三是大的冲击负荷与谐波滤波及无功补偿装置等交互作用。具体如下：

1.1 系统短路故障产生的电压瞬降

电力系统短路故障时产生较大的故障电流,对电网的冲击大,除造成故障线路跳闸外,还会引起系统瞬时电压降低。一般短路点距离电源越近,电压幅值降低越大；短路容量越小的供电系统,影响范围越大。

以攀钢110 kV 东方红变电所来看，该区域变电站主要供炼钢厂LF电加热炉，连铸机，轨梁厂，热轧板厂轧钢生产线及其公辅供电系统，生产线多，供电电缆及开关配电设备繁多，且工作环境恶劣,因雷击过电压破坏绝缘、设备本身质量或绝缘老化，人为误操作及小动物等意外原因引发的短路故障极其常见，根据近2年统计来看，该系统内平均每年发生5～7起上述原因引发的短路故障，见表1。

表1 2017～2018年东方红系统短路故障情况统计

根据继电保护核算结果表明，东方红变电所110 kV 系统大方式下短路容量仅2645 MVA（短路阻抗标幺值为0.0378），根据110 kV 主变各侧的短路阻抗参数计算结果表明，当东方红大方式下主变10 kV侧故障时，主变高压侧残压（二次值）如下：

U残110kv=（0.1053+0.1717）/（0.1053+0.1717+0.0378）=88 V

U残35kv=0.1053/（0.1053+0.1717+0.0378）=33.4 V

可见离故障点越近，中间线路或变配电设备阻抗越小，电压降越大。特别是系统配出全为电缆线路，即使考虑部分变压器及电抗器等影响，各电压等级及配电点间的电力元件总阻抗均较小，系统内任意点发生短路故障都会造成全系统瞬时电压大幅降低，但由于各类快速继电保护装置的应用，一般当发生短路故障后，继电保护装置快速切除故障点后，系统电压将快速恢复到正常水平。即短路故障引发的电压瞬降一般具有幅值大，持续时间较短的特点。

1.2 电力系统内大电机直接启动产生电压瞬降

电力系统中大型电机启动时，参照《工业与民用配电设计手册》给出的计算公式，母线电压降计算模型如图1。

图1 电动机启动时母线电压降计算模型

根据计算公式,在电动机启动时，系统变母线电压相对值：

式中：Skm—系统母线处短路容量；

Qfh1—系统母线处预接负荷的无功功率；

Sst—系统母线处启动回路额定输入容量。

则系统变电站母线电压降为：

用户变电站母线电压降为：

而在工程简易计算中，为简化计算模型，忽略母线处预接负荷的无功功率等，设母线电压的值与电网标称电压值相等，可根据系统母线处短路阻抗X*及母线所接电动机的启动电流Ie简单估算母线电压降如下：

根据实际运行经验表明，工程简易计算结果与理论计算结果近似，完全满足实际应用需求。而根据上述公式也表明系统短路容量越小（即短路阻抗越大），电机启动电流越大，在电动机启动时对母线电压影响越大，容易导致同一电网上其他用户设备电压瞬降，一般电机启动完成即可恢复正常电压水平。

1.3 大功率冲击负荷与无功补偿等交互作用产生电压瞬降

攀钢东方红变电所内存在大量的同步电机、异步电机、动力变压器、整流变压器等，同时为限制谐波污染及提高系统功率因素，其10 kV 配出的下级站所装设有3 套动态无功补偿装置(SVC)，35 kV 配出的下级站所（炼钢LF 炉）装设有5 套固定补偿式的谐波滤波装置。补偿装置过多且集中，更是加剧了该系统的复杂性。

根据长期的实际运行统计及实际测量发现，大冲击负荷，特别是如炼钢LF 炉类的电加热冲击负荷，其加热时实际就相当于电力系统接地短路运行，因其功率巨大（单台加热时最大功率约22 MW），其加热时将大幅拉低母线电压；而其停止加热时，因其配套的固定无功补偿装置又将出现过补偿，造成母线电压居高不下。5 套LF 炉及其补偿装置与滤波装置共同运行，且仅有3次、4次滤波装置，对部分高次谐波的治理不彻底，交互作用下造成相应主变下母线电压出现瞬降的情况比较突出。根据电能质量监测仪实测电压波形发现，主供LF炉的变压器35 kV 侧、10 kV 侧正常运行情况下频繁出现电压瞬降情况，最大降低幅值达到标称电压的约20%，但持续时间极短，大部分在50～100 ms 内即可恢复正常。

2 电压瞬降对供电设备的影响

根据前述分析，几种不同类型引发的电压瞬降的幅值及持续时间不同，同系统内电气设备由于继电保护配置及工艺对电压质量的需求情况不同，所受到的影响也不一样。

轧钢系统中风机、空压机、水泵、轧机等重要设备，在其电动机的主回路、励磁回路、控制回路中常见的低电压保护有：高压电机的低电压保护，控制回路欠电压保护，低压励磁回路的低压电源开关、交流接触器等。

高压电机失压保护启动一般按70 V（二次值）整定，但由于设备厂家设计、工艺需求不同等原因，时限一般从0.5 s 至5 s 不等，对于快速切除的短路故障及谐波滤波装置等引发的偶然电压瞬降，因持续时间较短，一般均可躲过而不会造成跳闸停机；但对于励磁系统低压开关及部分控制回路欠压保护，一般达到动作值就会引发跳闸失电，进而引起主生产设备工艺保护停机。另外对如轨梁Uf 轧机等，因厂家设计的控制系统对电压闪变极其敏感，一旦系统电压瞬降的幅值超过15%，轧机供电系统0 s 跳闸停机，因此一旦系统内发生短路故障，轨梁轧机跳闸率超过90%，且加热炉等生产与滤波装置交互作用产生的偶发性电压瞬降也时而造成其停机，对生产造成较大影响，带来较大经济损失。

3 电压瞬时降低的解决方法

结合对电网电压瞬降产生的原因，分析其幅值、持续时间及对电气设备的影响，可以有针对性的制定解决措施。

3.1 减少电网发生短路故障

根据前述分析，电力系统发生电压瞬降并对生产造成较大影响的主要原因之一就是电网设备短路故障，因此有针对性地根据事故原因采取措施减少短路故障发生可有效提高供电可靠性。

（1）加强架空线路防雷消缺工作，每年度在雷雨季来临前对所有架空线路避雷器进行一次检测，并加强日常运行检测，存在问题的及时采取更换避雷器等措施进行消缺，减少因为雷击造成的故障。另一方面加强对影响架空线路运行安全的环境进行清理，特别是年度定期对线路两侧树木开展修枝工作。

（2）加强各类高压电气设备的日常点检及定检定修工作，提前消除设备绝缘隐患，降低故障率。及时对老化电缆进行检测更换，加强开关、电缆接头等设备的温度检测等,点巡检工作提前发现绝缘隐患并予以消除。

（3）加强培训，提高员工业务素质，严格执行标准化倒闸操作票及电气设备监护操作制度，减少误操作发生。

（4）完善开关设备“五防”设施；对配电室、变压器室孔洞进行严密封堵,完善防鼠隔板或网门，对室外裸露母线采用聚氯乙烯材料热缩包扎等防小动物措施。

3.2 采取延时失压保护躲过电压瞬降

要彻底消除供电系统电压瞬降,目前在技术上还有困难。而鉴于短路故障及其它偶发性电压瞬降一般持续时间较短，因此对于确需装设失压保护和欠电压保护的设备，特别是各类高压电机的低电压保护，可根据其供电负荷重要性进行分级，在保护定值整定时执行不同的延时，具体如下：

（1）各类同步电机，如设备厂家要求特殊动作时间要求的，按设备厂家定值执行；其它的低电压保护统一按70 V，1.5～2 s延时整定。

（2）一类负荷异步电机低电压保护整定值原则按70 V，5 s 延时整定，煤气加压机按70 V，3 s 延时整定。

（3）二类及以下负荷电机低电压保护整定值按70 V，0.5 s延时整定。

（4）对危及重要设备及人身安全的特别重要电机取消低电压保护。

（5）对于低压母线的受电断路器。对智能开关低压脱扣延时时限按异步电机时延原则调整，不能调整的更换或临时解除失压脱扣。

3.3 调整低电压敏感设备运行方式避开偶发性电压瞬降

根据前述分析，攀钢东方红电网还存在炼钢LF炉等大冲击设备与固定无功补偿装置交互作用产生的偶发性电压瞬降，该类电压瞬降对轨梁Uf轧机等影响极大，严重影响生产顺行。为此通过对东方红变电所各主变正常运行时的电压瞬降情况进行实测，特别是对供炼钢LF 炉的1#、3#主变与其他主变10 kV 侧母线电压进行实时监测,证实了炼钢LF炉加热时确实易产生电压瞬降，发生频率及电压瞬降幅值远高于其它主变系统。为此特意将供轨梁厂敏感轧机设备的电源电缆倒接至2#主变供电，基本消除了电压瞬降对其影响。