卷烟厂电压暂降分析与治理

2021-12-17史贵风徐献清

现代建筑电气 2021年11期

杨洋, 史贵风, 徐献清

[上海电器科学研究所(集团)有限公司, 上海 200063]

0 引言

某卷烟厂经过技术改造升级后,特别是数字式自动控制技术在工业生产中的大规模应用,如变频调速器、可编程逻辑控制器(PLC),各种自动化生产线及计算机系统等敏感性用电设备的大量使用,这些设备对电压暂降和短时间中断时间非常敏感,短时间的电压变化往往会造成设备不正常运行。电压暂降会造成计算机、数字式控制器停止工作或在电压恢复时自启动,从而引起由其控制的自动化生产线停止工作,甚至无序启动,生产流水线一旦被迫停运,不但正在流水线上被加工的产品报废,而且生产线需要启动,从而造成至数小时不等的生产停顿[1-2]。据该厂运维方反应,电压暂降对制丝车间的影响最为严重。该卷烟厂制丝车间工艺复杂,整个车间多组设备组成一条生产链,某一台设备发生非计划停机,都可能影响整条生产线的正常运行,所产烟丝就会报废,每次损失高达上百万元。

在实际生产中多次发生由电压暂降或者中断引起的非计划停产停机后,现场维护人员无法判定电压暂降发生的原因。由于工厂内部大型电机启动、开关操作、变压器以及电容器组投切等事件是由外部供电系统传递过来,因此在10 kV两段进线端安装具有瞬态时间捕捉能力的在线式电能质量监测仪,对该厂电能质量进行长期监测,捕捉电压暂降事件的波形和特征量,比较发生暂降事件的时间与生产事故发生的时间。如果时间相吻合,基本上可以确定设备停机的原因是由外部电压暂降引起,通过对这些电压暂降事件进行统计分析,为后续的电压暂降治理提供依据[3-4]。

1 电压暂降监测位置概述

该厂10 kV系统采用单母线分段进线方式,根据该企业的供配电系统实际运行情况,本次电压暂降监测依据GB/T 30137—2013《电能质量电压暂降与短时中断》,电压暂降事件记录出发阈值为0.9 p.u.～0.1 p.u.,低于0.1 p.u.,事件记录显示为中断。系统的监测点选择分别位于10 kVⅠ段母线和Ⅱ段母线总进线端,系统10 kV总进线端监测点位置如图1所示;系统10 kVⅠ和Ⅱ段母线监测点现场位置如图2所示。

图1 系统10 kV总进线端监测点位置

图2 系统10 kVⅠ和Ⅱ段母线监测点现场位置

2 电压暂降监测内容

2.1 电压暂降监测事件统计

经过3个月的实时在线监测,监测到的电压暂降事件统计如表1所示。

表1 监测到的电压暂降监测事件统计

由表1可以看出,电压暂降发生的时间集中在2020年8月,发生电压暂降的相序单相、两相和三相都存在,两段母线基本上同时发生电压暂降,发生暂降的相序也都相同,可以推测电压暂降是由外网传递过来。

2.2 电压暂降事件前后波形

单相、两相、三相电压暂降事件前后波形如图3～图5所示。

图3 单相电压暂降事件前后波形

图4 两相电压暂降事件前后波形

图5 三相电压暂降事件前后波形

由图4可见,B相电压一直保持不变,A相、C相连续发生电压暂降,其中暂降时间最长持续3 s。经过和卷烟厂运维人员确认,生产车间停机也发生在这段时间内,可以确定这是一起典型的两相电压暂降造成的设备停机事故。

3 电压暂降治理方案及措施

3.1 卷烟厂供配电及负荷情况

该卷烟厂由市电二路10 kV高压进线,低压供配电系统采用单母分段接线方式,每台主变压器一用一备,整个厂区共5个区域,分别为动力车间、制丝车间、卷包车间、办公室、南门。各主变压器供电情况如表2所示。

表2 各主变压器供配电情况

3.2 电压暂降缓解措施

为了减少由电压暂降造成用户遭受不同程度的损失,需要供电部门、用户和设备制造厂商共同努力,减少电压暂降事件的次数,降低暂降的严重程度和设备对电压暂降的敏感度。解决电压暂降的途径和成本的关系如图6所示[2]。

图6 解决电压暂降的途径和成本的关系

3.2.1 系统侧缓解

该卷烟厂处于中心城区,周边施工较多,电能质量情况恶劣,并且从该厂运维方了解到该厂供电系统上一级110/10 kV专线下端还有其他生产企业,因此通过电网结构的改造虽然可以降低电压暂降带来的影响,但是这类电压质量的改善是通过增加更多的线路和设备达到的,考虑到投资和效益的权衡,目前在电网侧缓解电压暂降的方案不太现实。

3.2.2 用户侧治理

该厂的技术设备升级已经完成,对电压暂降敏感的用电设备进行再次更换升级,也不具有实用性,所以目前应用最普遍的改善电压暂降措施是在供电系统与用电设备的接口处安装治理设备。常见电压暂降治理设备主要分为以下几种:静态UPS、动态UPS、非储能有源电压调节器(AVC)、超级电容储能动态电压恢复器(DVR)、非储能电压骤降保护器(DYSC)等。这几种治理设备各有优缺点,不同工况和负载下治理设备适用性如表3所示[4]。

表3 不同工况和负载下治理设备的适用性

在线式静态UPS功能强大,是最为传统的一种保护方式,但维护成本高、占地面积大、还需为其配置特殊的空调机房,耗电量大,所以是性价比较低的一种方案。动态UPS一般为飞轮中压动态UPS,多用于中压兆瓦级部署,单台年维护成本高昂,一般应用在精密的半导体产业大规模全产线治理,出于成本和占地空间考虑,其他企业一般不会选择该治理方案[5]。

采用先进电力电子技术的DVR和AVC在消除电压暂降、提高供电质量和供电可靠性方面有着显著的效果,作为一项成熟的技术广泛应用于电压暂降治理工程中。

DVR依靠外置的超级电容作为能量的主要来源,当供电电压突变时,可以在几个毫秒内产生一个与电网同步的三相交流电压,该电压与电网电压相串联,来补偿故障电压与正常电压之差,从而使馈线电压恢复到正常值及附近。DVR单机设备功率大小,除了元器件选型外,主要依托于超级电容的容量增大,一方面大功率设备势必会导致超级电容数量变多,故障点变多,影响其瞬间放电的能力,另一方面也增加了投资成本[6]。

AVC没有外置的储能部分,通过电网电压降低后的剩余能量进行补偿,串联注入变压器实时叠加,可实现精度1%的实时精密调压,在电网三相电压60%～120%、单相电压40%～130%之间可将输出电压一直稳定在100%。AVC可实现四象限调节,所以适用于各种类型负载,不受负载类型约束[7]。典型的DVR和AVC电压暂降治理装置拓扑结构如图7所示。

图7 典型的DVR和AVC电压暂降治理装置拓扑结构

该卷烟厂配电系统发生暂降时有以下几个特点:电压暂降深度大概率在50%以下,持续时间为1周波～150周波,每次发生电压暂降时,停机的工艺设备都不同,不是固定设备停机;敏感负荷主要为电机类负载;重要的敏感负荷分别分布在不同的变压器下,电压等级为0.4 kV。

该项目中电压暂降治理方案需要对单机功率300 kVA等大容量的设备进行部分治理,从稳定性、适用性和性价比角度考虑,治理方案选择非储能设备AVC最适合。

3.3 电压暂降治理设备实验室检测

非储能AVC进行电压暂降治理设备型式试验。依据电力行业标准DL/T 1229—2013《动态电压恢复器技术规范》在实验室进行检测,主要性能测试项目包括空载电压发生试验、响应时间测试、自动补偿试验、额定补偿时间测试、最小补偿间隔时间测试等。电压暂降治理装置测试效果如图8所示。

图8 电压暂降治理装置测试效果

由图8(a)～图8(c)可见,当电网电压分别发生单相、两相和三相电压暂降,电压暂降深度为50%时,即由230 V跌落到115 V,设备的电压暂降补偿时间分别为1.32 ms、1.36 ms和1.36 ms,并且电压暂降的补偿度均大于90%;由图8(d)可见,装置的额定补偿时间为3.96 s,当发生电压暂降时设备可以快速响应,支撑馈线电压,保证电压在正常范围内,为敏感负荷提供可靠电力保障。