大型工业企业供配电系统电压稳定性的研究

2022-01-23杨天亮程宝芳

山西冶金 2021年6期

杨天亮，程宝芳

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司能源与环境部，河北唐山 063200）

大型工业企业内部敏感性负荷居多且均为连续生产，对供电设备的稳定运行要求极高，无法承受短时的电压暂降。处于同一10 kV供电系统的负荷，任一条馈线回路发生两相、三相短路事故，都会造成所在110 kV变电站的10 kV系统的电压不同程度的降落，造成同一系统各个电压等级的用电敏感设备停电、跳闸，严重情况会造成生产紊乱，甚至危及人身及设备安全，给企业造成巨大的经济损失。

1 事故案例

1）事故经过。某部门卸船门机在进行正常生产作业过程中，由于门机行走中超过限位致使上机电缆断裂，导致电缆发生三相短路事故，10 kV高压柜瞬时动作跳闸。造成其所在110 kV变电站的10 kV系统电压降低。低电压导致所在同一系统的变频设备保护停机及低压设备因交流接触器瞬时低电压释放跳闸，影响工序正常生产。

2）动作情况分析。保护装置查看速断保护整定值为23 A、时间0，实际动作值为Ia=34 A，Ib=44 A，Ic=45.9 A，实际动作时间为28 ms，该设备保护装置可靠动作且正确。上级110 kV变电站开关未出现保护装置动作、开关跳闸情况，无开关越级跳闸。

3）事故影响。此卸船门机故障导致所在110 kV变电站10 kV母线出线瞬时低电压，具由故障录波见图1。从图1可以看出，电压降低至40 V，持续时间大约70 ms，进而造成所在110 kV变电站10 kV所带部分设备停机。跳闸的主要原因为：一是瞬时低电压导致部分低压设备的交流接触器线圈瞬间释放造成跳闸，二是变频器因欠电压保护动作跳闸。

图1 故障录波图形

2 针对此类事故的思考及改进

由上述故障经过可以看出如若避免类似情况发生应该从以下几方面着手：一是如何避免同一系统其余工序电压降低；二是如何缩短电压降低的时间；三是如何提高负荷侧的抵抗低电压的能力。

2.1 系统的改善

为避免故障时引起110 kV变电站10 kV母线大幅度电压降低，可在进线直接串联限流电抗器，以确保发生短路故障时电抗器发挥作用确保故障切除前短时稳定残压在运行电压80%以上（见下页图2）。

图2 改造前后电压降落对比

上述故障发生的10 kV配电室主要为临港码头门机装卸船运时使用，正常运行负荷电流较小，经与专业部门校核计算，可配置合适的电抗器，维持故障时短路时系统电压维持在85%以上，基本能够避免因此线路短路故障造成的大面积用电设备停电影响。由于作业性质特殊，此站所的负荷率仅为30%左右，因此电抗器的实际运行电流并不高，再加之门机负荷并非连续运行，故整体损耗较小、稳定性高，可保障110 kV变电所的稳定运行。

由于此方式需要在每个10 kV配电室进线进行加装，考虑综合投资及电抗器本身运行损耗影响，此方式建议在故障较为频发且运行负荷较小的10 kV配电室使用。

2.2 速动开关的改善

常规保护切断故障线路的时间为保护出口时间、开关分闸时间、燃弧时间之和，一般为40~80 ms之间。除燃弧时间为弧光熄灭的固有特性外，保护出口时间、开关分闸时间可考虑采用新工艺新技术，尽量压缩，对可以短时延时动作的变频类设备有极好的应用效果。一种配电柜增加限流装置，采用开关柜内断路器与电抗器并联的形式，它分两种运行模式：一种是正常运行是采用断路器通流模式运行，一种是大电流大功率运行模式，此方式需要快切装置将电抗器投入到故障线路中，维持系统残压在一定水平。

由于此方式需要在配电柜增加限流装置（见图3），需要替换原有的传统开关柜，且接线方式较为复杂，系统中加入较多的电气元器件及电气接点，因此考虑投运站所的实际物理位置要求及安全性要求，目前各配电室不适合进行此种改造，此方式适合新建变配电室时考虑采用。

图3 开关柜增加限流装置

2.3 负荷抵抗低电压能力

为保护自身功率单元的设备安全，变频器欠电压保护瞬时动作跳闸，经与变频厂家沟通联系，变频器本身的欠压保护动作延时不可调整，必须瞬时动作，否则会发生功率单元击穿事件。

经查阅资料可知，要提高变频器的抵抗系统瞬时低电压的能力，可以从三个方面入手：

1）力争变频器启动信号不丢失。有些型号变压器具备失电在启动功能，在瞬时低电压时。不需要人工进行复位操作，能自动复电后再启动。

2）在一定范围内调整变压器的设备参数。不同品牌的变频器抵抗瞬时低电压的能力是不一样的，在设备选型阶段应选择在大幅度低电压的条件下可以稳定工作的变频器。有的变频器当电压降低到额定值的90%便会停机，有的变频器当电压降低到额定值的60%左右才会停机，因此在设备选型阶段应充分考虑系统电压波动，选择抵抗电压晃动能力强的变频器，以免给后续运行阶段造成极大困扰。

3）在电压降低时能够有外界电压瞬时补充直流系统的电压。为补充系统瞬时电压降造成直流回路的电压跌落，可以利用蓄电池为变频器直流系统供电，为变频器提供直流辅助后备电源，保证变频器的稳定运行。

2.4 优化低压脱口线圈定值

为避免系统电压瞬降或瞬时中断对设备可能造成的影响和损害，在低压用户终端一般安装了低压、失压的脱扣保护装置，当系统电压低于整定值时，促使线圈脱扣，切断负荷。

经过厂内设备摸底排查，配合低压脱扣装置的用电设备疏于对此类整定值的管理和认识，没有根据自身负荷类型及需求进行调整，大多仍然保持出厂默认值，或是厂家为了节省设备成本，未安装延时回路。

对于一些精密、尖段、敏感用户设备，安装此类脱扣装置非常必要，但是如果大部分用户均设置这种低压脱扣装置，并且无延时瞬时动作的话，当电网发生故障并且正确动作切除的话，会导致同一系统低压脱扣装置大批量动作，引发用户供电中断，同时给电网带来极大冲击，甚至可能造成连锁事故导致系统奔溃。鉴于上述原因，做出以下建议：一是重要高端用户，优化低压脱扣定值设置，带延时动作避免电压瞬降影响；二是一般性负荷，建议降低此类定值灵敏度；三是临时性、、不太重要负荷且抗冲击能力强的电气设备，应考虑取消其低压脱扣线圈，减少停电面积，减少恢复送电的时间。

3 做好事故预判及恢复

在施工阶段，严把施工质量关，确保施工质量，减少因施工原因造成的故障。首先要保证设备的质量达标，对进场设备严把质量关，还应严格检查、认真安装调试，是保证设备稳定运行的前提。其次在施工过程中重视人的管理，人是决定工程优劣的关键因素，合理的组织人力资源、高水平的技能才能做出高质量的工程，才能避免因施工质量带来的运行难题。另外要重视先进技术、工艺、设备的应用。

同时，要加强停电预案的学习和演练，根据系统的变化，实时对应急预案进行修改与完善，同时组织相关人员进行学习和事故预演，提高职工的应急处置能力。