楊 洋, 史貴風, 徐獻清

[上海電器科學研究所(集團)有限公司, 上海 200063]

0 引 言

某卷煙廠經(jīng)過技術(shù)改造升級后,特別是數(shù)字式自動控制技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的大規(guī)模應用,如變頻調(diào)速器、可編程邏輯控制器(PLC),各種自動化生產(chǎn)線及計算機系統(tǒng)等敏感性用電設備的大量使用,這些設備對電壓暫降和短時間中斷時間非常敏感,短時間的電壓變化往往會造成設備不正常運行。電壓暫降會造成計算機、數(shù)字式控制器停止工作或在電壓恢復時自啟動,從而引起由其控制的自動化生產(chǎn)線停止工作,甚至無序啟動,生產(chǎn)流水線一旦被迫停運,不但正在流水線上被加工的產(chǎn)品報廢,而且生產(chǎn)線需要啟動,從而造成至數(shù)小時不等的生產(chǎn)停頓[1-2]。據(jù)該廠運維方反應,電壓暫降對制絲車間的影響最為嚴重。該卷煙廠制絲車間工藝復雜,整個車間多組設備組成一條生產(chǎn)鏈,某一臺設備發(fā)生非計劃停機,都可能影響整條生產(chǎn)線的正常運行,所產(chǎn)煙絲就會報廢,每次損失高達上百萬元。

在實際生產(chǎn)中多次發(fā)生由電壓暫降或者中斷引起的非計劃停產(chǎn)停機后,現(xiàn)場維護人員無法判定電壓暫降發(fā)生的原因。由于工廠內(nèi)部大型電機啟動、開關(guān)操作、變壓器以及電容器組投切等事件是由外部供電系統(tǒng)傳遞過來,因此在10 kV兩段進線端安裝具有瞬態(tài)時間捕捉能力的在線式電能質(zhì)量監(jiān)測儀,對該廠電能質(zhì)量進行長期監(jiān)測,捕捉電壓暫降事件的波形和特征量,比較發(fā)生暫降事件的時間與生產(chǎn)事故發(fā)生的時間。如果時間相吻合,基本上可以確定設備停機的原因是由外部電壓暫降引起,通過對這些電壓暫降事件進行統(tǒng)計分析,為后續(xù)的電壓暫降治理提供依據(jù)[3-4]。

1 電壓暫降監(jiān)測位置概述

該廠10 kV系統(tǒng)采用單母線分段進線方式,根據(jù)該企業(yè)的供配電系統(tǒng)實際運行情況,本次電壓暫降監(jiān)測依據(jù)GB/T 30137—2013《電能質(zhì)量 電壓暫降與短時中斷》,電壓暫降事件記錄出發(fā)閾值為0.9 p.u.～0.1 p.u.,低于0.1 p.u.,事件記錄顯示為中斷。系統(tǒng)的監(jiān)測點選擇分別位于10 kVⅠ段母線和Ⅱ段母線總進線端,系統(tǒng)10 kV總進線端監(jiān)測點位置如圖1所示;系統(tǒng)10 kVⅠ和Ⅱ段母線監(jiān)測點現(xiàn)場位置如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)10 kV總進線端監(jiān)測點位置

圖2 系統(tǒng)10 kVⅠ和Ⅱ段母線監(jiān)測點現(xiàn)場位置

2 電壓暫降監(jiān)測內(nèi)容

2.1 電壓暫降監(jiān)測事件統(tǒng)計

經(jīng)過3個月的實時在線監(jiān)測,監(jiān)測到的電壓暫降事件統(tǒng)計如表1所示。

表1 監(jiān)測到的電壓暫降監(jiān)測事件統(tǒng)計

由表1可以看出,電壓暫降發(fā)生的時間集中在2020年8月,發(fā)生電壓暫降的相序單相、兩相和三相都存在,兩段母線基本上同時發(fā)生電壓暫降,發(fā)生暫降的相序也都相同,可以推測電壓暫降是由外網(wǎng)傳遞過來。

2.2 電壓暫降事件前后波形

單相、兩相、三相電壓暫降事件前后波形如圖3～圖5所示。

圖3 單相電壓暫降事件前后波形

圖4 兩相電壓暫降事件前后波形

圖5 三相電壓暫降事件前后波形

由圖4可見,B相電壓一直保持不變,A相、C相連續(xù)發(fā)生電壓暫降,其中暫降時間最長持續(xù)3 s。經(jīng)過和卷煙廠運維人員確認,生產(chǎn)車間停機也發(fā)生在這段時間內(nèi),可以確定這是一起典型的兩相電壓暫降造成的設備停機事故。

3 電壓暫降治理方案及措施

3.1 卷煙廠供配電及負荷情況

該卷煙廠由市電二路10 kV高壓進線,低壓供配電系統(tǒng)采用單母分段接線方式,每臺主變壓器一用一備,整個廠區(qū)共5個區(qū)域,分別為動力車間、制絲車間、卷包車間、辦公室、南門。各主變壓器供電情況如表2所示。

表2 各主變壓器供配電情況

3.2 電壓暫降緩解措施

為了減少由電壓暫降造成用戶遭受不同程度的損失,需要供電部門、用戶和設備制造廠商共同努力,減少電壓暫降事件的次數(shù),降低暫降的嚴重程度和設備對電壓暫降的敏感度。解決電壓暫降的途徑和成本的關(guān)系如圖6所示[2]。

圖6 解決電壓暫降的途徑和成本的關(guān)系

3.2.1 系統(tǒng)側(cè)緩解

該卷煙廠處于中心城區(qū),周邊施工較多,電能質(zhì)量情況惡劣,并且從該廠運維方了解到該廠供電系統(tǒng)上一級110/10 kV專線下端還有其他生產(chǎn)企業(yè),因此通過電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的改造雖然可以降低電壓暫降帶來的影響,但是這類電壓質(zhì)量的改善是通過增加更多的線路和設備達到的,考慮到投資和效益的權(quán)衡,目前在電網(wǎng)側(cè)緩解電壓暫降的方案不太現(xiàn)實。

3.2.2 用戶側(cè)治理

該廠的技術(shù)設備升級已經(jīng)完成,對電壓暫降敏感的用電設備進行再次更換升級,也不具有實用性,所以目前應用最普遍的改善電壓暫降措施是在供電系統(tǒng)與用電設備的接口處安裝治理設備。常見電壓暫降治理設備主要分為以下幾種:靜態(tài)UPS、動態(tài)UPS、非儲能有源電壓調(diào)節(jié)器(AVC)、超級電容儲能動態(tài)電壓恢復器(DVR)、非儲能電壓驟降保護器(DYSC)等。這幾種治理設備各有優(yōu)缺點,不同工況和負載下治理設備適用性如表3所示[4]。

表3 不同工況和負載下治理設備的適用性

在線式靜態(tài)UPS功能強大,是最為傳統(tǒng)的一種保護方式,但維護成本高、占地面積大、還需為其配置特殊的空調(diào)機房,耗電量大,所以是性價比較低的一種方案。動態(tài)UPS一般為飛輪中壓動態(tài)UPS,多用于中壓兆瓦級部署,單臺年維護成本高昂,一般應用在精密的半導體產(chǎn)業(yè)大規(guī)模全產(chǎn)線治理,出于成本和占地空間考慮,其他企業(yè)一般不會選擇該治理方案[5]。

采用先進電力電子技術(shù)的DVR和AVC在消除電壓暫降、提高供電質(zhì)量和供電可靠性方面有著顯著的效果,作為一項成熟的技術(shù)廣泛應用于電壓暫降治理工程中。

DVR依靠外置的超級電容作為能量的主要來源,當供電電壓突變時,可以在幾個毫秒內(nèi)產(chǎn)生一個與電網(wǎng)同步的三相交流電壓,該電壓與電網(wǎng)電壓相串聯(lián),來補償故障電壓與正常電壓之差,從而使饋線電壓恢復到正常值及附近。DVR單機設備功率大小,除了元器件選型外,主要依托于超級電容的容量增大,一方面大功率設備勢必會導致超級電容數(shù)量變多,故障點變多,影響其瞬間放電的能力,另一方面也增加了投資成本[6]。

AVC沒有外置的儲能部分,通過電網(wǎng)電壓降低后的剩余能量進行補償,串聯(lián)注入變壓器實時疊加,可實現(xiàn)精度1%的實時精密調(diào)壓,在電網(wǎng)三相電壓60%～120%、單相電壓40%～130%之間可將輸出電壓一直穩(wěn)定在100%。AVC可實現(xiàn)四象限調(diào)節(jié),所以適用于各種類型負載,不受負載類型約束[7]。典型的DVR和AVC電壓暫降治理裝置拓撲結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 典型的DVR和AVC電壓暫降治理裝置拓撲結(jié)構(gòu)

該卷煙廠配電系統(tǒng)發(fā)生暫降時有以下幾個特點:電壓暫降深度大概率在50%以下,持續(xù)時間為1周波～150周波,每次發(fā)生電壓暫降時,停機的工藝設備都不同,不是固定設備停機;敏感負荷主要為電機類負載;重要的敏感負荷分別分布在不同的變壓器下,電壓等級為0.4 kV。

該項目中電壓暫降治理方案需要對單機功率300 kVA等大容量的設備進行部分治理,從穩(wěn)定性、適用性和性價比角度考慮,治理方案選擇非儲能設備AVC最適合。

3.3 電壓暫降治理設備實驗室檢測

非儲能AVC進行電壓暫降治理設備型式試驗。依據(jù)電力行業(yè)標準DL/T 1229—2013《動態(tài)電壓恢復器技術(shù)規(guī)范》在實驗室進行檢測,主要性能測試項目包括空載電壓發(fā)生試驗、響應時間測試、自動補償試驗、額定補償時間測試、最小補償間隔時間測試等。電壓暫降治理裝置測試效果如圖8所示。

圖8 電壓暫降治理裝置測試效果

由圖8(a)～圖8(c)可見,當電網(wǎng)電壓分別發(fā)生單相、兩相和三相電壓暫降,電壓暫降深度為50%時,即由230 V跌落到115 V,設備的電壓暫降補償時間分別為1.32 ms、1.36 ms和1.36 ms,并且電壓暫降的補償度均大于90%;由圖8(d)可見,裝置的額定補償時間為3.96 s,當發(fā)生電壓暫降時設備可以快速響應,支撐饋線電壓,保證電壓在正常范圍內(nèi),為敏感負荷提供可靠電力保障。

4 結(jié) 語

本文對某卷煙廠電壓暫降情況進行長時監(jiān)測,統(tǒng)計分析了整個測試期間電壓暫降事件特征,根據(jù)該卷煙廠實際情況,提出在用戶側(cè)治理電壓暫降的方案,比較各種電壓暫降設備的性能,確定采用非儲能AVC裝置,并結(jié)合實驗室對治理設備的測試,為后期該廠進行電壓暫降治理設備選型提供依據(jù)。