萬新新，王 鼎

(1.安徽徽電科技股份有限公司，安徽 合肥 230093;2.安徽尚途電力保護設(shè)備有限公司，安徽 合肥 230093)

0 引言

大中型企業(yè)，特別是連續(xù)生產(chǎn)作業(yè)型的企業(yè)，須配備完備的供電電源，多母線、多變壓器、多斷路器拓撲成復(fù)雜的供電系統(tǒng)。電壓級別多涉及到110 kV，35 kV，10(6) kV，400 V。企業(yè)內(nèi)網(wǎng)任何一個支路出現(xiàn)短路都會造成整個系統(tǒng)的電壓跌落，而且發(fā)生短路的支路電壓等級越高，影響面越大。短路發(fā)生后，該支路的保護裝置將動作于支路斷路器跳閘，切除故障支路。

現(xiàn)有的微機綜保控制斷路器切除短路故障的時間大多需要80 ms 左右，這也是母線電壓凹陷的時間。電壓凹陷是指從短路發(fā)生時刻，母線電壓陡降，至短路故障被切除，電壓恢復(fù)正常這段過程，企業(yè)一般稱為“晃電”現(xiàn)象，國標稱為電壓暫降。

1 晃電的危害性

現(xiàn)有的保護裝置和開關(guān)設(shè)備，切除故障的時間很難滿足敏感性重要負載對低電壓容忍的時間，這也是某條支路短路導(dǎo)致其他重要支路大片停機的原因所在。一旦一條支路發(fā)生短路故障，引起母線電壓迅速跌落，同一母線下其他支路重要負載因低電壓而受到影響，可導(dǎo)致停機停產(chǎn)事故的發(fā)生，這給企業(yè)生產(chǎn)帶來重大經(jīng)濟損失。

短路故障過程中，異步電動機在低電壓期間以發(fā)電方式向短路故障點反饋輸出短路電流，直到繞組內(nèi)的磁場衰減完畢或短路點被切除，此過程為“一次沖擊”。一般異步電動機的衰減時間常數(shù)τ為30 ms 左右，就是說只要短路故障持續(xù)3τ左右的時間，電機磁場就會衰減殆盡；當(dāng)短路故障點被切除時刻，母線電壓進入恢復(fù)期，所有在網(wǎng)的異步電動機同時重建磁場，向電網(wǎng)索取相當(dāng)于電機群額定電流總和的5～7 倍無功電流，形成強烈的電流沖擊，稱為“二次沖擊”。二次沖擊電流在該系統(tǒng)變壓器和線路的阻抗上會形成較大的壓降，降低了電動機的機端電壓，延緩了母線電壓的恢復(fù)過程，造成長時間的低壓過流。當(dāng)造成沖擊電流的電機總?cè)萘窟_到本系統(tǒng)電源容量的40 %以上時，母線電壓極易停留在70 %以下，一旦這些電機處于額定負載狀態(tài)，必然導(dǎo)致電機群失穩(wěn)停轉(zhuǎn)。

2 晃電事故實例分析

2.1 系統(tǒng)簡介

某公司25 萬t 精己二酸項目一次主接線如圖1 所示，110 kV 側(cè)及10 kV 側(cè)均為單母線分列運行，1 號、2 號變壓器容量40 MVA，總降站內(nèi)有多路饋出線，由總降站的兩段母線分別去下級開閉所，有南區(qū)、北區(qū)、綜合、熱電等。圖1 中僅示意了熱電及北區(qū)開閉所的接線情況，其他開閉所等同。

圖1 一次主接線

2.2 事故過程描述及分析

2.2.1 事故過程

熱電開閉所的污水變支路開關(guān)柜內(nèi)因有老鼠進入，導(dǎo)致了兩相短路故障，微機保護裝置故障，并未啟動支路斷路器k1 動作。此過程中，總降站母線電壓跌落嚴重，總降及熱電開閉所快切裝置閉鎖未動作，北區(qū)、南區(qū)、綜合等開閉所內(nèi)的快切裝置均啟動失壓快切功能，將故障電源切除，采用正常電源供電?？烨泄δ茈m都已經(jīng)啟動，可是仍然導(dǎo)致各開閉所內(nèi)不少敏感重要負荷跳機。短路故障持續(xù)約200 ms 后，熱電開閉所的進線開關(guān)k2 跳閘，切除短路故障，而短路點的開關(guān)k1 約在故障發(fā)生后的500 ms 后最終動作切除短路點。

本次事故導(dǎo)致熱電開閉所熱電Ⅱ段所有負荷全部停機以及其他開閉所內(nèi)的帶變頻器的電動機及其他敏感負荷都停機，事故影響范圍很大，直接造成該單位約千萬元級的損失，并且恢復(fù)生產(chǎn)需要的時間較長。

2.2.2 事故分析

微機保護裝置故障導(dǎo)致該支路斷路器未及時動作，是整個事故的首要原因，但本系統(tǒng)配置的所有快切裝置沒有起作用，也是導(dǎo)致其他開閉所的負荷停機的重要原因。

敏感類負荷對電源的要求如下：開關(guān)電源、電磁閥、低壓繼電器可容忍的凹陷寬度一般為20～30 ms；無低電壓穿越功能的變頻設(shè)備可容忍的凹陷寬度不大于30 ms；交流接觸器可容忍的凹陷寬度不大于40 ms；電動機群可容忍的凹陷寬度不大于50 ms。

為進一步分析快切裝置的切換時間，調(diào)取快切裝置事故及相關(guān)錄波記錄核實。啟動方式：欠壓啟動；切換方式：串聯(lián)；實現(xiàn)方式：快速切換；啟動跳閘時間：59 ms；完成跳閘時間：109 ms；啟動合閘時間：109 ms；完成合閘時間：169 ms；完成切換時間：169 ms。而敏感類負荷并不能忍受169 ms的切換時間而不跳閘。常規(guī)工程定義的快切裝置整個切換時間=快切控制器的判斷及出口時間+常規(guī)開關(guān)分閘時間+常規(guī)開關(guān)合閘時間，而這個切換時間一般均大于100 ms。

3 快速開關(guān)抗晃電技術(shù)

3.1 快速開關(guān)簡介

快速開關(guān)采用電磁斥力原理[1]的“渦流驅(qū)動”技術(shù)，是一種電容器儲能的渦流盤驅(qū)動的永磁保持的直動式真空斷路器[2]，分閘時間小于5 ms，合閘時間小于15 ms。

斥力金屬渦流盤平時非常接近線圈，當(dāng)電容對線圈放電時，線圈中產(chǎn)生磁場，磁場穿過渦流盤，渦流盤中感應(yīng)出渦流；伴隨渦流出現(xiàn)的是感應(yīng)磁場，感應(yīng)磁場的方向與線圈的磁場永遠相反，兩個磁場之間就產(chǎn)生斥力，驅(qū)動渦流盤運動到另一個線圈附近，通過連桿帶動開關(guān)動觸頭運動，完成開關(guān)合分閘動作。

3.2 快速切除技術(shù)

末端支路或單負載支路均可采用快速開關(guān)，即快速開關(guān)取代了現(xiàn)在常用的彈簧儲能的中速真空斷路器。其一次方案如圖2 所示。

圖2 快速切除技術(shù)一次方案

采用快速開關(guān)不影響微機綜保及其他保護設(shè)備的配置。短路故障時，由快速開關(guān)配套的快速判斷控制單元驅(qū)動，可實現(xiàn)20 ms 內(nèi)切除故障支路，而微機綜保起到后備保護作用。欠壓、過壓及過流等常規(guī)保護，仍由微機綜保驅(qū)動開關(guān)分合。

3.3 深度限流維持母線電壓技術(shù)

根據(jù)支路負荷電流及額定電壓，可以計算負荷阻抗，假定在該支路配置一個等效阻抗，且與快速開關(guān)并聯(lián)，即可實現(xiàn)深度限流維持母線電壓。其一次方案如圖3 所示。

圖3 深度限流維持母線電壓技術(shù)一次方案

如圖3 所示，系統(tǒng)正常運行時，k1/k2 和k0均合閘，等效阻抗Z 不投入系統(tǒng)。當(dāng)下級分配電室出現(xiàn)短路故障時，快速測控單元驅(qū)動快速開關(guān)可在20 ms 內(nèi)將Z 投入系統(tǒng)中，將支路短路電流限制為額定電流，并將母線殘壓恢復(fù)到額定電壓的90 %以上，將事故影響范圍縮小到最小化。當(dāng)短路故障被k2 切除后，快速測控單元立即給快速開關(guān)k0發(fā)出合閘命令，等效阻抗Z 退出，本支路正常運行。

系統(tǒng)等效模型圖如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)等效模型

圖中Z0為電源側(cè)的總阻抗，Z1為負荷等效阻抗，k0 為快速開關(guān)。正常工作狀態(tài)k0 合閘，即為額定電流，當(dāng)d1 點出現(xiàn)短路故障，即為短路電流，此時k0 動作分閘，Z1投入系統(tǒng)，則快速抬升了系統(tǒng)側(cè)電壓，維持了系統(tǒng)穩(wěn)定運行；短路故障解除后，此時快速測控單元檢測電流約為額定電流的1/2 倍，則認為短路故障解除，命令K0 合閘，系統(tǒng)恢復(fù)初始運行狀態(tài)。當(dāng)然，在實際工程應(yīng)用中考慮到繼電保護的相互配合性，等效阻抗一般是小于實際負載阻抗的，抬升系統(tǒng)電壓到90 %左右。

深度限流維持母線電壓技術(shù)適用于多負載支路，常用于開閉所的進線側(cè)或總降站的多負載饋出線側(cè)。

3.4 雙電源快速切換技術(shù)

對于電源側(cè)故障，想實現(xiàn)真正有效的快切功能，維持生產(chǎn)供電連續(xù)性，不至于有負荷停機或跳閘，得從“快”的各個方面來保證才行。測控單元和開關(guān)必須都得“快”，快速開關(guān)的分閘時間較常規(guī)開關(guān)要快6～10 倍，合閘時間要快3～6 倍，只要測控單元判斷出口+快速開關(guān)的分閘時間+快速開關(guān)的合閘時間＜最敏感負荷的低電壓忍受時間，則應(yīng)該是有效的快速切換。雙電源快速切換技術(shù)一次方案如圖5 所示。

圖5 雙電源快速切換技術(shù)一次方案

為達到最佳使用效果，應(yīng)滿足下列先決條件：存在兩路正常狀態(tài)下互相獨立的同步電源，單路電源容量可以承載切換后的所有負荷，負載側(cè)不應(yīng)有發(fā)電機或風(fēng)、光、儲等其他電源。

4 快速開關(guān)抗晃電技術(shù)的應(yīng)用案例

4.1 系統(tǒng)主接線的優(yōu)化

圖6為晃電事故實例主接線圖(圖1)的優(yōu)化。圖中k1，k2 表示普通開關(guān)(常規(guī)彈簧儲能式真空斷路器)，k0，k3 表示快速開關(guān)(渦流驅(qū)動電容儲能式真空斷路器)，Z 為等效負荷阻抗。

圖6 優(yōu)化后一次主接線

4.2 快速開關(guān)抗晃電應(yīng)用分析

4.2.1 深度限流維持母線電壓技術(shù)應(yīng)用

當(dāng)饋出線的下級站污水變回路d1 點出現(xiàn)短路故障，則110 kV 總降站熱電饋線開關(guān)柜內(nèi)k0 快速動作20 ms 內(nèi)投入負荷等效阻抗Z，將該支路短路電流限制到接近額定電流水平，抬升總降站10 kV母線電壓到90 %左右?？偨嫡疽蛟撝范搪穼?dǎo)致的電壓凹陷時間縮短至敏感負荷可以忍受的范圍內(nèi)，有效確保非故障支路的其他負荷正常供電。短路故障最終由末端開關(guān)k2 切除，當(dāng)短路故障切除后，k0 自動合閘將等效阻抗Z 退出。

4.2.2 雙電源快速切換技術(shù)應(yīng)用

在熱電、北區(qū)、南區(qū)、綜合等開閉所的進線側(cè)配置雙電源快速切換技術(shù)，即采用快切控制器和快速開關(guān)的配合，當(dāng)d2 或d3 點任何一處出現(xiàn)短路故障，快速開關(guān)將故障電源切除，利用正常健康電源給兩段母線同時供電。應(yīng)用后，低電壓時間大幅度縮短，電機類負荷磁場衰減極小，磁場瞬時重建，變頻器、繼電器等敏感類設(shè)備不至于停機或跳閘。

4.2.3 快速切除技術(shù)應(yīng)用

快速切除技術(shù)一般應(yīng)用于末端支路，對于本工程如果經(jīng)濟允許完全可以在各開閉所的饋線采用快速開關(guān)，一方面可以提升供電連續(xù)性，另一方面也可以大幅度縮小末端支路電纜的截面，降低工程造價[3-5]。當(dāng)然上述深度限流維持母線電壓技術(shù)和雙電源快速切換技術(shù)的應(yīng)用已大幅度降低了晃電事故的影響，已基本滿足企業(yè)的用電連續(xù)性需求，具體是否則增設(shè)快速切除技術(shù)的設(shè)備取決于投資預(yù)算。

5 結(jié)論

總之，利用快速開關(guān)的快速切除技術(shù)可在20 ms 內(nèi)切除故障支路；利用快速開關(guān)+等效阻抗的深度限流維持母線電壓技術(shù)可有效確保該支路故障不至于影響上級母線的其他設(shè)備安全運行；利用快速開關(guān)的雙電源快速切換技術(shù)可減小因電源側(cè)故障影響下級負荷供電連續(xù)性；同時快速開關(guān)的應(yīng)用可大幅度減小電機磁場衰減，有效降低電機的二次沖擊。相信快速開關(guān)在抗晃電領(lǐng)域會有更廣的應(yīng)用。