高占海

（酒泉鋼鐵（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，甘肅嘉峪關(guān) 735100）

引言

由于外部電網(wǎng)或內(nèi)部電網(wǎng)的故障，系統(tǒng)異常停電、電壓暫降或者短時中斷時有發(fā)生，這給鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)帶來了極大的影響。目前，解決該問題的措施一般是一次系統(tǒng)采用雙電源，甚至多電源供電，再通過二次系統(tǒng)的備自投裝置進(jìn)行輔助。由于鋼鐵企業(yè)需連續(xù)性供電，帶有大量的電動機負(fù)荷，備自投裝置動作時間一般為1～2 s，甚至更長，此時電動機已切除。另外，如有重要高壓電動機延遲時間較長沒有被切除，也因母線無壓，電動機轉(zhuǎn)速迅速下降，影響生產(chǎn)，同時影響產(chǎn)品質(zhì)量。當(dāng)供電恢復(fù)時，電動機自啟動電流較大，也會對電網(wǎng)造成沖擊。綜上可知，備自投裝置在大型鋼鐵企業(yè)里未起到真正保證供電連續(xù)性的作用。

1 電壓暫降成因

電壓暫降是電力系統(tǒng)中一種不可避免的偶發(fā)性瞬態(tài)故障，主要是由于電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障、啟動大容量設(shè)備或雷擊等造成。

短路故障發(fā)生時，所在開路的保護(hù)裝置會將支路切除。從短路故障發(fā)生到故障切除的這個時間內(nèi)，系統(tǒng)電壓從跌落到恢復(fù)的過程，稱為電壓暫降，一般跌落深度<0.5 p.u.。

目前電力系統(tǒng)及電力網(wǎng)中保護(hù)判斷和斷路器動作切除故障時間之和大約是70～110 ms，可知電壓暫降持續(xù)時間也為70～110 ms。電壓暫降有效值波形圖見圖1，在t0=0 ms 時刻故障發(fā)生，t1=20 ms 時刻保護(hù)出口，t2=60 ms 時刻開關(guān)跳閘，t3=70 ms 時刻故障切除、電壓恢復(fù)正常。因此，故障判別時間太長和斷路器切除故障太慢是電壓暫降的主要成因。

圖1 電壓暫降有效值波形圖

2 電壓暫降對敏感設(shè)備的影響分析

2.1 開關(guān)電源的影響

開關(guān)電源的輸入范圍一般為175～265 V，高級的開關(guān)電源輸入范圍為85～265 V。輸入電壓一旦過高或過低，脈寬調(diào)制（PWM）控制器都將無法正常工作，此時前端的輸入過欠壓保護(hù)單元會啟動保護(hù)，開關(guān)電源停止輸出。由于短路引起的電壓下降速度很快，1～2 個周波之后將下降到額定電壓的40%以下，而開關(guān)電源暫降深度的耐受時間<30 ms，超過此時間將停止工作。

2.2 電動機的影響

鋼鐵企業(yè)中所用的三相電動機大多是異步電動機，帶有一定負(fù)荷。如果三相電動機電壓下降，電動機功率也隨之降低，電動機轉(zhuǎn)速大幅度降低，轉(zhuǎn)子磁場在定子繞組中產(chǎn)生的反電動勢減少，使得定子電流超出電動機的額定電流，導(dǎo)致電動機長時間發(fā)熱燒損，影響生產(chǎn)。

2.3 變頻器的影響

鋼鐵企業(yè)電網(wǎng)主要是由眾多變電站/開關(guān)站組成，電壓以330 kV、110 kV、35 kV、10 kV、6 kV 等為主，其中10 kV 開關(guān)站覆蓋面最廣。10 kV 開關(guān)站在運行過程中最容易發(fā)生短路或過電流故障，從發(fā)生故障到故障解除的時間內(nèi)，非故障回路不會立刻斷電，但是會出現(xiàn)電壓暫降的狀態(tài)，也就形成了常說的“晃電”［1］。由于大多數(shù)變頻器都有過電壓、失壓和突然失電的保護(hù)功能，當(dāng)電壓突降時，變頻器會由于低電壓保護(hù)動作而停機自保，這不僅影響生產(chǎn)，也可能會在特殊場合引發(fā)爆炸事故。交直交變頻器原理圖見圖2。

圖2 交直交變頻器原理圖

3 電壓暫降及短時中斷治理措施

電壓暫降和短時中斷給鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)造成的損失有時是巨大的。電壓的瞬間波動不僅會導(dǎo)致電動機跳閘、變頻器等設(shè)備跳機，而且還可能損壞設(shè)備。電動機在故障排除后，電壓恢復(fù)時不能自啟動，恢復(fù)時間較長，不僅影響生產(chǎn)，還可能造成安全事故，損失無法估量。因此，為了減少電壓暫降及短時中斷帶來的損失，采用快速渦流驅(qū)動高速開關(guān)技術(shù)、區(qū)內(nèi)外短路電壓暫降治理技術(shù)、零損耗限流技術(shù)及主動干預(yù)型消弧選線技術(shù)對電壓暫降及短時中斷進(jìn)行治理。

3.1 快速渦流驅(qū)動高速開關(guān)技術(shù)

快速渦流驅(qū)動高速開關(guān)技術(shù)原理見圖3。正常工作時，依靠充電電源給分閘/合閘儲能電容進(jìn)行充電［2］。分閘時，放電控制開關(guān)控制分電回路中的可控硅導(dǎo)通，分閘儲能電容通過放電回路向分閘線圈放電，通過產(chǎn)生的脈沖磁場對渦流磁場作用，使渦流盤向下運動，動觸頭分閘。合閘原理與其相反，合閘線圈產(chǎn)生的脈沖磁場對渦流磁場作用，使渦流盤向上運動，觸頭合閘。

圖3 快速渦流驅(qū)動原理圖

由于該高速開關(guān)所需元件少，采用直接上下運行，摩擦力小，能夠?qū)崿F(xiàn)高速運動，10 kV 斷路器的分閘時間<5 ms，合閘時間<10 ms，各項指標(biāo)均優(yōu)于傳統(tǒng)斷路器，為實現(xiàn)治理新技術(shù)創(chuàng)造了條件。

3.2 區(qū)外短路電壓暫降治理技術(shù)

區(qū)外短路電壓暫降治理是通過采用一體化首波無擾動快速切換成套裝置，在系統(tǒng)發(fā)生區(qū)外短路引起電壓暫降時，在15 ms或30 ms內(nèi)將敏感負(fù)荷從故障系統(tǒng)快速切換到備用系統(tǒng)，從而保證敏感負(fù)荷不停電連續(xù)性運行的技術(shù)。

利用快速抗干擾識別技術(shù)，控制器在4 ms 內(nèi)能夠?qū)﹄妷汉碗娏鞯耐蛔冏龀雠袛?，分析出區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障，發(fā)出相應(yīng)的控制指令。斷路器使用快速渦流驅(qū)動技術(shù)，采用精確分相的控制方式，控制高速斷路器三相能夠在電流過零前的零點幾毫秒時斷開，從而減少斷路器觸頭的燃弧。系統(tǒng)判斷加動作總體時間可在15 ms 以內(nèi)完成，確保敏感負(fù)荷在區(qū)外短路電壓暫降時不停運。

當(dāng)任意一段區(qū)外發(fā)生電壓暫降，并且另外一段電源正常工作時，無擾動快切裝置在15 ms（低壓快切）、20 ms 或30 ms（中壓快切）完成負(fù)荷的切換，實現(xiàn)連續(xù)供電。

3.3 區(qū)內(nèi)短路電壓暫降治理技術(shù)

區(qū)內(nèi)短路電壓暫降治理采用母線殘壓快速保持成套裝置，在系統(tǒng)發(fā)生區(qū)內(nèi)短路引起電壓暫降時，將短路故障點快速隔離，減小對母線電壓的影響，提高母線殘壓，能夠在10 ms 內(nèi)將系統(tǒng)母線的殘壓穩(wěn)定在額定電壓的90%以上［2］，從而保證本系統(tǒng)及上級系統(tǒng)電壓暫降時間小于敏感負(fù)荷的耐受時間，防止系統(tǒng)發(fā)生大面積停電事故。

母線殘壓保持裝置原理見圖4。正常工作時，切除隔離開關(guān)、換流器開關(guān)合位，限流電阻未投入；當(dāng)發(fā)生短路故障時，裝置通過高保真測量單元監(jiān)測開路電流，在3 ms 內(nèi)給換流器發(fā)出分閘指令，此時限流電阻自動投入，補償損失的阻抗進(jìn)行深度限流，保證母線的剩余電壓，使正常開路不受影響。

圖4 母線殘壓保持裝置原理圖

當(dāng)故障切除后，裝置給換流器發(fā)出合閘指令，限流電阻退出，開路恢復(fù)正常供電。當(dāng)故障仍未切除時，裝置判定為所在開路斷路器或者母線故障，此時系統(tǒng)立即給切隔離開關(guān)發(fā)出分閘指令，切除所在開路。

3.4 零損耗深度限流技術(shù)

為防止短路電流超標(biāo)及提高變壓器抗短路沖擊能力，可以采用零損耗深度限流裝置。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生區(qū)內(nèi)短路，短路電流超過了斷路器的開關(guān)容量時，零損耗深度限流裝置能夠在20 ms 內(nèi)將短路電流限制在斷路器的安全開斷范圍，降低變壓器和發(fā)電機承受短路電流沖擊的時間，提高了變壓器和發(fā)電機抗短路電流的沖擊能力。

零損耗深度限流裝置原理見圖5。正常運行時，快速換流器處于合閘位，深度限流器被短接。由于快速換流器阻抗極小，深度限流器無電流通過，幾乎無損耗，無壓降，也不會產(chǎn)生漏磁場。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，高速數(shù)字信號處理器（DSP）通過專用的快速算法，在2 ms 左右快速預(yù)測出電流過零點，并按照預(yù)先設(shè)置的時間向快速換流器發(fā)出分閘指令，快速換流器在5 ms 左右快速分閘，在電流的第一次過零點投入深度限流器，實現(xiàn)深度限流。

3.5 主動干預(yù)型消弧選線裝置及綜合故障管控系統(tǒng)

根據(jù)運行經(jīng)驗，鋼鐵企業(yè)6～35 kV 中性點不接地系統(tǒng)中，單相接地發(fā)生的概率較高，發(fā)展過程大多為間歇性弧光接地、穩(wěn)定性弧光接地，最后發(fā)展成為金屬接地［3］。當(dāng)發(fā)生間歇性弧光接地時，過電壓最為嚴(yán)重，非故障相的電壓為正常運行的3.15～3.5 倍，甚至更高。電網(wǎng)中存在的高電壓會導(dǎo)致電氣設(shè)備和系統(tǒng)絕緣受損，出現(xiàn)絕緣薄弱點，最終導(dǎo)致電纜擊穿、電氣設(shè)備絕緣擊穿、互感器燒損等事故發(fā)生。

圖5 零損耗深度限流裝置原理圖

采用主動干預(yù)型消弧選線裝置，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生電壓高于或者低于規(guī)定的額定電壓時，主動干預(yù)型消弧選線裝置立刻發(fā)出報警信號并在裝置面板上顯示故障時間、類型和各相電壓。當(dāng)開口三角電壓由低電平變成高電平時，表明系統(tǒng)發(fā)生故障，這時對單相接地、斷線運行等故障類型和相別進(jìn)行判斷。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，則在20 ms 左右合上故障相接地開關(guān)，將故障相直接接地，熄滅接地電弧，并將弧光接地過電壓限制在線電壓值以內(nèi)，防止故障擴大。

4 結(jié)論

通過對電壓暫降的成因和電壓暫降對敏感設(shè)備的影響分析，總結(jié)出電壓暫降持續(xù)時間過長或短時中斷是敏感設(shè)備停運的直接原因。為減少電壓暫降持續(xù)時間，防止短時中斷，一方面應(yīng)縮短判別故障時間，另一方面應(yīng)縮短斷路器執(zhí)行時間。采用電壓暫降治理的關(guān)鍵技術(shù)可將電壓暫降持續(xù)時間壓縮在20 ms（周波級）內(nèi)，可有效避免敏感設(shè)備停運，防止事故進(jìn)一步擴大，減輕了操作和維護(hù)人員工作強度。