供電系統(tǒng)失電及電壓凹陷問題的治理

李大偉

(寶鋼不銹鋼有限公司能源環(huán)保部，上海 200431）

供電系統(tǒng)失電及電壓凹陷問題的治理

李大偉

(寶鋼不銹鋼有限公司能源環(huán)保部，上海 200431）

寶鋼不銹鋼有限公司供電系統(tǒng)由于外部事故或內(nèi)部故障以及非正常停電，時常造成電網(wǎng)電壓大幅波動或短時斷電情況，造成重大損失。結(jié)合高爐風(fēng)機(jī)房低壓改造項(xiàng)目，對變電所進(jìn)行了電源快切以及控制電源UPS技術(shù)改造，有效地解決了失電及電壓凹陷對供電系統(tǒng)的影響，確保了鼓風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行。

電源快切；同期；逆功率；UPS

1 引言

失電及電壓凹陷是長期困擾供電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的難題，根據(jù)IEEE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定把電壓短時間下降這一現(xiàn)象稱為電壓凹陷(Voltage sag)，其定義為：供電系統(tǒng)中某點(diǎn)的工頻電壓均方根值突然下降至額定值的10%～90%，并在隨后的10 ms～1 min的短暫持續(xù)期后恢復(fù)正常。典型的電壓凹陷事件持續(xù)時間在0.5～30個周期。電壓凹陷產(chǎn)生的原因主要包括系統(tǒng)運(yùn)行和用戶用電兩方面[1]，系統(tǒng)方面的原因有各種短路故障、雷擊致使保護(hù)動作、開關(guān)操作、變壓器以及電容器組的投切等；用戶方面的原因有內(nèi)部短路、大型電機(jī)的啟動以及軋機(jī)等沖擊性負(fù)荷的投運(yùn)。其中短路故障和感應(yīng)電機(jī)起動是最主要的兩個原因。短路故障可能引起深度電壓凹陷，而電機(jī)起動可能造成較長持續(xù)時間的電壓凹陷。本文結(jié)合750高爐風(fēng)機(jī)房電源快切及控制電源UPS改造項(xiàng)目，論述了不銹鋼事業(yè)部低壓系統(tǒng)應(yīng)對失電及電壓凹陷措施，對今后同類380 V供電系統(tǒng)技術(shù)改造具有一定的借鑒意義。

2 750風(fēng)機(jī)房系統(tǒng)簡介

750高爐風(fēng)機(jī)房變電所高壓電源引自750高爐3#配電室，經(jīng)6 kV/0.4 kV變壓器送至低壓變電所，變電所為單母分段運(yùn)行，380 V供電系統(tǒng)為IT不接地系統(tǒng)，主要用電負(fù)荷為公司1#、2#鍋爐以及750高爐鼓風(fēng)機(jī)的重要輔助設(shè)備，包括鍋爐給水泵，送、引風(fēng)機(jī)，油泵，冷凝水泵等，變電所電氣圖如圖1。

750風(fēng)機(jī)房變電所內(nèi)主要用電設(shè)備如給水泵等均由接觸器控制電動機(jī)的啟停，而控制電源引自380 V母線,經(jīng)380 V/220 V隔離變壓器送至各控制回路，所以系統(tǒng)出現(xiàn)失電或電壓凹陷時，控制電源隨之波動，經(jīng)測試當(dāng)電壓值低于70%，則造成低壓接觸器釋放，送引風(fēng)機(jī)等重要輔助設(shè)備停機(jī)，從而連跳風(fēng)機(jī)，造成750高爐休風(fēng)，極大地影響公司鐵水的產(chǎn)量，給生產(chǎn)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

3 380 V電源快速切換升級改造

3.1 傳統(tǒng)備自投的原理

圖1 750高爐風(fēng)機(jī)房低壓變電所電氣圖

傳統(tǒng)備自投一般以開關(guān)變位、檢無壓、檢無流為判據(jù)，根據(jù)以往的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，備自投切換沖擊電流大、投切時間長（約為0.5～1.5 s），主要原因是備自投工作原理在啟動條件上，一般均采用失壓啟動，因?yàn)楣さV企業(yè)，由于存在大量的感應(yīng)電動機(jī)，母線失壓后電動機(jī)惰行（性質(zhì)為發(fā)電機(jī)狀態(tài)，反向母線充電），反饋電壓下降較慢，在短時限內(nèi)維持較高水平，為了避免備用電源合上瞬間，系統(tǒng)電壓與電動機(jī)反饋電壓之間反相或是相位差過大造成過大的沖擊電流（如合閘時，三相電流相位差相差120°，則相當(dāng)于三相短路，給系統(tǒng)造成惡劣事故，燒毀設(shè)備或極大影響生產(chǎn)），備自投裝置往往設(shè)定較長的延時和較小的低電壓定值。以避開失電后母線上的殘壓，防止備自投裝置快速切換后，由于備用電源與失電母線較大的壓差、頻差以及相角差，而產(chǎn)生巨大的系統(tǒng)沖擊，而導(dǎo)致備自投切換失敗或造成事故擴(kuò)大。

所以，當(dāng)故障發(fā)生時，即使備自投切換成功，也會由于投切時間較長，而導(dǎo)致母線電壓損失嚴(yán)重，導(dǎo)致母線上大部分電動機(jī)類負(fù)載停機(jī)（電動機(jī)控制電源取自系統(tǒng)，電壓降到低值將無法保持控制回路接觸器可靠吸合釋放，從而造成電動機(jī)停機(jī)），導(dǎo)致工業(yè)企業(yè)一些重要區(qū)域大面積停產(chǎn)。

3.2 電源快切原理及應(yīng)用

為解決失電及電壓凹陷對供電系統(tǒng)的影響，我們采用電源快速切換的方式實(shí)現(xiàn)重要負(fù)載的電源的在線切換，確保負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行，單母分段方式如圖2。

系統(tǒng)正常運(yùn)行時，母線1由進(jìn)線1供電，母線2由進(jìn)線2供電。即進(jìn)線開關(guān)1DL、2DL閉合，母聯(lián)開關(guān)3DL斷開。當(dāng)任意一路電源失去時，電源快切均能（迅速跳開失電進(jìn)線開關(guān)后，合母聯(lián)開關(guān)的方式）迅速投入另一側(cè)進(jìn)線電源，實(shí)現(xiàn)電源的快速切換。

圖2 單母分段方式接線示意圖（正常運(yùn)行）

3.2.1 電源快切起動方式

電源快切包括保護(hù)起動、無流起動、逆功率起動三種快速起動方式，具體如下：

（1）保護(hù)起動。將線路/線變組/主變等電源側(cè)設(shè)備的快速主保護(hù)接點(diǎn)引入到快切裝置中，一旦檢測到電源側(cè)主保護(hù)動作，裝置立即起動切換，跳開故障線路開關(guān)，合上母聯(lián)開關(guān)3DL，迅速投入備用電源。

（2）無流起動。當(dāng)裝置檢測到進(jìn)線電流小于無流起動整定值且頻差大于無流起動頻差定值時，經(jīng)整定延時裝置起動切換功能。邏輯圖如圖3。

無流起動方式主要用于進(jìn)線本側(cè)保護(hù)無法接入到裝置的情形。當(dāng)進(jìn)線發(fā)生故障且被其他保護(hù)（可能是對側(cè)的保護(hù)）跳開時，進(jìn)線開路，頻率（設(shè)定頻率閉鎖Fwlqd=0.5 Hz，GB/T 15945-1995《電能質(zhì)量 電力系統(tǒng)頻率允許偏差》規(guī)定，系統(tǒng)容量較小時，頻率波動可放寬到±0.5 Hz）下降，同時電流必然迅速降低為零值，所以無流起動是應(yīng)對事故僅次于保護(hù)的起動方式。

圖3 無流起動邏輯圖

（3）逆功率起動。當(dāng)無進(jìn)線快速保護(hù)接點(diǎn)起動裝置切換時，逆功率起動可實(shí)現(xiàn)故障情況下的快速切換。當(dāng)A、B、C任一相滿足逆功率條件即進(jìn)行快切起動，逆功率起動延時最少要整定為相鄰線路主保護(hù)的動作時間+該進(jìn)線開關(guān)的跳開時間，逆功率定義如下：

①相電流反向（定義從進(jìn)線流向母線為電流正方向）；

②相電流大于0.1 A；

③線電壓小于90%額定值。

保護(hù)起動、無流起動、逆功率起動，只能從“正常狀態(tài)”切換到“進(jìn)線1或進(jìn)線2帶兩段母線（母聯(lián)開關(guān)合閘）的運(yùn)行狀態(tài)”。在任一路進(jìn)線失電后，實(shí)現(xiàn)裝置的快速起動功能。

3.2.2 電源快切的實(shí)現(xiàn)方式

實(shí)現(xiàn)方式即用來描述電源快切跳事故進(jìn)線開關(guān)、合備用開關(guān)的動作過程，具體如圖4所示。

圖4 快切實(shí)現(xiàn)方式邏輯圖

快切啟動后，立即檢測失電母線和待并電源側(cè)的壓差、頻差、相差，當(dāng)壓差|du|＜“切換壓差”，且頻差|df|＜“切換頻差”，且相差|dq|＜“切換相差”滿足切換條件后，執(zhí)行快速切換，完成跳進(jìn)線、合母聯(lián)工作。當(dāng)快速切換不成功時，同期切換作為后備切換方式。同期捕捉切換的原理是實(shí)時跟蹤母線電壓和備用電壓的頻差和角差變化，當(dāng)各差值達(dá)到設(shè)定范圍內(nèi)時即進(jìn)行投切，不必等到失電母線電壓下降到低值，避免了投切過程，兩段母線電氣量不同產(chǎn)生的沖擊，實(shí)現(xiàn)電源的快速切換（約200 ms）。

圖5 快速切換電氣量變化圖

3.2.3 電源快切的閉鎖方式

為防止快切動作于故障造成事故擴(kuò)大，采用進(jìn)線瞬動保護(hù)信號閉鎖以及方向過流閉鎖相結(jié)合方式進(jìn)行改造，將進(jìn)線開關(guān)QF1（QF2）的過流保護(hù)保護(hù)動作信號接入快切裝置，防止母線故障時動作合閘。同時，采用方向過流閉鎖方式，當(dāng)電流為正方向（定義從進(jìn)線流向母線的電流為正方向）且電流值大于“方向過流閉鎖定值”時，裝置閉鎖切換，該定值大于最大負(fù)荷電流，小于本線路過流一段定值。采用事故信號與方向過流相結(jié)合閉鎖的方式，避免快切于故障，確保供電系統(tǒng)安全運(yùn)行。

4 快切與繼電保護(hù)配置協(xié)調(diào)優(yōu)化

單母分段運(yùn)行方式進(jìn)行電源快切改造后，需將繼電保護(hù)與快切功能協(xié)調(diào)分析，以實(shí)現(xiàn)電源快切與繼電保護(hù)的最優(yōu)配置，改造后繼電保護(hù)配置如下：

（1）無時限電流速斷保護(hù)，保護(hù)裝置動作電流應(yīng)避開線路末端最大三相短路電流[2]，即：

Ki——電流互感器變比；

Kjx——接線系數(shù)，接于線電流時取1；

Kk——可靠系數(shù)，DL型繼電器取1.2～1.3，GL型繼電器取1.5～1.6。

保護(hù)裝置靈敏度系數(shù)按被保護(hù)線路始端短路時，流經(jīng)保護(hù)安裝處的最小二相短路電流校驗(yàn)。

投用電源快切功能后，無時限電流速斷保護(hù)，保護(hù)裝置動作電流還應(yīng)避開切換瞬間線路的最大沖擊電流，即：

式中，Ijf——最大運(yùn)行方式時，快切動作時母線的最大尖峰電流；尖峰電流可以根據(jù)快切動作時故障錄波來確定，所以無時限電流速斷保護(hù)依照式（1）與式（2）綜合考慮確定。

（2）限時電流速斷保護(hù)，保護(hù)裝置動作電流應(yīng)避開相鄰元件（線路或變壓器）末端的最大三相短路電流，還必須與相鄰元件的電流速斷保護(hù)動作電流相配合，即：

KP——配合系數(shù)；

Idzl——相鄰元件的電流速斷保護(hù)裝置一次動作電流。

靈敏度系數(shù)按線路末端短路時的最小兩相短路電流校驗(yàn)；動作時限一般取t=0.2～0.5 s，同時動作時限一定要滿足t≥tq，tq為電源快切動作時尖峰電流的持續(xù)時間。

（3）后加速保護(hù)功能。為防止電源切換后合閘于故障線路，裝置提供了后加速保護(hù)功能。切換過程中，在母聯(lián)開關(guān)閉合后，后加速保護(hù)投入5 s。保護(hù)原理如圖6。

圖6 后加速保護(hù)邏輯圖

5 控制回路UPS電源改造

針對電動機(jī)控制回路在電壓凹陷時，接觸器低電壓瞬時釋放問題，根據(jù)GB 50055-93《通用用電設(shè)備配電設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，低壓重要電動機(jī)必要時，可采用電壓繼電器和時間繼電器，當(dāng)電源電壓中斷后在規(guī)定時限內(nèi)恢復(fù)時，其接觸器應(yīng)維持吸合狀態(tài)。為了應(yīng)對電壓凹陷的影響，我們將750風(fēng)機(jī)房變電所送引風(fēng)機(jī)、給水泵等重要回路的控制電源改造為UPS電源供電，并通過電壓繼電器和時間繼電器進(jìn)行控制，依據(jù)電壓凹陷基本在0.5～30個周期時間范圍，改造設(shè)定為母線失電后，電動機(jī)UPS控制電源維持2 s后斷電，解決了電壓凹陷對系統(tǒng)的影響。

6 結(jié)束語

750風(fēng)機(jī)房低壓變電所進(jìn)行電源快切及UPS電源改造后，極大地增強(qiáng)了供電系統(tǒng)抵御失電及電壓凹陷的能力，提高了供電的可靠性，母線失電后，快切裝置可在200 ms內(nèi)完成備用電源切換，從2009年6月項(xiàng)目完成至今，有效避免因失電及電壓凹陷造成風(fēng)機(jī)停機(jī)3次，確保了公司750高爐的正常生產(chǎn)，為公司創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。同時電源快切結(jié)合UPS控制電源成功實(shí)施，為今后供電系統(tǒng)應(yīng)對失電及電壓凹陷拓展了新思路，具有重要意義。

[1]王大居.電網(wǎng)電壓凹陷及其解決辦法探討[J].冶金動力，2007，（3）：1-3.

[2]賀家李，宋從矩.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理[M].北京：中國電力出版社，1994.

Treatm ent of Power Blackout and Voltage Sags in Electrical Power Supp ly System

LI Dawei
(The Energy and Environment Protection Department of Baosteel Stainless Steel Co.,Ltd.,Shanghai 200431,China)

Internal and external faults and abnormal breakdowns inside or outside the power supply system of Baosteel Stainless Steel often caused sharp voltage fluctuations or short-term blackouts,resulting in big economical losses.Through measures of quick power switching and technological modification of UPS control power of the transformer plant combined with the project of low voltage technological transformation for the BF blast fan,the problems of electrical breakdown and voltage sags were effectively solved,ensuring safe operation of the blast fan.

quick power switch;synchronization;reverse-power;UPS

TM7

B

1006-6764(2014)03-0006-04

2013－07－08

李大偉（1981－），男，2006年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)，工程師，現(xiàn)從事電氣設(shè)備管理工作。