系統(tǒng)“晃電”整體解決方案的探討

鄒桂平，王善立，高 寒

（1. 江西銅業(yè)集團(tuán)公司 材料設(shè)備部，江西 南昌 330096；2. 安徽恒凱電力保護(hù)設(shè)備有限公司，安徽 合肥 230001）

系統(tǒng)“晃電”整體解決方案的探討

鄒桂平1，王善立2，高 寒2

（1. 江西銅業(yè)集團(tuán)公司 材料設(shè)備部，江西 南昌 330096；2. 安徽恒凱電力保護(hù)設(shè)備有限公司，安徽 合肥 230001）

供電系統(tǒng)是企業(yè)電網(wǎng)的重要?jiǎng)恿碓?，是提高企業(yè)安全生產(chǎn)的重要保證。供電系統(tǒng)是否穩(wěn)定直接關(guān)系到整個(gè)生產(chǎn)設(shè)備能否正常運(yùn)行。通過分析供電系統(tǒng)及企業(yè)電網(wǎng)晃電產(chǎn)生的原因，區(qū)分晃電的基本類型，闡述晃電的主要危害，探索企業(yè)供電系統(tǒng)中晃電問題的解決對策，提出新型有效的治理方案。

企業(yè)電網(wǎng)；供電系統(tǒng)；晃電；電壓凹陷；母保；快切

1 引言

隨著電網(wǎng)的發(fā)展，容量及規(guī)模的不斷擴(kuò)大，晃電現(xiàn)象發(fā)生的頻率越來越多。現(xiàn)代化工礦企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模越來越大，電氣化設(shè)備越來越多，對晃電更不能忽視?；坞姵掷m(xù)時(shí)間雖然比較短，但對于正在持續(xù)生產(chǎn)的設(shè)備而言，一旦受到晃電影響而停機(jī)，將產(chǎn)生嚴(yán)重后果。瞬間的電壓波動(dòng)將造成數(shù)百臺(tái)電動(dòng)機(jī)跳閘、設(shè)備停機(jī)，電網(wǎng)電壓恢復(fù)后電機(jī)不能自行恢復(fù)運(yùn)行，導(dǎo)致連續(xù)生產(chǎn)過程紊亂，并有可能造成生產(chǎn)及設(shè)備事故。對于大型裝置來說，如果人工進(jìn)行恢復(fù)，花費(fèi)的時(shí)間比較長，而對于一些無人值守的野外裝置，恢復(fù)的時(shí)間就更長。對于石油、化工、冶金等連續(xù)生產(chǎn)裝置來說，產(chǎn)生的諸如安全、環(huán)保、廢品、原料浪費(fèi)、產(chǎn)量降低、效益低下等一系列損失是非常巨大的。

2 什么是“晃電”

晃電是指供電系統(tǒng)在正常運(yùn)行中因雷擊、對地短路、發(fā)電廠故障及其他原因造成電網(wǎng)電壓短時(shí)大幅度波動(dòng)，甚至短時(shí)斷電的現(xiàn)象［1］。晃電的發(fā)生形式有三種:（1）電壓短時(shí)越限或跌落，即電網(wǎng)電壓短時(shí)間內(nèi)驟升至額定電壓的110%～180%或驟降至額定電壓的10%～90%，持續(xù)時(shí)間為0.5個(gè)周波到數(shù)秒。（2）電壓閃變，即短時(shí)間內(nèi)電壓波形以某種固定方式變化或者隨機(jī)變化。（3）短時(shí)電壓中斷，即由于備用電源自動(dòng)投入或者重合閘引起的0.5周波到3s的供電中斷［2］。

如圖1所示，內(nèi)部電網(wǎng)（簡稱“內(nèi)網(wǎng)”）總降母線上某條支路發(fā)生短路故障d，母線電壓出現(xiàn)驟降，在斷路器K切除該故障支路前，母線上所有的負(fù)荷將一直處于低電壓工況，短路故障切除后，電壓才開始恢復(fù)，由于異步電動(dòng)機(jī)群磁場重建的二次沖擊電流會(huì)延緩母線電壓的恢復(fù)時(shí)間，這個(gè)母線電壓從驟降直至恢復(fù)到額定電壓70%以上的短暫低電壓供電的“電壓凹陷”現(xiàn)象，稱為“晃電”。

圖1 典型系統(tǒng)一次圖

3 “晃電”造成事故的根本原因

晃電是否給企業(yè)造成停電損失，取決于母線上負(fù)荷是否能成功實(shí)現(xiàn)低電壓故障穿越，即負(fù)荷對低電壓的忍耐時(shí)間與晃電時(shí)間的博弈結(jié)果。

晃電時(shí)間包括：繼電保護(hù)判斷時(shí)間、斷路器固有分閘時(shí)間、燃弧時(shí)間和電壓恢復(fù)時(shí)間之和，一般要超過80ms，甚至更長。

從圖2的時(shí)序圖就可以看出：中、低壓的變頻器和低壓系統(tǒng)的繼電器、接觸器、電磁閥等，忍耐極限一般就只有20～30ms，必然穿越失敗。但是，可以通過采用一些附加設(shè)備或軟件優(yōu)化的方法，延長這些設(shè)備對低電壓的忍耐時(shí)間，實(shí)現(xiàn)低電壓穿越。

然而，問題的要點(diǎn)不在這，中、低壓系統(tǒng)斷路器的控制電源為直流，不會(huì)因交流系統(tǒng)的低電壓而跳閘，因此它們所控制的異步電動(dòng)機(jī)在低電壓期間則一直在網(wǎng)，并以發(fā)電方式向短路故障點(diǎn)反饋輸出短路電流，直到繞組內(nèi)的磁場衰減完畢或短路故障點(diǎn)被切除，此過程為電機(jī)的“一次沖擊”；一般異步電動(dòng)機(jī)的繞組短路衰減時(shí)間常數(shù)為30～40ms［3］，就是說只要內(nèi)網(wǎng)短路故障持續(xù)30～40ms的時(shí)間，電機(jī)的磁場就會(huì)衰減殆盡，變成掛在網(wǎng)上減速旋轉(zhuǎn)的鐵疙瘩。

圖2 晃電期間相關(guān)事件變化時(shí)序圖

當(dāng)短路故障點(diǎn)被斷路器K切除時(shí)刻，母線電壓進(jìn)入恢復(fù)期，所有在網(wǎng)的異步電動(dòng)機(jī)同時(shí)重建磁場，此時(shí)電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)裝置都處于退出狀態(tài)，實(shí)際上就是“電機(jī)群直接啟動(dòng)”，啟動(dòng)伊始要向電網(wǎng)索取相當(dāng)于電機(jī)群額定電流總和5～7倍的無功電流，形成強(qiáng)烈的電流沖擊，此過程稱為電機(jī)的“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(huì)形成較大的壓降，降低了電動(dòng)機(jī)的機(jī)端電壓，致使電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩不足，影響了電機(jī)轉(zhuǎn)速恢復(fù)，并增加了過流時(shí)間，客觀上延緩了母線電壓的恢復(fù)過程，也就是電動(dòng)機(jī)磁場重建的過程。只要當(dāng)造成沖擊電流的電機(jī)群總?cè)萘窟_(dá)到本系統(tǒng)電源容量的40%以上時(shí)，母線電壓極易低于70%（電磁轉(zhuǎn)矩小于50%），一旦這些電機(jī)處于額定負(fù)載狀態(tài)，必然導(dǎo)致電機(jī)群失穩(wěn)停轉(zhuǎn)，最終使該系統(tǒng)崩潰［4］。

這就是，即使斷路器K成功地切除了內(nèi)網(wǎng)短路故障，還是經(jīng)常會(huì)發(fā)生大面積停電事故的根本原因。

4 現(xiàn)有的治理措施

4.1 串聯(lián)支路電抗器方案

如圖3，在需要保護(hù)的母線的每條出線串聯(lián)支路電抗器，用以抬升支路短路故障（d1）時(shí)的母線剩余電壓，保障供電。

支路電抗器方案也存在一定的問題，尤其是當(dāng)電抗器進(jìn)線側(cè)電纜頭故障時(shí)（如圖3所示d2點(diǎn)），電抗器反而起不到保障母線供電的作用。

這是目前針對內(nèi)網(wǎng)晃電的典型設(shè)計(jì)。

4.2 “防晃電模塊”和“延時(shí)重啟繼電器”解決方案

“防晃電模塊”是針對繼電器、接觸器，在晃電時(shí)延長線包保持時(shí)間的一種低壓系統(tǒng)的解決方案，達(dá)到晃電時(shí)不跳閘的效果?？墒菬o法解決異步電機(jī)的“二次沖擊”問題［5］。

因此，為了避免二次沖擊，不得不有選擇地使用防晃電模塊，先接受部分跳閘的事實(shí)，事故后利用“分批延時(shí)重啟繼電器”，將跳閘的負(fù)荷根據(jù)工藝特點(diǎn)、容量大小預(yù)先分組，在跳閘后自動(dòng)分批重啟，以期盡快恢復(fù)生產(chǎn)。該方案不僅要求熟悉生產(chǎn)工藝，而且接線復(fù)雜，實(shí)際操作難度大，并且，由于模塊本身的可靠性低于被保護(hù)對象的可靠性，又衍生出更多的故障。

這兩種方案只針對低壓系統(tǒng)，并不能解決中壓系統(tǒng)的晃電問題。

4.3 “快切”解決方案

如圖4所示,有時(shí)將電源開路故障（K偷跳）片面地認(rèn)為就是“晃電”，因此提出了一種“快切”解決方案，即針對電源開路故障的“備自投”控制器；對短路故障d1可能引發(fā)的二次沖擊問題，則主張?zhí)粢徊糠重?fù)荷，再分批延時(shí)重啟。指導(dǎo)思想與上述方案有類似的不足之處［6］。

關(guān)鍵是此“快切”方案僅提供控制器，而K1～3還是采用普通斷路器，當(dāng)K0切除d1故障點(diǎn)時(shí)刻，也就是K1開斷時(shí)刻，電源已經(jīng)恢復(fù)正常，K1斷開純屬多余；再合K3，整個(gè)切換時(shí)間遠(yuǎn)大余K0開斷時(shí)間“即晃電時(shí)間”，用大于晃電時(shí)間的操作治理晃電，不符合邏輯。

尤其是對于故障點(diǎn)d2，對母線來說，屬負(fù)荷故障，快切還不能動(dòng)作，母線上的負(fù)荷還是要承受d2故障的影響。因此，治理晃電，單方面考慮快切策略，還顯不足。

5 晃電治理的思想要素

5.1 “減小二次沖擊”是方向

變頻器、接觸器等都有抗晃電治理辦法，但是，異步電動(dòng)機(jī)在電壓恢復(fù)時(shí)刻的“二次沖擊”卻是造成大面積停電事故的根本原因。

針對這一客觀物理現(xiàn)象，減小異步電動(dòng)機(jī)的“二次沖擊”，避免電機(jī)在二次沖擊期間停機(jī)事故的發(fā)生，是治理晃電的方向。

5.2 “縮短晃電時(shí)間”是要點(diǎn)

停產(chǎn)即事故！必須在事故發(fā)生前完成治理。

因此，縮短晃電時(shí)間—在事故即將發(fā)生前就提前結(jié)束晃電是治理的要點(diǎn)。

圖5中可以看出，將“晃電期間”壓縮到“原事故點(diǎn)”（20ms時(shí)刻）之前即可避免變頻器及低壓負(fù)載等設(shè)備停運(yùn)事故的發(fā)生，而且實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)證明，只要在短路后第一個(gè)大半波（小于20ms）之內(nèi)將短路故障隔離，就可以將異步電動(dòng)機(jī)的“二次沖擊”電流限制到2倍左右額定電流以內(nèi)，避免電機(jī)失穩(wěn)，確保生產(chǎn)的連續(xù)性。

圖5 晃電治理時(shí)序圖

5.3 “快速設(shè)備”是物質(zhì)基礎(chǔ)

因此，20ms之內(nèi)完成“故障判斷”和“執(zhí)行操作”的“快速”制備，是成功治理晃電的物質(zhì)基礎(chǔ)，尤其是基于加拿大Max-Swi公司制造的5ms內(nèi)分閘的“渦流驅(qū)動(dòng)”快速開關(guān)而成套的母線殘壓保持裝置（ZRD）和高速斷路器及切換控制器裝置（MS），是綜合治理晃電的重要設(shè)備。

5.4 “孤立故障點(diǎn)”是策略

如圖6所示，對于造成內(nèi)網(wǎng)晃電的短路故障點(diǎn)d4，采取兩頭治理的策略：一頭是在故障點(diǎn)的電源側(cè)，即母線支路開關(guān)的位置，采用“母線殘壓保持裝置”（ZRD）簡稱“母?！保?］，來快速隔離故障點(diǎn)對母線電壓的影響，保障母線對其它非故障支路的連續(xù)供電；另一頭是在故障點(diǎn)的負(fù)荷側(cè)，采用“快速斷路器及切換控制器裝置”（MS）簡稱“快切”，將故障點(diǎn)以下的負(fù)荷切換到備用段電源或電壓已經(jīng)被“母?！被謴?fù)的本段其它支路的電源上。這樣可以將故障點(diǎn)徹底地從系統(tǒng)中孤立出去，去除故障點(diǎn)的負(fù)面影響，最大限度地保障系統(tǒng)對所有負(fù)荷的供電連續(xù)性。

6 晃電治理總體解決方案

總體解決方案示意圖見圖7。

圖6 典型10kV系統(tǒng)治理晃電解決方案示意圖

圖7 晃電整體解決方案示意圖

表1 各晃電故障點(diǎn)及治理方案

（續(xù)表）

各晃電故障點(diǎn)及治理方案說明簡表見表1。

7結(jié)語整體解決方案是將系統(tǒng)中各種可能故障點(diǎn)徹底地從系統(tǒng)中孤立出去，去除故障點(diǎn)的負(fù)面影響，最大限度地保障系統(tǒng)對所有負(fù)荷的供電連續(xù)性。

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圖11 改造前后電位對比

6 結(jié)束語

貴冶硫酸干吸濃硫酸管道由最初的鑄鐵管逐步改造成為陽極保護(hù)不銹鋼管道，解決了鑄鐵管難以檢修的問題，節(jié)約備件成本和檢修費(fèi)用，保證銅酸系統(tǒng)的正常生產(chǎn)，消除人身和設(shè)備的安全隱患，避免了因跑、冒、滴、漏造成的環(huán)境污染和設(shè)備腐蝕。

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Discussion on Integrated Solution of System “Interference Electricity”

ZOU Gui-ping1, WANG Shan-li2, GAO Han2
（1. JCC Material & Equipment Department, Nanchang 330096, Jiangxi China; 2. Anhui Heng Kai Power Protection Equipment Co. LTD, Hefei 230001, Anhui, China）

The power supply system is the important power source for power grid enterprise, is the important guarantee of improving the enterprise safe production, is related to the whole production equipment operation normal or not. In this paper, the cause of interference electricity occurred and the basic types are analyzed, the main harm is expounded and the solutions and countermeasures are discussed, the new type and effective governance scheme is proposed.

enterprise grid；power system interference electricity；voltagedip；Busbar protection device；fast cutting

TM732；TM712

A

1009-3842（2015）01-0071-06

2014-12-19

鄒桂平（1982-），男，江西新余人，本科，主要從事國內(nèi)電氣設(shè)備采購。E-mail: pjxo8204@163.com