礦山電力系統(tǒng)電壓暫降的治理

劉占波，潘慧龍，常海莎

（河北鋼鐵集團礦業(yè)有限公司機電檢修分公司，河北唐山 063700）

1 事故現(xiàn)象

2020年3月12日排巖配電室排土機6923高壓電纜絕緣損壞，造成A、C兩相短路；2020年6月10日常峪II段695架空線路B相導線從絕緣子脫落與兩邊相搭接，造成三相短路；2020年8月22日研山中碎3#圓錐電機接線盒內(nèi)一相電源接線端子在電機接線柱處脫落，造成弧光短路；2020年8月29日南區(qū)6#主井分支線下樹過高同時觸碰線路兩相，造成相間短路，此類型故障在電力系統(tǒng)中屬于嚴重故障，間接造成整個系統(tǒng)母線短路。短路故障會引起系統(tǒng)電流驟增，電壓抖動嚴重，由于斷路器和綜保裝置固有動作時間，導致故障切除時間較長，電壓敏感類的設備無法躲過短路故障引起的低電壓持續(xù)時間，造成大面積的停車事故。

2 事故原因

系統(tǒng)短路故障的發(fā)生為概率事件，通過統(tǒng)計1年發(fā)生的事故報告，可以看出此類事故多發(fā)生在碎采和架空線路的供電系統(tǒng)，該系統(tǒng)的配電設施存在以下問題：①處在露天和粉塵環(huán)境，外界造成的不可控因素較多；②露天礦單體高壓設備較多，電纜敷設裸露且路徑不固定；③環(huán)境復雜惡劣，導致設備維護和保養(yǎng)不到位。以上原因造成廠區(qū)外的供電系統(tǒng)短路故障發(fā)生概率較高，給整個供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成嚴重影響。

高壓供電系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生短路故障切除時間太長無法躲過敏感設備電壓波動耐受期，因此“故障切除和隔離時間”是解決問題的根本途徑。供電系統(tǒng)短路故障在不考慮主變與故障點之間阻抗的前提下，可以認為變壓器側(cè)發(fā)生短路，它會造成變壓器電流驟增，根據(jù)能量守恒定律變壓器輸出電壓肯定降低，目前由于常規(guī)斷路器和綜保裝置固有動作時間無法在一個周波內(nèi)（20 ms）完成故障點的切除。電壓在一個周波內(nèi)發(fā)生波動對敏感設備無影響，超過一個周波會導致設備停車。

通過查閱國內(nèi)知名品牌的綜保裝置出現(xiàn)故障判斷時間為20～30 ms，目前使用的高壓真空斷路器的分閘動作時間為33～45 ms，交流電壓電弧過零時間為16 ms左右。波動電壓從故障到恢復正常運行電壓時間稱為斷路器開斷短路故障的時間，約80 ms，因此目前常規(guī)斷路器和綜保裝置速斷動作的固有時間根本無法躲過敏感設備電壓波動耐受期。

3 解決目前問題途徑

措施：①對高壓柜進行改造更換快速斷路器和加裝快速控制器，確保在20 ms內(nèi)完成短路故障點的切除，將故障點與母線系統(tǒng)直接隔離或是購買成套母線殘壓保持裝置，在20 ms內(nèi)在故障點與母線系統(tǒng)之間串入阻抗進行分壓，間接將故障點與母線系統(tǒng)隔離。兩種途徑最終目的都是在20 ms內(nèi)將故障點與系統(tǒng)母線隔離，保障故障點以外的其他設備在20 ms內(nèi)不受電壓波動影響；②在重點區(qū)域敏感設備的低壓配電室如：司家營主廠低壓配電室安裝HKSBW型大功率穩(wěn)壓器，當高壓系統(tǒng)發(fā)生短路故障引起電壓降低時，能自動保持輸出電壓穩(wěn)定，以保障用電設備正常運行，確保主要設備不停車；③增加供電系統(tǒng)容量。

4 系統(tǒng)運行工況及問題

某110 kV變電站下級有13個6 kV開閉所、7個10 kV開閉所和5個35 kV箱式變壓器，每個開閉所或直供負荷有短路故障，影響整個系統(tǒng)，當系統(tǒng)任一支路有短路故障，母線電壓降低，且大電機在這個電壓暫降時間內(nèi)衰減會提供5～9倍的反饋電流，更會拉低整個母線電壓，造成其他負荷甚至大面積停電事故，引起其他車間設備停車。每年電壓暫降造成的停電事故不少，給企業(yè)帶來的損失很大。

目前高壓供電系統(tǒng)真空斷路器的控制電源一般情況下為直流，不會因為高壓供電交流系統(tǒng)電壓低而跳閘，而且持續(xù)時間比較短，這就是發(fā)生“晃電”后高壓系統(tǒng)無任何報警的原因所在。如果高壓斷路器未跳閘，它所帶的異步電動機在低壓期間一直在運轉(zhuǎn)，并以發(fā)電方式向短路故障點輸出短路電流，直到電機磁場衰減完畢或故障點切除，電動機磁場衰減時間30～40 ms，系統(tǒng)晃電時間在100 ms，因此電動機在“晃電”期間磁場將衰減完畢。這樣就存在一個問題，當故障點被切除后母線電壓進入恢復期，在網(wǎng)的電動機開始重建磁場相當于重新啟動，在此期間系統(tǒng)電機群需要向電網(wǎng)索取相當于電機群額定電流總和5～7倍的無功電流，對電網(wǎng)造成二次沖擊，二次電流沖擊在變壓器和線路阻抗上形成較大壓降，延緩了母線電壓恢復過程，也就是電動機磁場重建的過程。這就是綜保裝置和斷路器切除短路故障后，經(jīng)常還會發(fā)生大面積停車的原因。

其根本原因都是故障切除時間太長，只要短路故障切除時間保證在20 ms內(nèi)，高壓系統(tǒng)就不會發(fā)生因“晃電”引起的各種聯(lián)鎖反應。

5 治理方案

5.1 根據(jù)系統(tǒng)情況制定改造方案

根據(jù)系統(tǒng)情況制定以下改造方案：在供電可靠性高的配電室進線加裝阻開母線殘壓保持裝置；在供電可靠性一般的配電室進線加裝直開母線殘壓保持裝置；適合改造的場所加裝快速斷路器。

母線殘壓保持裝置主要由快速換流器、限流阻抗、綜合控制器和后備開關(guān)等組成。正常工作時后備開關(guān)、快速換流器處于合閘狀態(tài)，當發(fā)生短路故障時，母?？刂破魍ㄟ^電流互感器測到短路電流，經(jīng)“短路故障快速判斷算法”精確到在2 ms內(nèi)判斷出系統(tǒng)故障，隨即發(fā)出快速開關(guān)分閘信號，裝置在20 ms內(nèi)將母線殘壓保持裝置內(nèi)阻抗投入線路，補償本支路因短路而損失的阻抗，將本支路電流從短路電流限制到額定電流以內(nèi)，從而維持了母線剩余電壓在85%以上，保障母線對其他未發(fā)生短路故障的支路連續(xù)供電，非故障支路電動機不會低壓釋放，避免電機衰減輸送反饋電流沖擊。

若短路故障被切除后，本支路的工作電流恢復到正常范圍，恢復本支路的正常供電；若短路故障點切除失敗，控制器延時200～500 ms向后備進線開關(guān)發(fā)出分閘指令，作為后備手段最后切除故障。

改造設備范圍：

（1）對研山中碎配電室5116 1#圓錐、5115 2#圓錐、5135 3#圓錐、5136 4#圓錐共4面高壓柜進行改造，在原有高壓柜基礎上改造，安裝快速控制器ZK-05，快速高壓斷路器12 kV-1250 A/40 kA。

（2）對司家營一期6 kV配電室：坑口配電室、粗破配電室、膠帶配電室、排巖配電室4個高壓配電室進線高壓柜進行改造，安裝成套母線殘壓保持裝置型號為：ZRD-3-6.3 kV-1250 A/40 kA-RC（阻開），安裝方式：串入每段進線柜。

（3）對110 kV站6 kV配電室：675常峪I段、695常峪II段、672坑口I段、623坑口II段、628排巖I段、631排巖II段、671膠帶I段、694膠帶II段、611粗破I段、637粗破II段、612露天1#、685露天2#、625南區(qū)6#、615南區(qū)5#共15面高壓柜進行改造，在原有高壓柜基礎上改造，安裝快速控制器ZK-05，快速高壓斷路器12 kV-2000 A/40 kA。

5.2 安裝集中式大功率穩(wěn)壓器

高壓系統(tǒng)發(fā)生短路故障引起低壓系統(tǒng)電壓降低造成大面積停車，根據(jù)生產(chǎn)工藝流程，在重要生產(chǎn)設備的低壓配電室安裝大功率穩(wěn)壓設備，在系統(tǒng)電壓降低時由該設備進行穩(wěn)壓，保障生產(chǎn)流程中重要的低壓設備不停車，避免整個生產(chǎn)線停產(chǎn)事故。

司家營北區(qū)生產(chǎn)工藝流程復雜，需要相關(guān)生產(chǎn)部門確定重要的生產(chǎn)設備和低壓配電室，根據(jù)配電室所帶設備的重要性安裝大功率穩(wěn)壓設備，在此以司家營主廠高壓室I段所帶的變壓器為例。

產(chǎn)品配置如下：

變壓器容量為630 kV·A，配置穩(wěn)壓器型號為HSBW-1000 kV·A，輸入電壓：265～495 V，輸出電壓：380 V±5%可調(diào)；變壓器容量為1600 kV·A，配置穩(wěn)壓器型號為HSBW-2000 kV·A，輸入電壓：265～495 V，輸出電壓：380 V±5%可調(diào)；變壓器容量為1600 kV·A，配置穩(wěn)壓器型號為HSBW-1600 kV·A，輸入電壓：265～495 V，輸出電壓：380 V±5%可調(diào)。

大功率穩(wěn)壓器其穩(wěn)壓過程是：根據(jù)輸出電壓的變化，由電壓檢測單元采樣，檢測并輸出信號控制伺服電機轉(zhuǎn)動，帶動調(diào)壓變壓器上的電刷組滑動（或滾動），調(diào)節(jié)調(diào)壓變壓器的二次電壓，以改變補償變壓器的極性和大小，實現(xiàn)輸出電壓自動穩(wěn)定。

將穩(wěn)壓器輸入端接入降壓后的交流母線，輸出自動穩(wěn)壓，穩(wěn)壓范圍AC 265～456 V，穩(wěn)壓精度380 V±（1%～5%）可設定，廠區(qū)敏感設備供電電壓都可以穩(wěn)定。在一定程度上能夠提高低壓敏感設備運行的穩(wěn)定性。

在重要生產(chǎn)設備的低壓配電室安裝大功率穩(wěn)壓設備，在系統(tǒng)電壓降低時由該設備進行穩(wěn)壓，保障生產(chǎn)流程中重要的低壓設備不停車，避免整個生產(chǎn)線停產(chǎn)事故。

5.3 增加供電系統(tǒng)容量

在發(fā)生故障時電力系統(tǒng)的電源總阻抗數(shù)值不超過短路電路阻抗的5%到10%，或設計的電力系統(tǒng)的容量超過用戶實際供配電系統(tǒng)使用容量50倍時，可以將電力系統(tǒng)看作為無限大容量系統(tǒng)。對于一般供電用戶的配電系統(tǒng)而言，由于用戶的實際容量遠比電力系統(tǒng)總?cè)萘啃?，而實際阻抗又比電力系統(tǒng)的大很多，此時供配電系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生短路故障時，電力系統(tǒng)涉及到的變電站母線上的電壓幾乎維持不變，因此可將電力系統(tǒng)看作是無限大容量系統(tǒng)。因此適當增加110 kV變電站變壓器容量，如多投入一臺變壓器，可以在一定程度上提高系統(tǒng)的短路沖擊能力、保持系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性。

6 結(jié)束語

通過以上分析，電壓暫降引起的大范圍停電故障原因已很清楚，解決方法也已闡述，無論通過什么方法，原理都是將故障點與系統(tǒng)母線隔離，保障故障點以外的設備不受影響，因為本供電系統(tǒng)過于龐大，短路故障點眾多，很難做到每個故障點安裝設備實現(xiàn)快速隔離。因此，以上方案是基于短路故障發(fā)生概率較高的部位進行改造，而不是完全解決供電系統(tǒng)中每個短路故障引起的停車事故，進行改造后能夠最大限度降低設備停車的概率。