中壓放射形廠用電網(wǎng)絡(luò)運行風(fēng)險及對策

唐光昊，劉 蘇

(河南龍宇煤化工有限公司，河南 永城 476600)

1 放射形廠用電網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢及局限性

大容量用電企業(yè)的用電設(shè)備分布面積廣，生產(chǎn)連續(xù)性強，通常采用放射狀供電網(wǎng)絡(luò)。越來越多的鋼鐵企業(yè)、化工企業(yè)等用戶，重視廠用電的優(yōu)質(zhì)運行，在保障供電連續(xù)性、提高電能質(zhì)量方面加大了技術(shù)研究與應(yīng)用實踐，符合電力技術(shù)市場下一步的發(fā)展與推廣趨勢，可為生產(chǎn)系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟運行提供可靠支撐。

1.1 放射形廠用電網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢

放射形廠用電網(wǎng)絡(luò)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，可靠性較高，各回路負(fù)荷容量互不影響；故障發(fā)生后影響范圍小，切換操作方便，保護簡單，且電網(wǎng)擴展性強。近年來，為實現(xiàn)碳排放目標(biāo)，多數(shù)工業(yè)企業(yè)都加強了各種余熱的回收利用，各種環(huán)保型發(fā)電設(shè)備陸續(xù)問世，在電網(wǎng)中得到較多應(yīng)用。各回路可以帶車間變壓器或高壓電機、發(fā)電設(shè)備運行，也可以延伸為二級放射式網(wǎng)絡(luò)(如開閉所)至低壓負(fù)荷較為集中的區(qū)域；各回路相互獨立，供電設(shè)備和生產(chǎn)設(shè)備的容量可以靈活選擇。

中壓放射形廠用電網(wǎng)絡(luò)典型結(jié)構(gòu)如圖1。正常情況下，無論是k2還是k1處短路，只要流過短路點電流不超過該回路開關(guān)的開斷能力，保護裝置和斷路器均能正常動作，變電所6 kV母線電壓就能較快恢復(fù)，不會造成大面積停電事故。

圖1 中壓放射形廠用電網(wǎng)絡(luò)典型結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 放射形廠用電網(wǎng)絡(luò)的局限性

隨著工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的擴大和能源綜合利用技術(shù)的廣泛運用，各類電氣設(shè)備(尤其是近年來的各類節(jié)能發(fā)電機組)的增設(shè)，可能出現(xiàn)新的問題。以下以通用的中壓放射形廠用電網(wǎng)絡(luò)為例，分析有關(guān)問題。

1.2.1 電網(wǎng)的短路容量或超過安全限值

初始設(shè)計時電氣設(shè)備較少，通常將放射形電網(wǎng)的母線短路容量作為設(shè)備選型的依據(jù)，進線(S6101)與分支(S6102)的設(shè)備短路開斷能力通常選相同數(shù)值。

增設(shè)電氣設(shè)備后，某支路在靠近出線斷路器某處發(fā)生短路事故時(如圖1中k3位置)，由于后期節(jié)能改造增設(shè)了電源點(如圖1中S6102開關(guān)接入的發(fā)電機回路)，流過的短路電流有可能超過初始設(shè)計值，易出現(xiàn)斷路器不能可靠開斷切除故障而致事故擴大化。

因短路容量增大，為滿足準(zhǔn)確度要求，可能使電流互感器的額定電流被迫提高，導(dǎo)致其保護定值隨之升高(為躲過互感器測量死區(qū))，從而降低了最小運行方式下后備保護的靈敏度。

1.2.2 電壓波動停車風(fēng)險高

放射形電網(wǎng)各支路與源節(jié)點(如圖1中的SI母線)的電氣聯(lián)系緊密，有利于設(shè)備啟動時獲得高轉(zhuǎn)矩。但當(dāng)某支路發(fā)生短路時，該優(yōu)點將變?yōu)槿毕荩诠收锨谐臅r間內(nèi)，易造成母線電壓大幅跌落，對大轉(zhuǎn)矩設(shè)備和低壓變頻器等電壓敏感設(shè)備的運行造成嚴(yán)重影響，易致局部停車。

傳統(tǒng)設(shè)計思路以校驗短路容量合格作為目標(biāo)，已不能滿足當(dāng)今工業(yè)企業(yè)對供電系統(tǒng)電壓質(zhì)量方面的要求。

1.2.3 電氣保護裝置拒動后果嚴(yán)重

放射形廠用電網(wǎng)絡(luò)的支路通常較多，隨著設(shè)備服役時間的延長，繼電保護和斷路器拒動的概率上升。發(fā)生電氣故障時，繼電保護和斷路器拒動后，將依賴于進線開關(guān)的后備保護功能，而進線開關(guān)后備保護動作時間較長，短路對供電線路和設(shè)備會造成較大沖擊，電網(wǎng)電壓長時間處于低位，易導(dǎo)致全廠停車。

1.2.4 系統(tǒng)電容電流超出消弧裝置設(shè)計容量

系統(tǒng)電容電流增加，有可能超出原有消弧裝置的設(shè)計容量，系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后，可能發(fā)生危險。現(xiàn)有消弧裝置普遍具有系統(tǒng)電容電流檢測功能，用戶在供電系統(tǒng)擴展后應(yīng)密切跟蹤有關(guān)數(shù)據(jù)的變化，控制風(fēng)險。

2 提高中壓放射形廠用電網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的策略

2.1 一次設(shè)備穩(wěn)定策略

在電源側(cè)安裝深度限流裝置(如圖2中的S6102回路)，在故障率較高的饋線回路安裝母線殘壓保護裝置(如圖2中的S6103回路)，可以限制短路電流并維持系統(tǒng)電壓在安全范圍內(nèi)，同時降低故障電流對變壓器、聯(lián)絡(luò)電纜等重要供電設(shè)施的沖擊。

圖2 中壓放射形廠用電網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性優(yōu)化示意圖

深度限流裝置和母線殘壓保護裝置的阻抗可選范圍通常在6%～80%，對短路的抑制能力較強，在發(fā)生故障的瞬間即可自動快速動作。系統(tǒng)正常運行時，并聯(lián)的快速開關(guān)處于閉合狀態(tài)；當(dāng)設(shè)備流過故障電流時，并聯(lián)的快速開關(guān)在15 ms內(nèi)斷開，迅速投入電抗器，使上級節(jié)點電壓快速恢復(fù)至65%以上，為非故障節(jié)點的中壓變頻器等電壓敏感設(shè)備的連續(xù)運行創(chuàng)造條件。

深度限流技術(shù)應(yīng)用的主要風(fēng)險存在于控制部分和開關(guān)動作機構(gòu)，需綜合評估控制電源、控制器、布線系統(tǒng)、儲能元件等主要風(fēng)險點，計算失效概率，按照N-1或N-2(N-1-1)(對工業(yè)企業(yè)綜合效益影響大而風(fēng)險度較高時)原則，合理選擇電抗器的容量。風(fēng)險值計算的目標(biāo)是，將風(fēng)險控制在可容許范圍內(nèi)。研究深度限流技術(shù)應(yīng)用風(fēng)險時，還應(yīng)評估短時投入的高阻抗元件對保護靈敏度的影響，校驗保護電流和電壓的啟動值，以免造成后備保護設(shè)備設(shè)施失效。

2.2 二次系統(tǒng)穩(wěn)定策略

2.2.1 據(jù)負(fù)荷性質(zhì)確定電網(wǎng)風(fēng)險的可容許度

繼電保護的任務(wù)是維持廠用電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。出現(xiàn)短路、接地等擾動時，對大容量電網(wǎng)而言快速切除故障段是繼電保護的首要任務(wù)。當(dāng)電網(wǎng)靈敏性與選擇性難以兼顧時，應(yīng)以保靈敏度為主，防止保護拒動，并備案報主管領(lǐng)導(dǎo)批準(zhǔn)。

對于電網(wǎng)分支回路較多的系統(tǒng)，在保證核心生產(chǎn)裝置和設(shè)備安全運行的前提下，必要時在非核心裝置有關(guān)的供電節(jié)點犧牲選擇性，保障靈敏性和速動性，優(yōu)先保障電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

為提高主保護的可靠性，在饋出電源的線路配置光纖差動保護，保障主保護具有足夠的靈敏度，且確保構(gòu)成主保護的故障判斷元件是物理獨立(結(jié)構(gòu)冗余)或者邏輯獨立(不同原理的邏輯冗余)的。

重點加強近后備保護的可靠性，盡可能縮短保護的動作時限。兩級以上層級的后備保護配合時間較長，易造成重大損失，可將其作為最后防線，但不是快速識別和切除故障研究的重點內(nèi)容。

2.2.2 純負(fù)荷回路安全策略

對于純負(fù)荷回路(如車間變電所或電動機)，若出現(xiàn)缺相、高阻短路或接地等異常情況，最終都會轉(zhuǎn)換為保護動作而使設(shè)備停運。由于純負(fù)荷回路故障初期(尚未發(fā)展為相間短路)相電流較小，通常達不到速斷保護定值，可以采取電流序向量啟動(如零序或負(fù)序元件)經(jīng)短延時動作來快速切除故障，以降低電纜或繞組接地引發(fā)弧光相間短路的風(fēng)險。

通常為躲過電機啟動瞬間的激磁涌流，可以對電流序分量采取0.1～0.2 s的延時，該方法比利用傳統(tǒng)的相電流反時限或定時限等后備保護更加靈敏、迅速。如使用零序元件，應(yīng)選用獨立的零序電流互感器，在6～10 kV電網(wǎng)中應(yīng)避免使用繼電保護的自產(chǎn)零序來啟動零序保護。

2.2.3 電源饋出回路安全策略

對于電源饋出回路，若所接的高壓設(shè)備較多，可以采用復(fù)合電壓閉鎖的短延時電流保護來盡可能縮短動作時間，可取0.5 s。對于故障風(fēng)險度高而所帶設(shè)備較少(僅接帶400 V設(shè)備及少量的高壓動力負(fù)荷)的電源饋線回路，通過定值能識別故障范圍的，可以不考慮時間級差的配合，以允許的最小時間切除故障。

故障時，保護裝置應(yīng)瞬時(靈敏度達標(biāo)時的優(yōu)選項)或短延時(保護靈敏度不滿足要求的，對于采用彈簧操動機構(gòu)的真空斷路器可按0.2 s配置)切除故障。對于瞬時切除故障的回路，可以在線路末端(下級站進線及母聯(lián)柜)用快切裝置快速切換負(fù)荷(仍遵循主保護啟動、后備保護閉鎖常規(guī)邏輯)予以糾正。

2.2.4 電容電流超限治理策略

當(dāng)系統(tǒng)電容電流大幅增加時，首先要核對原有消弧裝置容量是否滿足要求，防止電容電流失控。當(dāng)運行方式需要經(jīng)常變化時，應(yīng)考慮最嚴(yán)苛運行方式下電容電流的幅值安全和消弧裝置并網(wǎng)運行自動控制系統(tǒng)的可靠投運，防止因拒動而發(fā)展為系統(tǒng)性故障。

當(dāng)生產(chǎn)裝置區(qū)人員較少，發(fā)生單相接地時有充足的防止接觸電壓和跨步電壓事故的安全技術(shù)保障措施時，可以采用單相接地故障轉(zhuǎn)移柜的技術(shù)路線。市場上主動預(yù)防型配網(wǎng)接地故障轉(zhuǎn)移柜的優(yōu)勢在于通流容量大且具備超過2 h的長時間運行能力。

2.2.5 中高阻故障治理策略

放射形廠用電網(wǎng)絡(luò)的電纜出線回路多，故障類型多為中高阻故障，通常能快速發(fā)展為弧光相間故障。快速熄弧、快速選擇和切除故障是電纜故障治理的關(guān)鍵?？焖傧ɑ『涂焖僮R別故障的需求在穩(wěn)態(tài)工況下是矛盾的，快速熄弧后故障回路的零序特征不再明顯，為解決這一矛盾，圍繞小電流接地系統(tǒng)(含經(jīng)消弧線圈接地)的故障仿真、特征分析進行的研究有很多，常用算法如：向配電網(wǎng)中性點注入零序電流，柔性調(diào)控零序電壓相角分別為配電網(wǎng)三相相電壓的相角，通過注入零序電流及返回零序電壓的測算故障偏轉(zhuǎn)角，綜合判據(jù)來實現(xiàn)故障選相；基于瞬時功率的輸電線路高阻接地故障選相；基于附加電阻的阻性電流分量法；分布式電源電流變化率的主動配電網(wǎng)單相斷線保護方法等。

上述算法在應(yīng)用中涉及的技術(shù)難點在于會對運行中的系統(tǒng)產(chǎn)生擾動，涉及需要組網(wǎng)的各處理器的光纖組網(wǎng)時鐘同步問題、小信號的采樣速率及數(shù)據(jù)精度問題、配網(wǎng)結(jié)構(gòu)及動態(tài)運行數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的偏差、傳感器的線性度和量程及頻率響應(yīng)等諸多問題，導(dǎo)致有關(guān)技術(shù)沒有大面積市場化成熟應(yīng)用。

針對中高阻故障，配網(wǎng)管理仍需依托快速消弧、小電流選線、繼電保護、電纜在線監(jiān)測等技術(shù)的綜合運用來實現(xiàn)。對于電纜出線回路，應(yīng)迅速識別故障為輕度還是重度，基于在線監(jiān)測技術(shù)預(yù)測的輕度故障應(yīng)準(zhǔn)確選出回路并盡快調(diào)整系統(tǒng)運行方式，將故障回路切除；對于重度故障，可基于零序電壓、全電流的零序或負(fù)序電流等判據(jù)立即切除故障段，減少對電網(wǎng)的沖擊。

當(dāng)前市場上的小電流選線裝置主要品牌商均能實現(xiàn)選線準(zhǔn)確率在90%以上，以選線裝置的選擇結(jié)果和繼電保護零序保護的瞬時(不大于10 ms)小信號二者同時作為判據(jù)，可以提高選線的可靠性。繼電保護的零序電流啟動值和動作邏輯是選擇的難點。系統(tǒng)零序電流較大時，零序互感器的變比、分支電容在總電容中的比例、消弧線圈的補償?shù)戎T多因素會導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)時的故障回路零序電流過小。針對該問題，重點對比分析10 ms以內(nèi)繼電保護生成的零序報警信號比較有效，10 ms以內(nèi)偏磁式消弧線圈或故障轉(zhuǎn)移柜通常不足以穩(wěn)定殘流，零序信號幅值較為明顯，正常運行時中性點近似不接地狀態(tài)的系統(tǒng)可以利用該思路，預(yù)調(diào)式或調(diào)匝式消弧線圈則不適用。

3 結(jié)束語

放射形結(jié)構(gòu)作為工業(yè)企業(yè)中低壓供電系統(tǒng)的常用結(jié)構(gòu)，需要在其運行中加強風(fēng)險分析及管控，制定可容許的風(fēng)險等級。當(dāng)系統(tǒng)容量、運行方式等發(fā)生重大變化時，需結(jié)合設(shè)計部門進行綜合評估，辯證運用新技術(shù)，使一次設(shè)備在各種運行方式下均能安全可靠，使二次系統(tǒng)能靈敏快速地識別和切除故障段，使系統(tǒng)電壓能以最快的速度恢復(fù)至安全范圍內(nèi)，增強供電系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性與可靠性。