冶金電力系統(tǒng)電壓瞬降問(wèn)題研究

冉孟武

（攀鋼集團(tuán)攀枝花鋼釩有限公司制造部,四川攀枝花 617062）

前言

攀鋼電網(wǎng)110 kV 東方紅變電站向煉鋼LF 加熱爐及連鑄機(jī)、軌梁萬(wàn)能軋機(jī)，熱軋主軋生產(chǎn)線(xiàn)等重要負(fù)荷供電，該變電所兩回110 kV 主供電源（均來(lái)自電網(wǎng)220 kV 施家坪變電站）并列運(yùn)行，五臺(tái)變壓器總?cè)萘?60500 kVA，由于煉鋼LF 電加熱爐及熱軋、軌梁軋機(jī)沖擊負(fù)荷影響，供電負(fù)荷在60～140 MW 波動(dòng)。該變電站配電電壓分別為10 kV、35 kV，配出開(kāi)路繁多，負(fù)荷性質(zhì)極雜。

如此龐大復(fù)雜的系統(tǒng)，因設(shè)備絕緣老化,雷擊，誤操作，小動(dòng)物等故障引發(fā)短時(shí)的電壓降低等波動(dòng),容易波及相鄰系統(tǒng)重要負(fù)荷,致使事故急劇擴(kuò)大并惡化；另一方面LF 爐與各類(lèi)容性、感性負(fù)荷的交織作用將產(chǎn)生較大的諧波污染及電壓閃變。東方紅變電所系統(tǒng)內(nèi)每年發(fā)生數(shù)起至十余起各類(lèi)故障或電壓波動(dòng)，造成影響熱軋、軌梁等生產(chǎn)的故障。因此,深入分析110 kV 東方紅供電系統(tǒng)低電壓閃變故障原因,并采取相應(yīng)措施,最大限度避免或減少生產(chǎn)系統(tǒng)的電氣事故，對(duì)保障生產(chǎn)順行具有重大意義。

1 供電系統(tǒng)電壓瞬降的原因分析

根據(jù)電力系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及理論分析表明，供電系統(tǒng)的電壓瞬降通常是由以下幾方面原因引起的：一是供電系統(tǒng)短路故障；二是大型電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng);三是大的沖擊負(fù)荷與諧波濾波及無(wú)功補(bǔ)償裝置等交互作用。具體如下：

1.1 系統(tǒng)短路故障產(chǎn)生的電壓瞬降

電力系統(tǒng)短路故障時(shí)產(chǎn)生較大的故障電流,對(duì)電網(wǎng)的沖擊大,除造成故障線(xiàn)路跳閘外,還會(huì)引起系統(tǒng)瞬時(shí)電壓降低。一般短路點(diǎn)距離電源越近,電壓幅值降低越大；短路容量越小的供電系統(tǒng),影響范圍越大。

以攀鋼110 kV 東方紅變電所來(lái)看，該區(qū)域變電站主要供煉鋼廠(chǎng)LF電加熱爐，連鑄機(jī)，軌梁廠(chǎng)，熱軋板廠(chǎng)軋鋼生產(chǎn)線(xiàn)及其公輔供電系統(tǒng)，生產(chǎn)線(xiàn)多，供電電纜及開(kāi)關(guān)配電設(shè)備繁多，且工作環(huán)境惡劣,因雷擊過(guò)電壓破壞絕緣、設(shè)備本身質(zhì)量或絕緣老化，人為誤操作及小動(dòng)物等意外原因引發(fā)的短路故障極其常見(jiàn)，根據(jù)近2年統(tǒng)計(jì)來(lái)看，該系統(tǒng)內(nèi)平均每年發(fā)生5～7起上述原因引發(fā)的短路故障，見(jiàn)表1。

表1 2017～2018年?yáng)|方紅系統(tǒng)短路故障情況統(tǒng)計(jì)

根據(jù)繼電保護(hù)核算結(jié)果表明，東方紅變電所110 kV 系統(tǒng)大方式下短路容量?jī)H2645 MVA（短路阻抗標(biāo)幺值為0.0378），根據(jù)110 kV 主變各側(cè)的短路阻抗參數(shù)計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)東方紅大方式下主變10 kV側(cè)故障時(shí)，主變高壓側(cè)殘壓（二次值）如下：

U殘110kv=（0.1053+0.1717）/（0.1053+0.1717+0.0378）=88 V

U殘35kv=0.1053/（0.1053+0.1717+0.0378）=33.4 V

可見(jiàn)離故障點(diǎn)越近，中間線(xiàn)路或變配電設(shè)備阻抗越小，電壓降越大。特別是系統(tǒng)配出全為電纜線(xiàn)路，即使考慮部分變壓器及電抗器等影響，各電壓等級(jí)及配電點(diǎn)間的電力元件總阻抗均較小，系統(tǒng)內(nèi)任意點(diǎn)發(fā)生短路故障都會(huì)造成全系統(tǒng)瞬時(shí)電壓大幅降低，但由于各類(lèi)快速繼電保護(hù)裝置的應(yīng)用，一般當(dāng)發(fā)生短路故障后，繼電保護(hù)裝置快速切除故障點(diǎn)后，系統(tǒng)電壓將快速恢復(fù)到正常水平。即短路故障引發(fā)的電壓瞬降一般具有幅值大，持續(xù)時(shí)間較短的特點(diǎn)。

1.2 電力系統(tǒng)內(nèi)大電機(jī)直接啟動(dòng)產(chǎn)生電壓瞬降

電力系統(tǒng)中大型電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，參照《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》給出的計(jì)算公式，母線(xiàn)電壓降計(jì)算模型如圖1。

圖1 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)母線(xiàn)電壓降計(jì)算模型

根據(jù)計(jì)算公式,在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)變母線(xiàn)電壓相對(duì)值：

式中：Skm—系統(tǒng)母線(xiàn)處短路容量；

Qfh1—系統(tǒng)母線(xiàn)處預(yù)接負(fù)荷的無(wú)功功率；

Sst—系統(tǒng)母線(xiàn)處啟動(dòng)回路額定輸入容量。

則系統(tǒng)變電站母線(xiàn)電壓降為：

用戶(hù)變電站母線(xiàn)電壓降為：

而在工程簡(jiǎn)易計(jì)算中，為簡(jiǎn)化計(jì)算模型，忽略母線(xiàn)處預(yù)接負(fù)荷的無(wú)功功率等，設(shè)母線(xiàn)電壓的值與電網(wǎng)標(biāo)稱(chēng)電壓值相等，可根據(jù)系統(tǒng)母線(xiàn)處短路阻抗X*及母線(xiàn)所接電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流Ie簡(jiǎn)單估算母線(xiàn)電壓降如下：

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，工程簡(jiǎn)易計(jì)算結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果近似，完全滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需求。而根據(jù)上述公式也表明系統(tǒng)短路容量越?。炊搪纷杩乖酱螅?，電機(jī)啟動(dòng)電流越大，在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)母線(xiàn)電壓影響越大，容易導(dǎo)致同一電網(wǎng)上其他用戶(hù)設(shè)備電壓瞬降，一般電機(jī)啟動(dòng)完成即可恢復(fù)正常電壓水平。

1.3 大功率沖擊負(fù)荷與無(wú)功補(bǔ)償?shù)冉换プ饔卯a(chǎn)生電壓瞬降

攀鋼東方紅變電所內(nèi)存在大量的同步電機(jī)、異步電機(jī)、動(dòng)力變壓器、整流變壓器等，同時(shí)為限制諧波污染及提高系統(tǒng)功率因素，其10 kV 配出的下級(jí)站所裝設(shè)有3 套動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置(SVC)，35 kV 配出的下級(jí)站所（煉鋼LF 爐）裝設(shè)有5 套固定補(bǔ)償式的諧波濾波裝置。補(bǔ)償裝置過(guò)多且集中，更是加劇了該系統(tǒng)的復(fù)雜性。

根據(jù)長(zhǎng)期的實(shí)際運(yùn)行統(tǒng)計(jì)及實(shí)際測(cè)量發(fā)現(xiàn)，大沖擊負(fù)荷，特別是如煉鋼LF 爐類(lèi)的電加熱沖擊負(fù)荷，其加熱時(shí)實(shí)際就相當(dāng)于電力系統(tǒng)接地短路運(yùn)行，因其功率巨大（單臺(tái)加熱時(shí)最大功率約22 MW），其加熱時(shí)將大幅拉低母線(xiàn)電壓；而其停止加熱時(shí)，因其配套的固定無(wú)功補(bǔ)償裝置又將出現(xiàn)過(guò)補(bǔ)償，造成母線(xiàn)電壓居高不下。5 套LF 爐及其補(bǔ)償裝置與濾波裝置共同運(yùn)行，且僅有3次、4次濾波裝置，對(duì)部分高次諧波的治理不徹底，交互作用下造成相應(yīng)主變下母線(xiàn)電壓出現(xiàn)瞬降的情況比較突出。根據(jù)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀實(shí)測(cè)電壓波形發(fā)現(xiàn)，主供LF爐的變壓器35 kV 側(cè)、10 kV 側(cè)正常運(yùn)行情況下頻繁出現(xiàn)電壓瞬降情況，最大降低幅值達(dá)到標(biāo)稱(chēng)電壓的約20%，但持續(xù)時(shí)間極短，大部分在50～100 ms 內(nèi)即可恢復(fù)正常。

2 電壓瞬降對(duì)供電設(shè)備的影響

根據(jù)前述分析，幾種不同類(lèi)型引發(fā)的電壓瞬降的幅值及持續(xù)時(shí)間不同，同系統(tǒng)內(nèi)電氣設(shè)備由于繼電保護(hù)配置及工藝對(duì)電壓質(zhì)量的需求情況不同，所受到的影響也不一樣。

軋鋼系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)、水泵、軋機(jī)等重要設(shè)備，在其電動(dòng)機(jī)的主回路、勵(lì)磁回路、控制回路中常見(jiàn)的低電壓保護(hù)有：高壓電機(jī)的低電壓保護(hù)，控制回路欠電壓保護(hù)，低壓勵(lì)磁回路的低壓電源開(kāi)關(guān)、交流接觸器等。

高壓電機(jī)失壓保護(hù)啟動(dòng)一般按70 V（二次值）整定，但由于設(shè)備廠(chǎng)家設(shè)計(jì)、工藝需求不同等原因，時(shí)限一般從0.5 s 至5 s 不等，對(duì)于快速切除的短路故障及諧波濾波裝置等引發(fā)的偶然電壓瞬降，因持續(xù)時(shí)間較短，一般均可躲過(guò)而不會(huì)造成跳閘停機(jī)；但對(duì)于勵(lì)磁系統(tǒng)低壓開(kāi)關(guān)及部分控制回路欠壓保護(hù)，一般達(dá)到動(dòng)作值就會(huì)引發(fā)跳閘失電，進(jìn)而引起主生產(chǎn)設(shè)備工藝保護(hù)停機(jī)。另外對(duì)如軌梁Uf 軋機(jī)等，因廠(chǎng)家設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)對(duì)電壓閃變極其敏感，一旦系統(tǒng)電壓瞬降的幅值超過(guò)15%，軋機(jī)供電系統(tǒng)0 s 跳閘停機(jī)，因此一旦系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生短路故障，軌梁軋機(jī)跳閘率超過(guò)90%，且加熱爐等生產(chǎn)與濾波裝置交互作用產(chǎn)生的偶發(fā)性電壓瞬降也時(shí)而造成其停機(jī)，對(duì)生產(chǎn)造成較大影響，帶來(lái)較大經(jīng)濟(jì)損失。

3 電壓瞬時(shí)降低的解決方法

結(jié)合對(duì)電網(wǎng)電壓瞬降產(chǎn)生的原因，分析其幅值、持續(xù)時(shí)間及對(duì)電氣設(shè)備的影響，可以有針對(duì)性的制定解決措施。

3.1 減少電網(wǎng)發(fā)生短路故障

根據(jù)前述分析，電力系統(tǒng)發(fā)生電壓瞬降并對(duì)生產(chǎn)造成較大影響的主要原因之一就是電網(wǎng)設(shè)備短路故障，因此有針對(duì)性地根據(jù)事故原因采取措施減少短路故障發(fā)生可有效提高供電可靠性。

（1）加強(qiáng)架空線(xiàn)路防雷消缺工作，每年度在雷雨季來(lái)臨前對(duì)所有架空線(xiàn)路避雷器進(jìn)行一次檢測(cè)，并加強(qiáng)日常運(yùn)行檢測(cè)，存在問(wèn)題的及時(shí)采取更換避雷器等措施進(jìn)行消缺，減少因?yàn)槔讚粼斐傻墓收稀Ａ硪环矫婕訌?qiáng)對(duì)影響架空線(xiàn)路運(yùn)行安全的環(huán)境進(jìn)行清理，特別是年度定期對(duì)線(xiàn)路兩側(cè)樹(shù)木開(kāi)展修枝工作。

（2）加強(qiáng)各類(lèi)高壓電氣設(shè)備的日常點(diǎn)檢及定檢定修工作，提前消除設(shè)備絕緣隱患，降低故障率。及時(shí)對(duì)老化電纜進(jìn)行檢測(cè)更換，加強(qiáng)開(kāi)關(guān)、電纜接頭等設(shè)備的溫度檢測(cè)等,點(diǎn)巡檢工作提前發(fā)現(xiàn)絕緣隱患并予以消除。

（3）加強(qiáng)培訓(xùn)，提高員工業(yè)務(wù)素質(zhì)，嚴(yán)格執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)化倒閘操作票及電氣設(shè)備監(jiān)護(hù)操作制度，減少誤操作發(fā)生。

（4）完善開(kāi)關(guān)設(shè)備“五防”設(shè)施；對(duì)配電室、變壓器室孔洞進(jìn)行嚴(yán)密封堵,完善防鼠隔板或網(wǎng)門(mén)，對(duì)室外裸露母線(xiàn)采用聚氯乙烯材料熱縮包扎等防小動(dòng)物措施。

3.2 采取延時(shí)失壓保護(hù)躲過(guò)電壓瞬降

要徹底消除供電系統(tǒng)電壓瞬降,目前在技術(shù)上還有困難。而鑒于短路故障及其它偶發(fā)性電壓瞬降一般持續(xù)時(shí)間較短，因此對(duì)于確需裝設(shè)失壓保護(hù)和欠電壓保護(hù)的設(shè)備，特別是各類(lèi)高壓電機(jī)的低電壓保護(hù)，可根據(jù)其供電負(fù)荷 重要性進(jìn)行分級(jí)，在保護(hù)定值整定時(shí)執(zhí)行不同的延時(shí)，具體如下：

（1）各類(lèi)同步電機(jī)，如設(shè)備廠(chǎng)家要求特殊動(dòng)作時(shí)間要求的，按設(shè)備廠(chǎng)家定值執(zhí)行；其它的低電壓保護(hù)統(tǒng)一按70 V，1.5～2 s延時(shí)整定。

（2）一類(lèi)負(fù)荷異步電機(jī)低電壓保護(hù)整定值原則按70 V，5 s 延時(shí)整定，煤氣加壓機(jī)按70 V，3 s 延時(shí)整定。

（3）二類(lèi)及以下負(fù)荷電機(jī)低電壓保護(hù)整定值按70 V，0.5 s延時(shí)整定。

（4）對(duì)危及重要設(shè)備及人身安全的特別重要電機(jī)取消低電壓保護(hù)。

（5）對(duì)于低壓母線(xiàn)的受電斷路器。對(duì)智能開(kāi)關(guān)低壓脫扣延時(shí)時(shí)限按異步電機(jī)時(shí)延原則調(diào)整，不能調(diào)整的更換或臨時(shí)解除失壓脫扣。

3.3 調(diào)整低電壓敏感設(shè)備運(yùn)行方式避開(kāi)偶發(fā)性電壓瞬降

根據(jù)前述分析，攀鋼東方紅電網(wǎng)還存在煉鋼LF爐等大沖擊設(shè)備與固定無(wú)功補(bǔ)償裝置交互作用產(chǎn)生的偶發(fā)性電壓瞬降，該類(lèi)電壓瞬降對(duì)軌梁Uf軋機(jī)等影響極大，嚴(yán)重影響生產(chǎn)順行。為此通過(guò)對(duì)東方紅變電所各主變正常運(yùn)行時(shí)的電壓瞬降情況進(jìn)行實(shí)測(cè)，特別是對(duì)供煉鋼LF 爐的1#、3#主變與其他主變10 kV 側(cè)母線(xiàn)電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),證實(shí)了煉鋼LF爐加熱時(shí)確實(shí)易產(chǎn)生電壓瞬降，發(fā)生頻率及電壓瞬降幅值遠(yuǎn)高于其它主變系統(tǒng)。為此特意將供軌梁廠(chǎng)敏感軋機(jī)設(shè)備的電源電纜倒接至2#主變供電，基本消除了電壓瞬降對(duì)其影響。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)加強(qiáng)運(yùn)行維護(hù)，采取分類(lèi)延時(shí)失壓保護(hù)以及調(diào)整敏感設(shè)備運(yùn)行方式等手段，有效提高了攀鋼東方紅變電系統(tǒng)運(yùn)行可靠性,最大限度避免或減少生產(chǎn)系統(tǒng)電氣事故的波及面，提高了供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性和抗沖擊能力，大幅降低了事故造成的經(jīng)濟(jì)損失。