淺談基于快速開(kāi)關(guān)治理晃電的解決方案

劉雙玖

(貴陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司,貴州 貴陽(yáng) 550081)

供配電系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中,由于外部雷擊、內(nèi)部電力系統(tǒng)短路以及大型設(shè)備起動(dòng)等原因,會(huì)造成電壓瞬間較大幅度波動(dòng)或者短時(shí)斷電又恢復(fù),這種現(xiàn)象通常稱為晃電。有色行業(yè),特別是電解鋁廠對(duì)供電系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和安全性要求較高,但由于各種原因常常造成供電系統(tǒng)晃電,致使交流接觸器釋放,高壓電動(dòng)機(jī)以及中壓系統(tǒng)低電壓保護(hù)跳閘。輕者造成生產(chǎn)裝置波動(dòng),重者造成裝置停車,給企業(yè)造成重大經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患。因此,在進(jìn)行工廠供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)對(duì)晃電的產(chǎn)生和預(yù)防給予足夠重視,同時(shí)還需加大對(duì)晃電的研究,以提高企業(yè)抗晃電能力,盡量避免晃電的發(fā)生。

1 晃電現(xiàn)象及其危害

1.1 晃 電

電解鋁廠、氧化鋁廠典型一次系統(tǒng)圖如圖1所示,母線上某條支路d點(diǎn)發(fā)生短路故障,此時(shí)在K斷路器能夠可靠切斷短路回路的情況下,母線上其他用電負(fù)荷支路應(yīng)該不受故障影響。但是由于故障點(diǎn)所在母線電壓瞬間驟降,在斷路器K切除該故障支路之前,母線上所有的負(fù)荷將一直處于低電壓工況,短路故障被斷路器K切除后,電壓才得以恢復(fù)。一般這個(gè)低電壓過(guò)程的時(shí)間為80～100 ms,母線電壓從驟降到恢復(fù)的供電過(guò)程,電壓有效值形成一個(gè)明顯凹陷;另一種情況,供電系統(tǒng)某個(gè)開(kāi)關(guān)由于某種原因發(fā)生誤跳躍(斷開(kāi)瞬間又合上),造成該回路負(fù)荷瞬間供電中斷,對(duì)負(fù)荷來(lái)說(shuō),這屬于電源開(kāi)路故障,上述兩種情況有時(shí)也籠統(tǒng)稱為晃電。然而,兩種故障現(xiàn)象有著截然不同的表現(xiàn),即供電系統(tǒng)的開(kāi)路故障與短路故障有顯著區(qū)別。發(fā)生開(kāi)路故障時(shí),沒(méi)有母線電壓驟降現(xiàn)象。同時(shí),如果負(fù)荷系統(tǒng)中存在異步電動(dòng)機(jī),將轉(zhuǎn)為發(fā)電狀態(tài),因?yàn)闆](méi)有短路點(diǎn),它的磁場(chǎng)衰減緩慢,表現(xiàn)出機(jī)端電壓下降緩慢,母線電壓也呈緩慢下降現(xiàn)象。而發(fā)生供電系統(tǒng)短路故障時(shí),即使存在同步發(fā)電機(jī),母線電壓也被短路點(diǎn)瞬間拉得很低,近短路點(diǎn)的電壓幾乎為零。因此,電壓驟降是系統(tǒng)短路的顯著特征。

圖1 典型一次系統(tǒng)圖

1.2 晃電危害

在氧化鋁和電解鋁廠,低電壓工況直接考驗(yàn)電氣設(shè)備的低電壓穿越能力。實(shí)踐證明,變頻器比較敏感,滿負(fù)荷工作時(shí),一般只能維持16～20 ms,之后就自我保護(hù)停機(jī);接觸器、繼電器等400 V元件會(huì)因?yàn)榈碗妷憾尫庞|點(diǎn),造成被控設(shè)備被迫停機(jī);雖說(shuō)中壓電機(jī)由直流控制,不會(huì)受交流系統(tǒng)供電故障的影響,但中壓電機(jī)的一些低壓輔機(jī)一旦停了,也會(huì)因保護(hù)控制而停機(jī)。多數(shù)時(shí)候,還會(huì)因?yàn)樯a(chǎn)工藝的連鎖要求,引發(fā)工藝關(guān)聯(lián)環(huán)節(jié)的設(shè)備停機(jī),生產(chǎn)被迫終止,這對(duì)于有色行業(yè)企業(yè)而言也頗為致命。在途原料的報(bào)廢、排放處理的失效以及漫長(zhǎng)的開(kāi)機(jī)過(guò)程等,都會(huì)造成巨大損失。

2 現(xiàn)有措施及存在的問(wèn)題

2.1 故障后更換系統(tǒng)工作電源-快切控制器

“快切控制器”其實(shí)就是增加了快切控制邏輯的微機(jī)綜保,這個(gè)方案對(duì)于供電開(kāi)路故障切換是有效果的。上文提到,電源開(kāi)路故障嚴(yán)格意義上不是晃電,負(fù)荷電壓下降緩慢;可對(duì)于供電系統(tǒng)的短路故障,負(fù)荷僅從控制器層面提出的解決方案,邏輯上就值得商榷;某電解鋁廠典型一次系統(tǒng)圖如圖2所示, 供電系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí),如果支路d點(diǎn)發(fā)生短路,其相應(yīng)支路斷路器K必然實(shí)施速斷;同時(shí),快切控制器一般在5 ms左右就可判斷出電源系統(tǒng)發(fā)生故障,立即命令工作電源進(jìn)線開(kāi)關(guān)K1跳閘,在判斷時(shí)間上較斷路器K快了15 ms。但K1也是普通斷路器,開(kāi)斷時(shí)間與斷路器K相當(dāng);尤其值得注意的是,當(dāng)K完成開(kāi)斷時(shí),意味著供電系統(tǒng)就已經(jīng)恢復(fù)正常了,此時(shí)快切控制器還要命令母聯(lián)開(kāi)關(guān)K2合閘。眾所周知,普通斷路器的合閘時(shí)間一般不小于50 ms,去除判斷上贏得的15 ms,快切控制器給負(fù)荷恢復(fù)供電的時(shí)間比什么都不做還慢了35 ms。采用以上“快切”方式在時(shí)間上根本不能滿足要求。

圖2 某電解鋁廠典型一次系統(tǒng)圖

2.2 保母線電壓-串聯(lián)支路電抗器

某氧化鋁廠典型一次系統(tǒng)圖如圖3所示,廠內(nèi)某條支路發(fā)生短路故障d,會(huì)造成母線電壓驟降。因此,一直都有一個(gè)典型設(shè)計(jì)方案,即在母線的每條出線上串聯(lián)一組電抗器,期望短路電流在電抗上的壓降可以抬升母線電壓,保障母線對(duì)非故障支路的連續(xù)供電。

圖3 某氧化鋁廠典型一次系統(tǒng)圖

理論上這個(gè)方案可以達(dá)到抬升母線電壓的效果,可在某氧化鋁廠實(shí)踐過(guò)程中,曾遇到過(guò)這樣一個(gè)案例:經(jīng)校核電抗器的母線電壓抬升效果后發(fā)現(xiàn),所有電抗器的電抗率僅在大方式下的三相短路時(shí),可以滿足母線電壓抬升效果。而在兩相短路時(shí),有的電抗抬升效果達(dá)不到60%;在小方式下的兩相短路時(shí),有的電抗甚至低于50%,完全不滿足規(guī)范規(guī)定。雖說(shuō)這個(gè)失誤可以通過(guò)加大電抗率來(lái)糾正,可又帶來(lái)了串聯(lián)電抗器的損耗問(wèn)題。經(jīng)粗略計(jì)算,帶二十幾條支路的電抗器,負(fù)荷率為0.75,一年(8000 h)的綜合損耗就高達(dá)幾百萬(wàn)元。

2.3 低電壓穿越能力提升

在不考慮使用支路串聯(lián)電抗器方案的系統(tǒng)中,一但發(fā)生短路晃電現(xiàn)象,將考驗(yàn)電氣設(shè)備的低電壓穿越能力。通常策略是增加外部器件,對(duì)于0.1 s左右的晃電,增加設(shè)備在低電壓工況下的維持時(shí)間,使得設(shè)備不跳閘、不脫網(wǎng),以期供電恢復(fù)時(shí),設(shè)備可以繼續(xù)運(yùn)行。

2.3.1 變頻器-加電容,改輸出程序

一般采用增加直流母線電容的辦法,加大變頻器的儲(chǔ)能,可以延長(zhǎng)變頻器的保持時(shí)間,問(wèn)題是一旦電壓恢復(fù)時(shí),電容器的充電電流會(huì)增大,可能造成損壞,要慎重;更多采用的辦法則是修改程序,在晃電期間閉鎖或降功率輸出,延長(zhǎng)變頻器的維持時(shí)間,客觀上改變了生產(chǎn)工藝流程的需求。

2.3.2 接觸器-防晃電模塊

防晃電模塊可以簡(jiǎn)單地理解成小型的UPS,可以在晃電期間延長(zhǎng)對(duì)400 V系統(tǒng)接觸器線圈的供電,維持接觸器觸電吸合。電動(dòng)機(jī)的實(shí)際啟動(dòng)過(guò)程約為0.1 s,電機(jī)磁場(chǎng)已衰減殆盡,一旦低壓電動(dòng)機(jī)數(shù)量和容量過(guò)大,電壓恢復(fù)時(shí),會(huì)因電機(jī)群磁場(chǎng)重建形成二次沖擊,引發(fā)繼電保護(hù)動(dòng)作,造成大面積停機(jī),繼而衍生新問(wèn)題。

2.3.3 避免二次沖擊-分批延時(shí)重啟繼電器

為避免二次沖擊,只能選擇性地保留一部分異步電動(dòng)機(jī),并放棄另一部分。先接受被迫停機(jī)的事實(shí),采用分批延時(shí)重啟繼電器,自動(dòng)分批重啟異步電動(dòng)機(jī),避免群起沖擊,旨在縮短重新開(kāi)機(jī)時(shí)間,減少損失。但這個(gè)方法需要大量接線,可靠性大大降低,而且要求實(shí)施者對(duì)工藝要非常熟悉,工程難度大。無(wú)論如何,此方法也只能在400 V系統(tǒng)實(shí)施,而中壓系統(tǒng)的電機(jī)是直流控制的,保證不跳閘,電壓恢復(fù)時(shí)磁場(chǎng)重建,同樣會(huì)二次沖擊,當(dāng)電機(jī)群容量過(guò)大時(shí),同樣會(huì)引發(fā)繼電保護(hù)動(dòng)作。電壓敏感類負(fù)載都有相應(yīng)的辦法來(lái)應(yīng)付晃電,唯獨(dú)異步電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)衰減的問(wèn)題不好處理,100 ms左右的晃電時(shí)間相對(duì)太長(zhǎng),縮短晃電時(shí)間是治理晃電的一個(gè)有效思路。

3 晃電治理

3.1 “保異步電機(jī)磁場(chǎng)”是治理晃電的核心

二次沖擊不可避免,但如果控制電機(jī)的磁場(chǎng)衰減量,減小二次沖擊電流的倍數(shù),那么就可解決異步電動(dòng)機(jī)低電壓穿越的問(wèn)題,避免停機(jī)事故發(fā)生,保障生產(chǎn)的連續(xù)性。因此,解決了二次沖擊的問(wèn)題,就可以說(shuō)化解了晃電的影響。

3.2 “快速”是治理晃電的要點(diǎn)

目前已有理論分析和模擬實(shí)驗(yàn)證明,在近區(qū)短路故障情況下,只要在短路后第一個(gè)大半波(小于20 ms)之內(nèi)將短路故障隔離,就可以將異步電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)重建沖擊電流限制到3倍的額定電流以內(nèi),確保系統(tǒng)供電的恢復(fù)安全。

3.3 “兩頭治理”是治理晃電的策略

對(duì)于造成晃電的短路故障點(diǎn),某氧化鋁廠晃電治理整體方案示意圖如圖4所示，其中的d4短路點(diǎn)采取兩頭治理的辦法:一頭是在故障點(diǎn)的電源側(cè),即支路開(kāi)關(guān)的位置,采用“母線殘壓保持裝置”(簡(jiǎn)稱“母?！?,來(lái)快速隔離故障點(diǎn)對(duì)母線電壓的影響,保障母線對(duì)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”(簡(jiǎn)稱“快切”(MS-T-3)),將故障支路的負(fù)荷切離故障電源,并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)徹底從系統(tǒng)中孤立出去,最大限度地保障對(duì)所有負(fù)荷的供電連續(xù)性。

圖4 晃電治理整體方案示意圖

3.4 “縮短晃電時(shí)間”是治理晃電的本質(zhì)

事實(shí)證明大面積停機(jī)事故基本上發(fā)生在短路故障后20 ms左右,治理晃電主攻方向要從提高電氣設(shè)備低電壓穿越能力改為縮短晃電時(shí)間,短到電壓敏感類負(fù)荷來(lái)不及停機(jī)就結(jié)束晃電。換言之,晃電不可怕,可怕的是晃電的時(shí)間太長(zhǎng)。

治理晃電的本質(zhì)就是以利用快速開(kāi)關(guān)為主來(lái)縮短晃電時(shí)間。采用“短路電流快速判斷技術(shù)”并結(jié)合“快速開(kāi)關(guān)”,目前“快速開(kāi)關(guān)”采用渦流驅(qū)動(dòng)大容量快速開(kāi)關(guān),分閘時(shí)間≤4 ms,比普通真空斷路器提高了8～12倍;合閘時(shí)間≤10 ms,比普通真空斷路器提高了3～4倍,可將晃電時(shí)間縮短至16 ms以內(nèi),那么晃電就不會(huì)對(duì)設(shè)備造成影響。采用母保和快切對(duì)短路故障點(diǎn)實(shí)施兩頭治理的措施,將故障點(diǎn)與系統(tǒng)隔離,杜絕了故障點(diǎn)對(duì)上下游系統(tǒng)的影響。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文分析討論了晃電產(chǎn)生的原因及危害,同時(shí)提出了整體解決方案。通過(guò)分析可知,晃電對(duì)供電系統(tǒng)造成的危害很大,但是借助于現(xiàn)代技術(shù),在設(shè)計(jì)供電系統(tǒng)時(shí)采用切實(shí)可行的措施可以做到盡量縮減晃電的停電范圍,從而減少其對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)的影響面。只要在短路后第一個(gè)大半波(小于20 ms)之內(nèi)將短路故障隔離,采取以下兩頭治理的辦法:一頭是在故障點(diǎn)的電源側(cè),采用“母?！毖b置來(lái)快速隔離故障點(diǎn)對(duì)母線電壓的影響,保證母線有足夠的殘壓,保障母線上其它回路的連續(xù)供電;另一頭是在故障點(diǎn)的負(fù)荷側(cè),采用 “快切”裝置將故障支路的負(fù)荷切到備用電源,保證下游供配電系統(tǒng)連續(xù)供電。