系統“晃電”整體解決方案的探討

鄒桂平，王善立，高 寒

（1. 江西銅業集團公司 材料設備部，江西 南昌 330096；2. 安徽恒凱電力保護設備有限公司，安徽 合肥 230001）

系統“晃電”整體解決方案的探討

鄒桂平1，王善立2，高 寒2

（1. 江西銅業集團公司 材料設備部，江西 南昌 330096；2. 安徽恒凱電力保護設備有限公司，安徽 合肥 230001）

供電系統是企業電網的重要動力來源，是提高企業安全生產的重要保證。供電系統是否穩定直接關系到整個生產設備能否正常運行。通過分析供電系統及企業電網晃電產生的原因，區分晃電的基本類型，闡述晃電的主要危害，探索企業供電系統中晃電問題的解決對策，提出新型有效的治理方案。

企業電網；供電系統；晃電；電壓凹陷；母保；快切

1 引言

隨著電網的發展，容量及規模的不斷擴大，晃電現象發生的頻率越來越多。現代化工礦企業的生產規模越來越大，電氣化設備越來越多，對晃電更不能忽視。晃電持續時間雖然比較短，但對于正在持續生產的設備而言，一旦受到晃電影響而停機，將產生嚴重后果。瞬間的電壓波動將造成數百臺電動機跳閘、設備停機，電網電壓恢復后電機不能自行恢復運行，導致連續生產過程紊亂，并有可能造成生產及設備事故。對于大型裝置來說，如果人工進行恢復，花費的時間比較長，而對于一些無人值守的野外裝置，恢復的時間就更長。對于石油、化工、冶金等連續生產裝置來說，產生的諸如安全、環保、廢品、原料浪費、產量降低、效益低下等一系列損失是非常巨大的。

2 什么是“晃電”

晃電是指供電系統在正常運行中因雷擊、對地短路、發電廠故障及其他原因造成電網電壓短時大幅度波動，甚至短時斷電的現象［1］。晃電的發生形式有三種:（1）電壓短時越限或跌落，即電網電壓短時間內驟升至額定電壓的110%～180%或驟降至額定電壓的10%～90%，持續時間為0.5個周波到數秒。（2）電壓閃變，即短時間內電壓波形以某種固定方式變化或者隨機變化。（3）短時電壓中斷，即由于備用電源自動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，內部電網（簡稱“內網”）總降母線上某條支路發生短路故障d，母線電壓出現驟降，在斷路器K切除該故障支路前，母線上所有的負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，由于異步電動機群磁場重建的二次沖擊電流會延緩母線電壓的恢復時間，這個母線電壓從驟降直至恢復到額定電壓70%以上的短暫低電壓供電的“電壓凹陷”現象，稱為“晃電”。

圖1 典型系統一次圖

3 “晃電”造成事故的根本原因

晃電是否給企業造成停電損失，取決于母線上負荷是否能成功實現低電壓故障穿越，即負荷對低電壓的忍耐時間與晃電時間的博弈結果。

晃電時間包括：繼電保護判斷時間、斷路器固有分閘時間、燃弧時間和電壓恢復時間之和，一般要超過80ms，甚至更長。

從圖2的時序圖就可以看出：中、低壓的變頻器和低壓系統的繼電器、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備或軟件優化的方法，延長這些設備對低電壓的忍耐時間，實現低電壓穿越。

然而，問題的要點不在這，中、低壓系統斷路器的控制電源為直流，不會因交流系統的低電壓而跳閘，因此它們所控制的異步電動機在低電壓期間則一直在網，并以發電方式向短路故障點反饋輸出短路電流，直到繞組內的磁場衰減完畢或短路故障點被切除，此過程為電機的“一次沖擊”；一般異步電動機的繞組短路衰減時間常數為30～40ms［3］，就是說只要內網短路故障持續30～40ms的時間，電機的磁場就會衰減殆盡，變成掛在網上減速旋轉的鐵疙瘩。

圖2 晃電期間相關事件變化時序圖

當短路故障點被斷路器K切除時刻，母線電壓進入恢復期，所有在網的異步電動機同時重建磁場，此時電動機的軟啟動裝置都處于退出狀態，實際上就是“電機群直接啟動”，啟動伊始要向電網索取相當于電機群額定電流總和5～7倍的無功電流，形成強烈的電流沖擊，此過程稱為電機的“二次沖擊”。

二次沖擊電流在該系統變壓器和線路的阻抗上會形成較大的壓降，降低了電動機的機端電壓，致使電機的電磁轉矩不足，影響了電機轉速恢復，并增加了過流時間，客觀上延緩了母線電壓的恢復過程，也就是電動機磁場重建的過程。只要當造成沖擊電流的電機群總容量達到本系統電源容量的40%以上時，母線電壓極易低于70%（電磁轉矩小于50%），一旦這些電機處于額定負載狀態，必然導致電機群失穩停轉，最終使該系統崩潰［4］。

這就是，即使斷路器K成功地切除了內網短路故障，還是經常會發生大面積停電事故的根本原因。

4 現有的治理措施

4.1 串聯支路電抗器方案

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

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

這是目前針對內網晃電的典型設計。

4.2 “防晃電模塊”和“延時重啟繼電器”解決方案

“防晃電模塊”是針對繼電器、接觸器，在晃電時延長線包保持時間的一種低壓系統的解決方案，達到晃電時不跳閘的效果。可是無法解決異步電機的“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，事故后利用“分批延時重啟繼電器”，將跳閘的負荷根據工藝特點、容量大小預先分組，在跳閘后自動分批重啟，以期盡快恢復生產。該方案不僅要求熟悉生產工藝，而且接線復雜，實際操作難度大，并且，由于模塊本身的可靠性低于被保護對象的可靠性，又衍生出更多的故障。

這兩種方案只針對低壓系統，并不能解決中壓系統的晃電問題。

4.3 “快切”解決方案

如圖4所示,有時將電源開路故障（K偷跳）片面地認為就是“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可能引發的二次沖擊問題，則主張跳掉一部分負荷，再分批延時重啟。指導思想與上述方案有類似的不足之處［6］。

關鍵是此“快切”方案僅提供控制器，而K1～3還是采用普通斷路器，當K0切除d1故障點時刻，也就是K1開斷時刻，電源已經恢復正常，K1斷開純屬多余；再合K3，整個切換時間遠大余K0開斷時間“即晃電時間”，用大于晃電時間的操作治理晃電，不符合邏輯。

尤其是對于故障點d2，對母線來說，屬負荷故障，快切還不能動作，母線上的負荷還是要承受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，異步電動機在電壓恢復時刻的“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象，減小異步電動機的“二次沖擊”，避免電機在二次沖擊期間停機事故的發生，是治理晃電的方向。

5.2 “縮短晃電時間”是要點

停產即事故！必須在事故發生前完成治理。

因此，縮短晃電時間—在事故即將發生前就提前結束晃電是治理的要點。

圖5中可以看出，將“晃電期間”壓縮到“原事故點”（20ms時刻）之前即可避免變頻器及低壓負載等設備停運事故的發生，而且實際運行經驗證明，只要在短路后第一個大半波（小于20ms）之內將短路故障隔離，就可以將異步電動機的“二次沖擊”電流限制到2倍左右額定電流以內，避免電機失穩，確保生產的連續性。

圖5 晃電治理時序圖

5.3 “快速設備”是物質基礎

因此，20ms之內完成“故障判斷”和“執行操作”的“快速”制備，是成功治理晃電的物質基礎，尤其是基于加拿大Max-Swi公司制造的5ms內分閘的“渦流驅動”快速開關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備。

5.4 “孤立故障點”是策略

如圖6所示，對于造成內網晃電的短路故障點d4，采取兩頭治理的策略：一頭是在故障點的電源側，即母線支路開關的位置，采用“母線殘壓保持裝置”（ZRD）簡稱“母保”［7］，來快速隔離故障點對母線電壓的影響，保障母線對其它非故障支路的連續供電；另一頭是在故障點的負荷側，采用“快速斷路器及切換控制器裝置”（MS）簡稱“快切”，將故障點以下的負荷切換到備用段電源或電壓已經被“母保”恢復的本段其它支路的電源上。這樣可以將故障點徹底地從系統中孤立出去，去除故障點的負面影響，最大限度地保障系統對所有負荷的供電連續性。

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 各晃電故障點及治理方案

（續表）

各晃電故障點及治理方案說明簡表見表1。

7結語整體解決方案是將系統中各種可能故障點徹底地從系統中孤立出去，去除故障點的負面影響，最大限度地保障系統對所有負荷的供電連續性。

［1］董仲陽. 企業供電系統晃電的解決方案[J]. 中國科技財富, 2010(18):186-187.

［2］張軍梁, 魯宗相, 李立. 石化企業抗晃電問題研究[J]. 電氣應用, 2010(22):60-63.

［3］李曉明, 李曉霞. 異步電動機短路反饋電流衰減時間常數分析[J].自動化技術與應用, 2001(2):85-86.

［4］A.E.Fitzgerald, Charles Kingsley,Jr.Stephen D.Umans,et al. Electric Mahinery[M] 劉新正, 蘇少平, 高琳, 等, 譯. Sixth Edition. 北京: 電子工業出版社, 2004.

［5］張偉. 工廠“晃電”現象與抗“晃電”措施[J]. 中國設備工程，2003(3):33-34.

［6］陳琳, 嚴金云. 石化企業晃電影響及抗晃電措施[J]. 電氣技術, 2012(10):72-74.

［7］王善立, 姜壇. 母線殘壓保持裝置ZRD快速切換裝置MS說明書[K].合肥:安徽恒凱電力保護設備有限公司, 2014.

圖11 改造前后電位對比

6 結束語

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不銹鋼管道，解決了鑄鐵管難以檢修的問題，節約備件成本和檢修費用，保證銅酸系統的正常生產，消除人身和設備的安全隱患，避免了因跑、冒、滴、漏造成的環境污染和設備腐蝕。

參考文獻：

［1］艾紅龍,喬彥強. 江銅貴冶硫酸一系列三期改造工程介紹[J]. 有色金屬(冶煉部分)， 2003(1):34-37.

［2］于海寬. 淺談球墨鑄鐵管施工方案[J]. 地下水， 2010(6):47-50.

［3］張國華,李敬高. 奧氏體不銹鋼應力腐蝕分析研究[J]. 焊接技術，2002(6):23-27.

［4］潘正中,張明濤. 管殼式陽極保護酸冷卻器的實際應用[J]. 化工機械， 2002(6):38-41.

［5］孫治忠. 國產陽極保護濃硫酸冷卻器的應用[J]. 化工生產與技術，2001(3):51-54.

［6］王艷春, 高平, 沈國棟, 等. 陽極保護濃硫酸不銹鋼管道的研制與應用[J]. 硫酸工業， 2002(2):49-52.

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，主要從事國內電氣設備采購。E-mail: pjxo8204@163.com