提高冶金系統(tǒng)連續(xù)供電能力的方法創(chuàng)新與實(shí)踐

袁軍芳

1 前言

隨著鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)線自動化程度的提高，變頻調(diào)速設(shè)備、可編程邏輯控制器以及計算機(jī)系統(tǒng)等敏感性用電設(shè)備得到廣泛應(yīng)用，它們對系統(tǒng)電壓特性的變化非常敏感，幾個周波的供電中斷或電壓跌落都將嚴(yán)重影響其正常工作并導(dǎo)致生產(chǎn)線的停運(yùn)。

電壓凹陷產(chǎn)生的原因涉及系統(tǒng)運(yùn)行與用戶用電兩方面。系統(tǒng)方面的原因包括各種短路故障、雷擊致使保護(hù)動作、開關(guān)操作、變壓器以及電容器組的投切等。用戶的原因包括用戶內(nèi)部短路以及大型電機(jī)的啟動、軋鋼機(jī)等沖擊性負(fù)荷的投運(yùn)等。其中短路故障可能引起較為嚴(yán)重的電壓凹陷。

目前對電壓短時間下降有“電壓凹陷”和“電壓驟降”兩種說法。IEEE標(biāo)準(zhǔn)中把這一現(xiàn)象稱為電壓凹陷（Voltage sag），其定義為：供電系統(tǒng)中某點(diǎn)的工頻電壓均方根值突然下降至額定值的10%～90%，并在隨后的10 ms～1 min的短暫持續(xù)期后恢復(fù)正常。IEC標(biāo)準(zhǔn)中將這一現(xiàn)象稱為電壓驟降（Voltage dip），其定義為：供電系統(tǒng)中某點(diǎn)的工頻電壓均方根值突然下降至額定值的1%～90%，并在隨后的10 ms～1 min的短暫持續(xù)期后恢復(fù)正常。

2 馬鋼電網(wǎng)存在的問題

馬鋼供電網(wǎng)絡(luò)有著供電距離短、供電負(fù)荷集中等特點(diǎn)。在供電網(wǎng)絡(luò)中任何一點(diǎn)出現(xiàn)三相短路故障時，在故障切除的電壓凹陷期間，將造成同一母線段所供線路廠礦自動控制系統(tǒng)和低壓控制部分敏感負(fù)荷的停運(yùn)，給生產(chǎn)造成重大損失。根據(jù)公司設(shè)備部電氣事故統(tǒng)計，2014年因電壓凹陷造成主線廠礦停產(chǎn)時間累計約3000 min。

為了降低電壓凹陷造成主線廠礦停產(chǎn)事故，各個生產(chǎn)廠礦都做了大量的工作，比如采用延時動作的低壓接觸器，解除低壓系統(tǒng)低電壓保護(hù)和在自動控制系統(tǒng)采用大容量不間斷電源等，這些措施一定程度上減少了短路故障涉及的范圍，但并沒有從根本上解決問題，提高連續(xù)供電能力的第一道關(guān)鍵防線應(yīng)該是快速隔離和切除短路故障。

馬鋼能源總廠62#變電所除擔(dān)負(fù)三鋼軋總廠大、小H型鋼的供電任務(wù)外，還有部分外供負(fù)荷，長期以來由于外供負(fù)荷短路故障導(dǎo)致電壓凹陷多次造成H型鋼軋線卡鋼和生產(chǎn)停產(chǎn)等，損失巨大。

目前微機(jī)繼電保護(hù)裝置和真空開關(guān)組合在一起，發(fā)生短路故障時速斷保護(hù)跳閘時間一般在80 ms左右。在三相短路故障時，由于母線電壓凹陷致使生產(chǎn)線自動控制系統(tǒng)故障而使主線設(shè)備停產(chǎn)，為此，能源總廠供電分廠在公司相關(guān)部門的大力支持下，創(chuàng)新運(yùn)用快速保護(hù)和永磁真空開關(guān)的組合方式，縮短故障切除時間，提高連續(xù)供電能力，取得很好的效果。該項創(chuàng)新成果的成功應(yīng)用，對提高馬鋼供電系統(tǒng)保供能力，保證高爐系統(tǒng)長周期穩(wěn)定運(yùn)行具有重大的意義。

3 解決方案

中壓系統(tǒng)故障切除時間由繼電保護(hù)裝置動作時間和斷路器跳閘時間共同組成。本創(chuàng)新方案從這二個方面同時入手降低故障切除時間：

3.1 采用國產(chǎn)中置柜和快速分閘斷路器應(yīng)用方式，降低開關(guān)固有動作時間

為提高斷路器動作時間，創(chuàng)新方案采用ABB公司生產(chǎn)的VM1-T型斷路器，通過對國產(chǎn)KYN28A-12型中壓開關(guān)柜技術(shù)改造，新開關(guān)柜具備快速分?jǐn)嗄芰Γ位芈泛妥詣涌刂葡到y(tǒng)滿足自動控制要求，并且達(dá)到馬鋼南區(qū)EMS系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測要求（圖1）。

圖1 ABB VM1-T型開關(guān)國產(chǎn)化應(yīng)用二次接線圖

改造后的KYN28A-12型中壓開關(guān)柜斷路器操作機(jī)構(gòu)采用高可靠性，動作速度快的永磁操作機(jī)構(gòu)，與傳統(tǒng)操動機(jī)構(gòu)相比較，具有部件少,數(shù)量是傳統(tǒng)斷路器操作機(jī)構(gòu)零部件的7%,無需機(jī)械脫扣鎖扣裝置，故障少，可靠性高，使用壽命長，其中永磁操作機(jī)構(gòu)壽命可達(dá)10萬次以上，適于頻繁操作及可靠性高變電站應(yīng)用。

永磁機(jī)構(gòu)克服了傳統(tǒng)彈簧機(jī)構(gòu)和電磁機(jī)構(gòu)的不足，同時通過永磁材料實(shí)現(xiàn)真空斷路器分、合閘位置的保持及操作過程，主要性能特點(diǎn)：

（1）提高了真空斷路器整體機(jī)械性能，使之能適應(yīng)頻繁開斷和長壽命使用的要求。

（2）相比傳統(tǒng)操動機(jī)構(gòu)，無須機(jī)械脫、鎖扣裝置，零部件數(shù)量大為減少，工作時僅有一個運(yùn)動部件，故障率極低，可實(shí)現(xiàn)少維護(hù)。

（3）操動機(jī)構(gòu)的性能與滅弧室開斷、關(guān)合特性相吻合，延長真空滅弧室的使用壽命。

（4）采用高可靠的雙穩(wěn)態(tài)操作機(jī)構(gòu)設(shè)計。通過分、合閘控制線圈產(chǎn)生的電磁力控制分、合閘操作，合閘和分閘位置均采用永磁保持。

（5）具有防跳功能，設(shè)計軟連接和觸頭輔助壓簧，解決了合閘彈跳問題。

（6）具有可靠的操作控制電路模塊，可耐受雷擊、電涌等嚴(yán)酷條件。

VM1-T型斷路器采用真空滅弧室和澆注極柱，分閘時間10 ms，滅弧時間小于15 ms，該開關(guān)具有機(jī)構(gòu)零部件少、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，其額定電流開斷壽命可以達(dá)到20000次。

國產(chǎn)開關(guān)柜和進(jìn)口斷路器組合，既達(dá)到動作速度快的設(shè)計要求，又滿足62#變電所整體規(guī)劃和節(jié)省投資。國產(chǎn)開關(guān)柜和進(jìn)口斷路器的組合應(yīng)用，開拓了思路，為后期馬鋼新建3200 m3高爐建設(shè)積累了寶貴的經(jīng)驗，探索了一條經(jīng)濟(jì)實(shí)用的思路。

3.2 創(chuàng)新繼電保護(hù)裝置數(shù)據(jù)處理方式，降低保護(hù)出口時間

62#變電所采用微機(jī)保護(hù)和變電所自動化系統(tǒng)，為降低保護(hù)裝置動作出口時間，通過和廠家設(shè)計人員交流，按照速斷保護(hù)出口時間小于20 ms的目標(biāo)要求對原有保護(hù)技術(shù)方案進(jìn)行創(chuàng)新優(yōu)化。

優(yōu)化后保護(hù)配置主要功能有：三段式復(fù)合電壓閉鎖過流保護(hù)；反時限過流（三種特性可選）；前加速、后加速及手合加速；三相四次重合閘（不檢定、檢同期、檢無壓）；小電流接地系統(tǒng)套管零序過流；分布式低周減載和過負(fù)荷保護(hù)等功能。

為達(dá)到斷保護(hù)出口時間小于20 ms的目標(biāo)，對現(xiàn)有微機(jī)保護(hù)軟件程序進(jìn)行功能定制，主要創(chuàng)新方案有：

3.2.1 減小數(shù)據(jù)窗寬度

微機(jī)保護(hù)采樣數(shù)據(jù)窗寬度影響速斷保護(hù)對故障的識別時間，進(jìn)而影響保護(hù)的整組動作時間。數(shù)據(jù)窗越寬，故障量的測量越準(zhǔn)確，保護(hù)的動作可靠性也越高。本次方案中要求速斷保護(hù)整組動作時間在20 ms之內(nèi)，對工頻故障量來說，10 ms為半個周波，可以比較準(zhǔn)確地反映故障信號。小于10 ms的數(shù)據(jù)窗，雖然可以一定程度上提高動作速度，但冶金企業(yè)周邊環(huán)境的電磁干擾及電網(wǎng)故障時產(chǎn)生的高次諧波都將對故障量的提取產(chǎn)生明顯影響，其動作可靠性將比10 ms大大降低。考慮到保護(hù)裝置內(nèi)部的出口繼電器的動作時間約為5 ms，因此數(shù)據(jù)窗寬度確定為10 ms。對于10 ms的數(shù)據(jù)窗，本次設(shè)計中采用濾波效果比較好的半波傅里葉算法。

3.2.2 采用電流突變量及電壓突變量綜合判別快速啟動保護(hù)，提前開放保護(hù)裝置的出口繼電器工作電源

傳統(tǒng)微機(jī)保護(hù)設(shè)計時，繼電保護(hù)為提高可靠性，出口繼電器電源必須經(jīng)啟動繼電器的觸點(diǎn)來控制，這樣啟動繼電器與出口繼電器形成與邏輯，以降低保護(hù)的誤動概率。但是由于出口繼電器的電源由啟動繼電器控制，因此即便CPU系統(tǒng)同時發(fā)出指令觸發(fā)這兩個繼電器，實(shí)際動作時序上，也是啟動繼電器先閉合，然后出口繼電器得到控制電源再閉合。如果這兩個繼電器的動作速度均為5 ms，實(shí)際從保護(hù)裝置啟動到出口繼電器閉合也至少需要10 ms。因此，必須采取措施來使得啟動繼電器在故障發(fā)生后5 ms內(nèi)啟動，才能保證啟動繼電器的動作不影響出口繼電器的動作時間。

本方案中，采用電壓突變量與電流突變量綜合判別啟動邏輯，保證保護(hù)裝置在不到5 ms內(nèi)可靠啟動。在嚴(yán)重故障時，因系統(tǒng)阻抗的存在，電壓的變化往往較電流變化更為劇烈，但由于速斷保護(hù)中，故障電流的大小是保護(hù)邏輯的主判據(jù)，因此電流變化量較電壓變化量更為可靠。因此方案中采用電壓突變量觸發(fā)保護(hù)啟動判別邏輯而用電流突變量來確認(rèn)保護(hù)是否應(yīng)該啟動，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)裝置達(dá)到快速、可靠啟動兼顧。

3.2.3 采用電流瞬時值和電流半波有效值聯(lián)合判別來實(shí)現(xiàn)區(qū)內(nèi)故障的可靠識別

由于設(shè)計要求數(shù)據(jù)窗僅10 ms，而追求保護(hù)的動作速度又要求保護(hù)裝置僅能故障發(fā)生10 m后再連續(xù)判別不到3 ms就必須發(fā)出跳閘指令（10 ms數(shù)據(jù)窗+3 ms連續(xù)判別+5 ms出口繼電器動作時間=18 ms）。因此保護(hù)裝置對外部干擾及諧波信號將變得非常敏感。為提高保護(hù)裝置的動作可靠性，本方案采用電流瞬時值和半波有效值的聯(lián)合判別方法，來提高保護(hù)的可靠性。

瞬時值判別邏輯，在連續(xù)的10 ms內(nèi)，如超過5 ms時間其電流采樣瞬時值超過0.95倍整定值，且上述情況在連續(xù)3 ms始終滿足要求，即判為瞬時值判據(jù)滿足要求（一個有效值為1的正弦波，在任何連續(xù)的10 ms內(nèi)其瞬時值不小于1的累計時間恰好為 5 ms）。

有效值判別邏輯，如果使用半波傅里葉濾波后得到的電流有效值在持續(xù)3 ms內(nèi)滿足超過整定值，即判為有效值滿足要求。

如果故障電流的瞬時值判據(jù)和有效值判據(jù)同時滿足上述持續(xù)3 ms的時間要求，則保護(hù)裝置立即發(fā)速斷跳閘指令。此時通過電壓電流突變量辨別已經(jīng)預(yù)先發(fā)出了保護(hù)裝置的啟動命令，則該速斷保護(hù)將立即出口。

快速開關(guān)和定制繼電保護(hù)裝置的配合，實(shí)現(xiàn)了故障切除時間控制在50 ms以內(nèi)的目標(biāo)，縮短了故障時電壓凹陷時間，提高了連續(xù)供電能力。

4 技術(shù)方案取得的效果

該方案應(yīng)用在馬鋼能源總廠62#變電所6221#出線柜上，實(shí)施1年來該出線柜共發(fā)生3次速斷保護(hù)動作的短路故障，創(chuàng)新方案均取得了很好的效果。

4.1 故障一

2014年1月1日21時46分6221#線路速斷保護(hù)動作，保護(hù)整定值為（2000 A、0 s），故障錄波圖顯示6221#柜跳閘時間為34 ms（見圖2），故障沒有對H型鋼生產(chǎn)造成影響。故障后，通過對線路巡檢，故障原因為6221#線路25#點(diǎn)-支1#點(diǎn)用戶變壓器引線燒斷短路導(dǎo)致。

圖2 2014年1月1日21時46分6221#線路故障錄波圖

4.2 故障二

2014年3月3日13:41分6221#線路速斷保護(hù)動作，故障錄波圖顯示故障切除時間為36 ms（見圖3），由于跳閘時間快，對62#變電所10 kVI段母線電壓凹陷時間短（見圖4），故障沒有對H型鋼生產(chǎn)造成影響。通過對線路的檢查，跳閘原因為線路10#～11#點(diǎn)間線路下方違建房屋玻璃鋼瓦翹起造成架空導(dǎo)線短路造成。

4.3 故障三

2014年12月12日15時42分6221#線路速斷保護(hù)動作，故障切除時間為34 ms（見圖5），由于跳閘時間快，對62#變電所10 kVI段母線電壓凹陷時間短（見圖6），故障沒有對H型鋼生產(chǎn)造成影響。通過對線路的檢查，跳閘原因為線路18#點(diǎn)柱上開關(guān)接線燒斷短路造成。

以上三起故障由于斷開故障時間快，三起短路故障在電壓凹陷期間均沒有對H型鋼廠生產(chǎn)造成任何影響，該方案通過一年的實(shí)踐證明對提高連續(xù)供電能力具有很好的效果。

圖3 2014年3月3日13時41分6221#線路故障錄波圖

圖4 2014年3月3日13時41分6221#線路故障分析

圖5 2014年12月12日15時42分6221#線路故障錄波圖

圖6 2014年12月12日15時42分6221#線路故障分析

5 結(jié)束語

隨著自動化設(shè)備的增多，敏感的用電設(shè)備越來越廣泛地應(yīng)用于冶金系統(tǒng)各個領(lǐng)域，電壓凹陷造成的危害也越來越突出，減少電壓凹陷造成的損失關(guān)鍵，在于當(dāng)故障發(fā)生時能夠迅速、及時地進(jìn)行有效的控制和處理。馬鋼的實(shí)踐為在冶金供電系統(tǒng)快速切除故障、保證一類負(fù)荷安全運(yùn)行有重要的意義。通過本次成功實(shí)踐，開拓了思路，為后期馬鋼新建3200 m3高爐建設(shè)積累了寶貴的經(jīng)驗，探索了一條經(jīng)濟(jì)實(shí)用的思路；通過本次成功實(shí)踐，對進(jìn)一步進(jìn)行連續(xù)供電技術(shù)的研究和實(shí)施提供了寶貴經(jīng)驗。