母線殘壓保持裝置在企業(yè)內(nèi)部電網(wǎng)上的應(yīng)用

孫東杰

（中石化南京化學(xué)工業(yè)有限公司連云港堿廠，江蘇 連云港 222042）

連云港堿廠熱電車間屬于企業(yè)自備發(fā)、配電單位，配備兩臺(tái)發(fā)電機(jī)，通過(guò)兩臺(tái)主變與外電網(wǎng)連接，負(fù)責(zé)全廠電力供應(yīng)，大體系統(tǒng)接線及主要設(shè)備參數(shù)如下：

1＃～2＃主變：額定容量：Se＝8MVA，額定電壓：35／6（kV），阻抗電壓：UⅠ－Ⅱ＝7.16% 。系統(tǒng)主6kVⅠ段和Ⅱ段通過(guò)電抗器并列運(yùn)行。1＃發(fā)電機(jī)：額定容量：Pe＝6MW，2＃發(fā)電機(jī)：額定容量：Pe＝12MW，聯(lián)絡(luò)電抗器：DK－6－1000－8%。在最大運(yùn)行方式下：主6kVⅠ段短路時(shí)短路電流為Ik1＝20kA；主6kVⅡ段短路時(shí)短路電流為Ik2＝22 kA。在最小運(yùn)行方式按照兩臺(tái)發(fā)電機(jī)檢修，只由主變供電（估算）：主6kV短路電流為Ik3＝13kA。

圖1

從一次系統(tǒng)圖可以看出，在廠用6kV（Ⅰ～Ⅳ段配電母線）支路短路時(shí)，即使故障支路的綜保正確動(dòng)作切除短路，但切除時(shí)間至少需要70ms以上（綜保判斷20ms，斷路器動(dòng)作40ms，燃弧時(shí)間10～20 ms），在此期間，6kV主母線會(huì)產(chǎn)生電壓凹陷，母線電壓出現(xiàn)凹陷這段時(shí)間，供電系統(tǒng)稱之為“晃電”。晃電易造成相關(guān)負(fù)荷失電，發(fā)電機(jī)跳機(jī)等事故。同時(shí)這種高壓側(cè)的母線電壓凹陷也同時(shí)傳遞到低壓側(cè)。連云港堿廠在過(guò)去十幾年時(shí)間里曾多次出現(xiàn)因廠用6kV支路短路沖擊造成全廠局部、全部等不同程度的停產(chǎn)事故，給生產(chǎn)穩(wěn)定帶來(lái)很大的危害。

本文從電壓凹陷對(duì)用電設(shè)備的影響和傳統(tǒng)串接電抗器的缺陷，以及SHK－ZRD母線殘壓保持裝置的系統(tǒng)組成、工作原理和解決方案進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1 電壓凹陷對(duì)用電設(shè)備的影響

1.1 電壓凹陷對(duì)繼電器、接觸器影響

二次控制元件在額定電壓的70%下能可靠工作，當(dāng)電壓低于額定電壓的70%時(shí)，接觸器和繼電器就有可能失電返回，造成設(shè)備停運(yùn)。

1.2 電壓凹陷對(duì)電動(dòng)機(jī)影響

當(dāng)系統(tǒng)短路引起的電壓凹陷發(fā)生后，因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)感抗的存在，此時(shí)異步電動(dòng)機(jī)變成異步發(fā)電機(jī)，原有的磁場(chǎng)在旋轉(zhuǎn)中切割定子，產(chǎn)生的定子電壓對(duì)外部短路點(diǎn)提供反饋電流。從定子側(cè)看，此時(shí)電機(jī)等效出一個(gè)短路時(shí)間常數(shù)，該常數(shù)對(duì)3MW以下的電機(jī)而言一般為30ms左右，則100ms左右原有系統(tǒng)提供的磁場(chǎng)能量即可消耗完畢。當(dāng)電壓凹陷故障結(jié)束時(shí)將會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生相當(dāng)于全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)的大電流沖擊。

1.3 電壓凹陷對(duì)變頻器影響

常用的變頻器大都采用交－直－交電壓型變頻方式，下圖是其原理圖。

圖2

三相全波二極管整流電路將交流電壓變成脈動(dòng)的直流電壓，跨接在直流母線上的電容一方面起到濾波的作用，可以減小電壓的脈動(dòng)，另一方面還具有儲(chǔ)能的作用。在外電壓不能充電時(shí)，電容的電壓降落是典型的指數(shù)函數(shù)：

當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)電壓凹陷時(shí)，直流母線電壓高于交流側(cè)電壓，此時(shí)二極管受到反向電壓而截止，交流側(cè)無(wú)電流。此時(shí)電容C上存儲(chǔ)的電場(chǎng)能量CU2維持著向電機(jī)的運(yùn)行，隨著電場(chǎng)能量的消耗電容上的電壓很快下降。若電容兩端電壓下降到很低的水平，則當(dāng)交流側(cè)電壓恢復(fù)時(shí)整流二極管完全有可能因受到大電流的沖擊而損壞。

另外一個(gè)因素是，對(duì)于低壓變頻器而言其控制電源，包括開(kāi)關(guān)電源和模塊電源，往往取自電容C，也有的直接取自前置輸入母線。當(dāng)凹陷發(fā)生時(shí)，同前所述，會(huì)導(dǎo)致變頻器控制失電。為了防止此類損害，變頻器中設(shè)計(jì)了保護(hù)功能，即當(dāng)直流電壓u（t）下降到U0的70%時(shí)，立即封鎖變頻器的觸發(fā)脈沖，使電容器不再繼續(xù)向電機(jī)提供能量，把殘存的電壓保持在0.7倍的U0。如果從方程U＝0.7 U0＝解出時(shí)間t，我們得到：

也就是說(shuō)，當(dāng)電壓凹陷發(fā)生后15.16ms時(shí)，變頻器為保護(hù)自身不被損壞，將停止工作，電容不再向外輸出能量。

2 在出線回路上串聯(lián)電抗器存在的問(wèn)題

為解決電壓凹陷對(duì)系統(tǒng)的影響，傳統(tǒng)方式在各條分支路上串入支路電抗器，意在某條配出線發(fā)生短路事故時(shí)，通過(guò)電抗器來(lái)保持母線電壓，但電抗器的參數(shù)很難設(shè)計(jì)。

為有效的抬升電壓（一般超過(guò)80%），電抗率越高的電抗器明顯有很好的殘壓維持效果，但是高電抗率電抗器在線路中長(zhǎng)期串聯(lián)不僅會(huì)產(chǎn)生巨大的能耗，而且也將對(duì)電壓質(zhì)量造成很大影響，讓這種方案經(jīng)濟(jì)適用性大打折扣。

同時(shí)空心電抗器正常運(yùn)行時(shí)，交變的電磁場(chǎng)介質(zhì)是空氣，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁輻射。電磁輻射使通訊系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)受到嚴(yán)重干擾，甚至無(wú)法正常工作。另外電抗器附近的金屬構(gòu)件或基礎(chǔ)混凝土中鋼筋在強(qiáng)大的主磁場(chǎng)作用下，會(huì)產(chǎn)生附加損耗（基礎(chǔ)和基礎(chǔ)鋼筋中），并且在長(zhǎng)期的震動(dòng)下，將使混凝土松軟，影響混凝土基礎(chǔ)和廠房的壽命。

3 采用SHK－ZRD母線殘壓保持裝置

3.1 SHK－ZRD概述

ZRD由專用原裝進(jìn)口換流器、測(cè)控單元、特制羅氏線圈、限流阻抗、切離開(kāi)關(guān)、微機(jī)綜合保護(hù)器、電流互感器等構(gòu)成。

測(cè)控單元通過(guò)羅氏線圈監(jiān)視支路電流，當(dāng)短路電流大于設(shè)定值，高速DSP通過(guò)專用算法1～2ms內(nèi)快速精確的預(yù)測(cè)三相短路電流有效值，并發(fā)出動(dòng)作信號(hào)。裝置中的換流器在2～3ms內(nèi)快速開(kāi)斷，短路電流換流進(jìn)入限流阻抗中，限制短路電流，短路電流幅值大大降低。

本裝置可在支路發(fā)生短路故障6～16ms內(nèi)，將母線殘壓保持在額定電壓的90%以上，保證其他無(wú)故障支路敏感負(fù)載的正常工作。同時(shí)主變等設(shè)備所受到的短路電流沖擊大大降低。

分支內(nèi)的短路故障切除后，測(cè)控單元檢測(cè)支路電流接近額定電流時(shí)立即控制換流器合閘，限流高阻抗退出，系統(tǒng)即可恢復(fù)正常運(yùn)行。發(fā)生短路故障的支路在短路超過(guò)300ms，故障沒(méi)有解除，本裝置測(cè)控單元認(rèn)為是故障點(diǎn)的分支路真空斷路器拒動(dòng)或支路的母線故障，立即給切離開(kāi)關(guān)發(fā)出分閘命令，切除該支路。

綜合分析，ZRD方案通過(guò)控制單元和高阻抗串聯(lián)電阻的配合比長(zhǎng)期串聯(lián)電抗器方案更加經(jīng)濟(jì)、可靠。

裝置原理圖見(jiàn)虛線框內(nèi)。

圖3

3.2 SHK－ZRD解決方案

優(yōu)化系統(tǒng)圖如圖4。

圖4

3.3 SHK－ZRD參數(shù)設(shè)計(jì)

限流電阻串入后，母線殘壓保持在額定電壓的95%以上，限后電流按照1 500A考慮。

表1 廠用6kVⅠ段和廠用6kVⅡ段計(jì)算表格

表2 廠用6kVⅢ段和廠用6kVⅣ段計(jì)算表格

安裝ZRD后，若廠用6kV某段分支發(fā)生短路故障時(shí)，控制器檢測(cè)到短路故障后做出指令，分?jǐn)鄵Q流器，串入限流電阻（裝置在16ms內(nèi)完成換流和限流），母線殘壓保持在額定電壓的90%以上，保證了其他無(wú)故障支路的正常供電。

當(dāng)短路支路內(nèi)故障點(diǎn)切除后，操作中表現(xiàn)為測(cè)控單元檢測(cè)支路電流接近額定電流時(shí)立即給換流器命令，指示換流器合閘。接到命令后10ms內(nèi)限流阻抗退出，系統(tǒng)即可恢復(fù)正常運(yùn)行。

發(fā)生短路故障支路在發(fā)生短路超過(guò)300ms，故障沒(méi)有解除，控制器立即給切離開(kāi)關(guān)發(fā)出分閘命令，切除該支路。

4 結(jié) 語(yǔ)

采用母線殘壓保持裝置不僅可以維持母線殘壓，保護(hù)其它重要負(fù)荷不受一條支路短路故障的影響，也具備支路斷路器的全部功能，同時(shí)對(duì)該母線主變壓器短路電流沖擊產(chǎn)生的損害大大降低，變壓器得到很好的保護(hù)，同時(shí)對(duì)其分支母線以下的斷路器遮斷容量也相應(yīng)大大降低。在很大程度上可以避免企業(yè)內(nèi)部電網(wǎng)因晃電造成的電氣設(shè)備異常跳閘，提高企業(yè)內(nèi)部電網(wǎng)安全穩(wěn)定性，保證生產(chǎn)系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定。

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