冶金電力系統電壓瞬降問題研究

冉孟武

（攀鋼集團攀枝花鋼釩有限公司制造部,四川攀枝花 617062）

前言

攀鋼電網110 kV 東方紅變電站向煉鋼LF 加熱爐及連鑄機、軌梁萬能軋機，熱軋主軋生產線等重要負荷供電，該變電所兩回110 kV 主供電源（均來自電網220 kV 施家坪變電站）并列運行，五臺變壓器總容量260500 kVA，由于煉鋼LF 電加熱爐及熱軋、軌梁軋機沖擊負荷影響，供電負荷在60～140 MW 波動。該變電站配電電壓分別為10 kV、35 kV，配出開路繁多，負荷性質極雜。

如此龐大復雜的系統，因設備絕緣老化,雷擊，誤操作，小動物等故障引發短時的電壓降低等波動,容易波及相鄰系統重要負荷,致使事故急劇擴大并惡化；另一方面LF 爐與各類容性、感性負荷的交織作用將產生較大的諧波污染及電壓閃變。東方紅變電所系統內每年發生數起至十余起各類故障或電壓波動，造成影響熱軋、軌梁等生產的故障。因此,深入分析110 kV 東方紅供電系統低電壓閃變故障原因,并采取相應措施,最大限度避免或減少生產系統的電氣事故，對保障生產順行具有重大意義。

1 供電系統電壓瞬降的原因分析

根據電力系統長期運行經驗及理論分析表明，供電系統的電壓瞬降通常是由以下幾方面原因引起的：一是供電系統短路故障；二是大型電動機直接啟動;三是大的沖擊負荷與諧波濾波及無功補償裝置等交互作用。具體如下：

1.1 系統短路故障產生的電壓瞬降

電力系統短路故障時產生較大的故障電流,對電網的沖擊大,除造成故障線路跳閘外,還會引起系統瞬時電壓降低。一般短路點距離電源越近,電壓幅值降低越大；短路容量越小的供電系統,影響范圍越大。

以攀鋼110 kV 東方紅變電所來看，該區域變電站主要供煉鋼廠LF電加熱爐，連鑄機，軌梁廠，熱軋板廠軋鋼生產線及其公輔供電系統，生產線多，供電電纜及開關配電設備繁多，且工作環境惡劣,因雷擊過電壓破壞絕緣、設備本身質量或絕緣老化，人為誤操作及小動物等意外原因引發的短路故障極其常見，根據近2年統計來看，該系統內平均每年發生5～7起上述原因引發的短路故障，見表1。

表1 2017～2018年東方紅系統短路故障情況統計

根據繼電保護核算結果表明，東方紅變電所110 kV 系統大方式下短路容量僅2645 MVA（短路阻抗標幺值為0.0378），根據110 kV 主變各側的短路阻抗參數計算結果表明，當東方紅大方式下主變10 kV側故障時，主變高壓側殘壓（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

可見離故障點越近，中間線路或變配電設備阻抗越小，電壓降越大。特別是系統配出全為電纜線路，即使考慮部分變壓器及電抗器等影響，各電壓等級及配電點間的電力元件總阻抗均較小，系統內任意點發生短路故障都會造成全系統瞬時電壓大幅降低，但由于各類快速繼電保護裝置的應用，一般當發生短路故障后，繼電保護裝置快速切除故障點后，系統電壓將快速恢復到正常水平。即短路故障引發的電壓瞬降一般具有幅值大，持續時間較短的特點。

1.2 電力系統內大電機直接啟動產生電壓瞬降

電力系統中大型電機啟動時，參照《工業與民用配電設計手冊》給出的計算公式，母線電壓降計算模型如圖1。

圖1 電動機啟動時母線電壓降計算模型

根據計算公式,在電動機啟動時，系統變母線電壓相對值：

式中：Skm—系統母線處短路容量；

Qfh1—系統母線處預接負荷的無功功率；

Sst—系統母線處啟動回路額定輸入容量。

則系統變電站母線電壓降為：

用戶變電站母線電壓降為：

而在工程簡易計算中，為簡化計算模型，忽略母線處預接負荷的無功功率等，設母線電壓的值與電網標稱電壓值相等，可根據系統母線處短路阻抗X*及母線所接電動機的啟動電流Ie簡單估算母線電壓降如下：

根據實際運行經驗表明，工程簡易計算結果與理論計算結果近似，完全滿足實際應用需求。而根據上述公式也表明系統短路容量越小（即短路阻抗越大），電機啟動電流越大，在電動機啟動時對母線電壓影響越大，容易導致同一電網上其他用戶設備電壓瞬降，一般電機啟動完成即可恢復正常電壓水平。

1.3 大功率沖擊負荷與無功補償等交互作用產生電壓瞬降

攀鋼東方紅變電所內存在大量的同步電機、異步電機、動力變壓器、整流變壓器等，同時為限制諧波污染及提高系統功率因素，其10 kV 配出的下級站所裝設有3 套動態無功補償裝置(SVC)，35 kV 配出的下級站所（煉鋼LF 爐）裝設有5 套固定補償式的諧波濾波裝置。補償裝置過多且集中，更是加劇了該系統的復雜性。

根據長期的實際運行統計及實際測量發現，大沖擊負荷，特別是如煉鋼LF 爐類的電加熱沖擊負荷，其加熱時實際就相當于電力系統接地短路運行，因其功率巨大（單臺加熱時最大功率約22 MW），其加熱時將大幅拉低母線電壓；而其停止加熱時，因其配套的固定無功補償裝置又將出現過補償，造成母線電壓居高不下。5 套LF 爐及其補償裝置與濾波裝置共同運行，且僅有3次、4次濾波裝置，對部分高次諧波的治理不徹底，交互作用下造成相應主變下母線電壓出現瞬降的情況比較突出。根據電能質量監測儀實測電壓波形發現，主供LF爐的變壓器35 kV 側、10 kV 側正常運行情況下頻繁出現電壓瞬降情況，最大降低幅值達到標稱電壓的約20%，但持續時間極短，大部分在50～100 ms 內即可恢復正常。

2 電壓瞬降對供電設備的影響

根據前述分析，幾種不同類型引發的電壓瞬降的幅值及持續時間不同，同系統內電氣設備由于繼電保護配置及工藝對電壓質量的需求情況不同，所受到的影響也不一樣。

軋鋼系統中風機、空壓機、水泵、軋機等重要設備，在其電動機的主回路、勵磁回路、控制回路中常見的低電壓保護有：高壓電機的低電壓保護，控制回路欠電壓保護，低壓勵磁回路的低壓電源開關、交流接觸器等。

高壓電機失壓保護啟動一般按70 V（二次值）整定，但由于設備廠家設計、工藝需求不同等原因，時限一般從0.5 s 至5 s 不等，對于快速切除的短路故障及諧波濾波裝置等引發的偶然電壓瞬降，因持續時間較短，一般均可躲過而不會造成跳閘停機；但對于勵磁系統低壓開關及部分控制回路欠壓保護，一般達到動作值就會引發跳閘失電，進而引起主生產設備工藝保護停機。另外對如軌梁Uf 軋機等，因廠家設計的控制系統對電壓閃變極其敏感，一旦系統電壓瞬降的幅值超過15%，軋機供電系統0 s 跳閘停機，因此一旦系統內發生短路故障，軌梁軋機跳閘率超過90%，且加熱爐等生產與濾波裝置交互作用產生的偶發性電壓瞬降也時而造成其停機，對生產造成較大影響，帶來較大經濟損失。

3 電壓瞬時降低的解決方法

結合對電網電壓瞬降產生的原因，分析其幅值、持續時間及對電氣設備的影響，可以有針對性的制定解決措施。

3.1 減少電網發生短路故障

根據前述分析，電力系統發生電壓瞬降并對生產造成較大影響的主要原因之一就是電網設備短路故障，因此有針對性地根據事故原因采取措施減少短路故障發生可有效提高供電可靠性。

（1）加強架空線路防雷消缺工作，每年度在雷雨季來臨前對所有架空線路避雷器進行一次檢測，并加強日常運行檢測，存在問題的及時采取更換避雷器等措施進行消缺，減少因為雷擊造成的故障。另一方面加強對影響架空線路運行安全的環境進行清理，特別是年度定期對線路兩側樹木開展修枝工作。

（2）加強各類高壓電氣設備的日常點檢及定檢定修工作，提前消除設備絕緣隱患，降低故障率。及時對老化電纜進行檢測更換，加強開關、電纜接頭等設備的溫度檢測等,點巡檢工作提前發現絕緣隱患并予以消除。

（3）加強培訓，提高員工業務素質，嚴格執行標準化倒閘操作票及電氣設備監護操作制度，減少誤操作發生。

（4）完善開關設備“五防”設施；對配電室、變壓器室孔洞進行嚴密封堵,完善防鼠隔板或網門，對室外裸露母線采用聚氯乙烯材料熱縮包扎等防小動物措施。

3.2 采取延時失壓保護躲過電壓瞬降

要徹底消除供電系統電壓瞬降,目前在技術上還有困難。而鑒于短路故障及其它偶發性電壓瞬降一般持續時間較短，因此對于確需裝設失壓保護和欠電壓保護的設備，特別是各類高壓電機的低電壓保護，可根據其供電負荷 重要性進行分級，在保護定值整定時執行不同的延時，具體如下：

（1）各類同步電機，如設備廠家要求特殊動作時間要求的，按設備廠家定值執行；其它的低電壓保護統一按70 V，1.5～2 s延時整定。

（2）一類負荷異步電機低電壓保護整定值原則按70 V，5 s 延時整定，煤氣加壓機按70 V，3 s 延時整定。

（3）二類及以下負荷電機低電壓保護整定值按70 V，0.5 s延時整定。

（4）對危及重要設備及人身安全的特別重要電機取消低電壓保護。

（5）對于低壓母線的受電斷路器。對智能開關低壓脫扣延時時限按異步電機時延原則調整，不能調整的更換或臨時解除失壓脫扣。

3.3 調整低電壓敏感設備運行方式避開偶發性電壓瞬降

根據前述分析，攀鋼東方紅電網還存在煉鋼LF爐等大沖擊設備與固定無功補償裝置交互作用產生的偶發性電壓瞬降，該類電壓瞬降對軌梁Uf軋機等影響極大，嚴重影響生產順行。為此通過對東方紅變電所各主變正常運行時的電壓瞬降情況進行實測，特別是對供煉鋼LF 爐的1#、3#主變與其他主變10 kV 側母線電壓進行實時監測,證實了煉鋼LF爐加熱時確實易產生電壓瞬降，發生頻率及電壓瞬降幅值遠高于其它主變系統。為此特意將供軌梁廠敏感軋機設備的電源電纜倒接至2#主變供電，基本消除了電壓瞬降對其影響。

4 結語

通過加強運行維護，采取分類延時失壓保護以及調整敏感設備運行方式等手段，有效提高了攀鋼東方紅變電系統運行可靠性,最大限度避免或減少生產系統電氣事故的波及面，提高了供電系統的安全穩定性和抗沖擊能力，大幅降低了事故造成的經濟損失。