孫東杰

（中石化南京化學工業(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，配備兩臺發(fā)電機，通過兩臺主變與外電網(wǎng)連接，負責全廠電力供應(yīng)，大體系統(tǒng)接線及主要設(shè)備參數(shù)如下：

1?！?＃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段通過電抗器并列運行。1＃發(fā)電機：額定容量：Pe＝6MW，2＃發(fā)電機：額定容量：Pe＝12MW，聯(lián)絡(luò)電抗器：DK－6－1000－8%。在最大運行方式下：主6kVⅠ段短路時短路電流為Ik1＝20kA；主6kVⅡ段短路時短路電流為Ik2＝22 kA。在最小運行方式按照兩臺發(fā)電機檢修，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，即使故障支路的綜保正確動作切除短路，但切除時間至少需要70ms以上（綜保判斷20ms，斷路器動作40ms，燃弧時間10～20 ms），在此期間，6kV主母線會產(chǎn)生電壓凹陷，母線電壓出現(xiàn)凹陷這段時間，供電系統(tǒng)稱之為“晃電”?；坞娨自斐上嚓P(guān)負荷失電，發(fā)電機跳機等事故。同時這種高壓側(cè)的母線電壓凹陷也同時傳遞到低壓側(cè)。連云港堿廠在過去十幾年時間里曾多次出現(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)定帶來很大的危害。

本文從電壓凹陷對用電設(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行詳細闡述。

1 電壓凹陷對用電設(shè)備的影響

1.1 電壓凹陷對繼電器、接觸器影響

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

1.2 電壓凹陷對電動機影響

當系統(tǒng)短路引起的電壓凹陷發(fā)生后，因為電動機感抗的存在，此時異步電動機變成異步發(fā)電機，原有的磁場在旋轉(zhuǎn)中切割定子，產(chǎn)生的定子電壓對外部短路點提供反饋電流。從定子側(cè)看，此時電機等效出一個短路時間常數(shù)，該常數(shù)對3MW以下的電機而言一般為30ms左右，則100ms左右原有系統(tǒng)提供的磁場能量即可消耗完畢。當電壓凹陷故障結(jié)束時將會對電動機產(chǎn)生相當于全壓啟動時的大電流沖擊。

1.3 電壓凹陷對變頻器影響

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，另一方面還具有儲能的作用。在外電壓不能充電時，電容的電壓降落是典型的指數(shù)函數(shù)：

當電網(wǎng)出現(xiàn)電壓凹陷時，直流母線電壓高于交流側(cè)電壓，此時二極管受到反向電壓而截止，交流側(cè)無電流。此時電容C上存儲的電場能量CU2維持著向電機的運行，隨著電場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，則當交流側(cè)電壓恢復時整流二極管完全有可能因受到大電流的沖擊而損壞。

另外一個因素是，對于低壓變頻器而言其控制電源，包括開關(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。當凹陷發(fā)生時，同前所述，會導致變頻器控制失電。為了防止此類損害，變頻器中設(shè)計了保護功能，即當直流電壓u（t）下降到U0的70%時，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＝解出時間t，我們得到：

也就是說，當電壓凹陷發(fā)生后15.16ms時，變頻器為保護自身不被損壞，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)電抗器存在的問題

為解決電壓凹陷對系統(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，通過電抗器來保持母線電壓，但電抗器的參數(shù)很難設(shè)計。

為有效的抬升電壓（一般超過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期串聯(lián)不僅會產(chǎn)生巨大的能耗，而且也將對電壓質(zhì)量造成很大影響，讓這種方案經(jīng)濟適用性大打折扣。

同時空心電抗器正常運行時，交變的電磁場介質(zhì)是空氣，會產(chǎn)生強大的電磁輻射。電磁輻射使通訊系統(tǒng)及計算機監(jiān)控系統(tǒng)受到嚴重干擾，甚至無法正常工作。另外電抗器附近的金屬構(gòu)件或基礎(chǔ)混凝土中鋼筋在強大的主磁場作用下，會產(chǎn)生附加損耗（基礎(chǔ)和基礎(chǔ)鋼筋中），并且在長期的震動下，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由專用原裝進口換流器、測控單元、特制羅氏線圈、限流阻抗、切離開關(guān)、微機綜合保護器、電流互感器等構(gòu)成。

測控單元通過羅氏線圈監(jiān)視支路電流，當短路電流大于設(shè)定值，高速DSP通過專用算法1～2ms內(nèi)快速精確的預(yù)測三相短路電流有效值，并發(fā)出動作信號。裝置中的換流器在2～3ms內(nèi)快速開斷，短路電流換流進入限流阻抗中，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，保證其他無故障支路敏感負載的正常工作。同時主變等設(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，測控單元檢測支路電流接近額定電流時立即控制換流器合閘，限流高阻抗退出，系統(tǒng)即可恢復正常運行。發(fā)生短路故障的支路在短路超過300ms，故障沒有解除，本裝置測控單元認為是故障點的分支路真空斷路器拒動或支路的母線故障，立即給切離開關(guān)發(fā)出分閘命令，切除該支路。

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

裝置原理圖見虛線框內(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

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段計算表格

表2 廠用6kVⅢ段和廠用6kVⅣ段計算表格

安裝ZRD后，若廠用6kV某段分支發(fā)生短路故障時，控制器檢測到短路故障后做出指令，分斷換流器，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，保證了其他無故障支路的正常供電。

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

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

4 結(jié) 語

采用母線殘壓保持裝置不僅可以維持母線殘壓，保護其它重要負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，同時對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，同時對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。

［1］ 高吉增.楊玉磊.崔雪深.感應(yīng)電動機失電殘壓的研究［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2009（4）：45－48

［2］ 趙淑英.高壓電網(wǎng)中并聯(lián)電抗器的應(yīng)用［J］.云南電力技術(shù)，2010

［3］ 李光琦.電力系統(tǒng)暫態(tài)分析［M］.北京：中國電力出版社，1999