楊天亮

（首鋼京唐公司能源與環(huán)境部， 河北 唐山 063210）

某鋼鐵公司是自動化程度比較高的大型鋼鐵企業(yè)，對生產(chǎn)的連續(xù)性和安全性要求非常高。其電纜線路非常多，碼頭10 kV 配電室負載自身在運行過程中因門機電源線接采用地埋式接線箱、電纜露天地溝，門機上接線箱控制限位失效、卸船機滑環(huán)箱的碳刷翻轉(zhuǎn)功能故障及大雨淹沒都曾導(dǎo)致發(fā)生短路的故障并造成上級站所壓降，嚴重時壓降降至運行電壓30%左右，其晃電時間超過了80 ms。公司針對曾發(fā)生過故障采取一系列措施，逐步降低故障率，但由于氣候環(huán)境影響，仍無法從最大程度上降低故障影響。

1 項目背景

1.1 故障現(xiàn)象

碼頭門機、卸船機均是10 kV 高壓電纜供電，當碼頭10 kV 供電系統(tǒng)發(fā)生短路、接地等故障時，會造成上級110 kV 變電所10 kV 母線所帶其他作業(yè)部設(shè)備瞬時壓降（時間超過了80 ms=保護裝置動作時間+周波影響），公司各產(chǎn)線用變頻器的低電壓動作保護值一般是85%，變頻器在滿載的情況下，只要系統(tǒng)發(fā)生三相短路，10 ms 之內(nèi)，變頻器的直流支撐電壓降低到70%，因現(xiàn)場的變頻器低電壓動作值為85%，所以系統(tǒng)一旦有較大幅度壓降，各產(chǎn)線變頻器已動作，將造成生產(chǎn)中斷，給公司主產(chǎn)線生產(chǎn)帶來巨大影響。

1.2 故障分析

如圖 1 所示，若 d1、d2、d3、d4 線路發(fā)生短路，由于中間沒有任何隔離，則短路支路母線電壓發(fā)生暫降，所有短路點本段10 kV 負荷同樣電壓會發(fā)生暫降，雖然繼電保護速斷整定時間是0 s，但真空斷路器的完全開斷時間長達60 ms 以上，60 ms 以上的時間，接觸器、繼電器、變頻器等負載低電壓穿越失敗，會造成大面積停電事故。

圖1 110 kV 變電所所帶碼頭一次系統(tǒng)

1.3 交流對比分析

方案是在10 kV 站所進線改造成限流裝置（見下頁圖2）形式鋪設(shè)或在進線開關(guān)柜前直接串聯(lián)限流電抗器兩種方式進行選擇，通過短路電流計算得出需增加電抗器大小，以確保發(fā)生短路故障時電抗器發(fā)揮作用確保故障切除前短時穩(wěn)定殘壓在運行電壓90%以上。

母線柜內(nèi)增加限流裝置，為開關(guān)柜內(nèi)斷路器與電抗器并聯(lián)形式（見下頁圖3），正常運行時通過設(shè)備本身采集系統(tǒng)實時采集系統(tǒng)電流，當電流突變符合短路電流量時，通過快速識別裝置控制斷路器斷開，將電抗器全部投入系統(tǒng)，維持系統(tǒng)殘壓在90%。但綜合考慮零損耗深度限流裝置為斷路器開關(guān)柜與電抗器成套采購，開關(guān)柜工作原理為識別裝置控制系統(tǒng)控制永磁鐵線圈磁力達到控制開關(guān)位置變化。

如果采用增加限流裝置的方式，每套裝置開關(guān)柜在投資較大，并且需要在原進線開關(guān)柜之前或替換現(xiàn)有進線開關(guān)柜安裝；碼頭配電室原開關(guān)柜安裝已無空余位置，單獨建造建筑物放置此裝置需額外增加費用；進線處增加四處電纜接點和一套開關(guān)柜，并且控制線圈為一直帶電狀態(tài)、對永磁鐵及運行線圈維護缺乏經(jīng)驗及有價值對標分析，并且給系統(tǒng)多提供了一個故障點，從系統(tǒng)安全運行分析不建議采取。而采取進線開關(guān)柜前串聯(lián)電抗器比原方式只增加兩處電纜接點，綜合項目施工時間、投資和故障點位分析，最終確定采取直接在進線開關(guān)柜前串聯(lián)電抗器形式進行改造。

圖2 限流裝置示意圖

2 改造方案

2.1 改造方案

在碼頭三處配電室進線各增加一組限流電抗器，共計三處配電室安裝6 組限流電抗器，電抗器安裝在配電室屋外電纜溝旁空地，電纜沿地面橋架敷設(shè)，橋架與原電纜溝連接，電抗器周邊設(shè)置安全護欄及屋頂，確保安全距離符合要求。原進線電纜截斷與電抗器連接，電抗器出線敷設(shè)進入配電室進線開關(guān)。

2.2 計算方案

圖3 110 kV 變電所系統(tǒng)增加電抗器示意圖

設(shè)基準容量、基準電壓、基準電流分別：Sjz=1 000 MVA，Ujz=10.5 kV，Ijz=54 987 A。

10 kV 電抗器在基準下電抗標幺值為Xk*。

例3 號碼頭變電所（一）電抗器出口三相短路最大電流Id3。

在碼頭變電所，10 kV 母線殘壓為10 kV×85%=8.5 kV。

將系統(tǒng)參數(shù)、電纜參數(shù)代入公式可計算得Xk*，詳細計算過程電抗選定后，運行損耗見表1。

表1 電抗器投入后運行損耗計算表

其中由于碼頭變電所負荷的性質(zhì)，正常運行電流小，選擇此方式損耗較小，穩(wěn)定性較高。

3 改造效果

電抗器作為電力系統(tǒng)中不可缺少的補償裝置，需求日益增多、應(yīng)用廣泛。本文對某10 kV 配電室在故障情況下提高母線殘壓裝設(shè)電抗器的方案做了簡要的探討說明，確保一般故障情況下母線電壓在合格范圍之內(nèi)。在運行實踐，門機設(shè)備發(fā)生10 kV 供電系統(tǒng)短路的情況下，可以將短路故障對上級110 kV變電所10 kv 供電系統(tǒng)的影響概率降低90%。但是電抗器本身故障時仍有可能影響上級供電，經(jīng)運行統(tǒng)計和歷年事故對比，發(fā)生電抗器本身故障概率較低，因此此改造方案可取。