丁 鶴

銅陵有色設(shè)計研究院有限責任公司機電加工工程室，安徽 銅陵 244000

0 引言

隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展，對供配電系統(tǒng)電能質(zhì)量的要求也逐步提高。在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，當輸配電系統(tǒng)中發(fā)生短路故障、同（異）步電動機啟動、雷擊、開關(guān)操作、變壓器及電容器組的投切等事件時，都可能引起電壓暫降。其中，同（異）步電動機啟動是引起電壓暫降的最主要原因，而電力系統(tǒng)短路容量是同（異）步電動機啟動電壓暫降最重要的一個影響因素。

1 電壓暫降概述

1.1 定義

電力系統(tǒng)電壓暫降可以引起短路故障，甚至影響敏感設(shè)備的正常運行。電壓暫降是根據(jù)電壓幅值方均根的變化定義的，電壓暫降是指電壓下降[1]，持續(xù)時間為半個周波到幾秒。受電壓暫降影響最大的設(shè)備有工業(yè)流程控制器、可編程序控制器（PLC）、可調(diào)速驅(qū)動器及機器人系統(tǒng)，電壓暫降可能會損壞基于微處理器的數(shù)字控制設(shè)備的數(shù)據(jù)。

1.2 原因

電壓暫降一般由電網(wǎng)和變電設(shè)施的故障或負荷突然出現(xiàn)大的變化（如大功率設(shè)備啟動等）引起，在某些情況下，會出現(xiàn)2次甚至更多次的連續(xù)跌落或中斷[2]。電壓暫降的具體原因如下。

（1）自然原因：雷擊、閃電、暴雨、大風及下雪等；

（2）電力系統(tǒng)原因：短路故障、大電機啟動、線路切換、變壓器和電容器投切、配電裝置故障感應(yīng)電機（大功率）啟動等；

（3）不可預(yù)知的偶然事件：交通事故、建筑施工造成輸電線損壞、人為操作失誤及一些小動物進入配電室等。

1.3 持續(xù)時間

針對電壓暫降的持續(xù)時間，SEMI中國信息控制標準技術(shù)委員會組織的電能質(zhì)量專題小組做了實驗，在全美洲22站點進行電能質(zhì)量研究，共記錄到1 076個電壓暫降事件。其中，在綠色線上方的電壓暫降的數(shù)量占總數(shù)的93%，僅有6個事件為斷電且都在1 s以內(nèi)，僅有3個事件超過2 s。

2 電動機啟動時配電系統(tǒng)中的電壓允許值

依據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計手冊（第四版）》[3]上冊第478～479頁的相關(guān)描述，電動機啟動時，其端子電壓應(yīng)能保證被拖動機械要求的啟動轉(zhuǎn)矩，且在配電系統(tǒng)中引起的電壓暫降不應(yīng)妨礙其他用電設(shè)備的工作。即電動機啟動時，配電母線上的電壓應(yīng)符合下列要求。

（1）在一般情況下，電動機頻繁啟動時，電壓不應(yīng)低于系統(tǒng)標稱電壓的90%；電動機不頻繁啟動時，電壓不宜低于系統(tǒng)標稱電壓的85%。

（2）配電母線上未接照明負荷或其他對電壓下降敏感的負荷，且電動機不頻繁啟動時，電壓不應(yīng)低于系統(tǒng)標稱電壓的80%。

（3）配電母線上未接其他用電設(shè)備時，可按保證電動機的啟動轉(zhuǎn)矩的條件決定；對于低壓電動機，還應(yīng)保證接觸器線圈的電壓不低于釋放電壓。

3 電動機啟動時電壓暫降問題的案例分析

3.1 工程概況

筆者作為電氣專業(yè)負責人于2019—2020年主持了銅陵有色金屬集團股份有限公司金冠銅業(yè)銅冶煉渣資源綜合利用項目施工圖的相關(guān)電氣專業(yè)設(shè)計工作，該工程的主要子項有渣包維修間、渣緩冷變電所、渣破碎及運輸、磨浮工序、磨浮10 kV配變電所、脫水工序、脫水變電所、渣選礦循環(huán)水系統(tǒng)及廠區(qū)綜合管網(wǎng)等。

3.1.1 系統(tǒng)接線

根據(jù)工程的工藝流程、車間劃分、負荷大小及分布情況，在磨浮廠房東附跨設(shè)置1座磨浮10 kV配電所，采用單母線分段方式接線，兩回10 kV電源分別引自“雙閃”廠區(qū)110/10.5 kV總降壓變電站不同段10 kV母線。正常情況下，10 kV配電所單母線分段運行；當一回線路故障或檢修時，由另一回線路帶全部負荷。經(jīng)校驗，每回10 kV電源線路供電能力及對應(yīng)總降所內(nèi)出線開關(guān)供電容量均能滿足該10 kV配電所全部負荷的用電需要[4]。

考慮到濕式溢流型球磨機容量較大（4 800 kW），其兩回10 kV電源直接引自“雙閃”廠區(qū)110/10.5 kV總降壓變電站不同段10 kV母線[5]。

3.1.2 系統(tǒng)配置

該工程在磨浮廠房東附跨設(shè)有1座10/0.4 kV車間變電所，內(nèi)設(shè)2臺電力變壓器，額定容量均為2 500 kVA，其10 kV電源分別引自磨浮10 kV配電所不同段10 kV母線，低壓側(cè)采用單母線分段方式接線。正常運行時，2臺變壓器分列運行，母聯(lián)斷開；當一回10 kV電源或變壓器故障或檢修時，另一變壓器能承擔該變電所全部主要生產(chǎn)負荷，同時在該變電所低壓側(cè)設(shè)置電容器無功自動補償裝置。車間變電所為附設(shè)式布置，并與低壓配電室合建。變壓器采用SCB11節(jié)能型干式變壓器，低壓配電柜選用MNS型抽屜式低壓開關(guān)柜，低壓接地系統(tǒng)采用TN-S系統(tǒng)[6]。

3.2 參數(shù)設(shè)置

為了研究濕式溢流型球磨機同步電動機啟動電壓暫降，需要計算原始參數(shù)[7]。

（1）電動機額定功率：4 800 kW；額定功率因數(shù)：0.9（超前）；額定轉(zhuǎn)速：200 r/min；直接啟動電流倍數(shù)：4倍；額定電壓：10 kV；額定電流：321 A；啟動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)：0.42。

（2）系統(tǒng)預(yù)接負荷無功功率：3.77 Mvar；最小運行方式下配電10 kV母線短路容量：120 MVA；供配電系統(tǒng)基準短路容量：100 MVA。

（3）同步電動機數(shù)量：1臺；同步電動機供電電源電纜型號規(guī)格：ZR-YJV-8.7/10 kV-2（3×120）；線路電抗：0.095 Ω/km；供電距離：0.1 km。

3.3 同步電動機啟動電壓暫降的計算

依據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計手冊（第四版）》上冊第482頁表6.5-4的全壓啟動相關(guān)計算思路，進行同步電動機啟動電壓暫降計算：

（1）額定啟動容量=4×4 800÷0.9×10-3=21.33 MVA；

（2）啟動時啟動回路的計算容量=1÷[1÷21.33+（0.095×0.1）÷2÷10.52）]=21.277 MVA；

（3）配電10 kV母線電壓相對值=1.05×120÷（120+3.77+21.277）=0.868 7。

應(yīng)業(yè)主單位生產(chǎn)運行要求，同步電動機在生產(chǎn)過程中需要頻繁啟動，其配電10 kV母線電壓相對值在電動機頻繁啟動時不應(yīng)低于系統(tǒng)標稱電壓的90%（0.9）[8]，而0.868 7＜0.9，故此臺同步電動機在電力系統(tǒng)中不能全壓啟動，否則會給整個供配電系統(tǒng)及其他用電設(shè)備（如照明等敏感負荷）帶來明顯干擾，使同一供配電系統(tǒng)中相關(guān)照明燈具照度降低，導(dǎo)致系統(tǒng)中電子控制器不能正常工作，生產(chǎn)過程中斷、服務(wù)器癱瘓、用戶端數(shù)據(jù)丟失和出錯，以及低壓電動機接觸器線圈的電壓低于釋放電壓等電氣故障。無論從安全還是經(jīng)濟方面，都會給用電企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟損失和用電安全隱患，大大降低了電能質(zhì)量，極大地增加了業(yè)主的電能使用成本。

4 電壓暫降問題的應(yīng)對措施

根據(jù)上述分析，高壓同步電動機采用安全合理的啟動方式顯得尤為重要。若供配電系統(tǒng)的外部供電電網(wǎng)短路容量不夠大，就要從供電部門、用戶與用電設(shè)備廠商等多方面考慮應(yīng)對措施。

4.1 優(yōu)化高壓同步電動機的啟動

4.1.1 現(xiàn)有啟動方式的不足

采用變壓器-電動機組啟動、串聯(lián)電抗器降壓啟動、自耦變壓器降壓啟動及高壓軟啟動等啟動方式都可以有效降低同步電動機啟動電流，從而明顯減小同步電動機啟動時的啟動回路計算容量，使其頻繁啟動時配電10 kV母線電壓相對值不低于系統(tǒng)標稱電壓的90%。雖然可以提高電能質(zhì)量，且滿足電力系統(tǒng)電壓暫降相關(guān)的正常運行要求，保障供配電系統(tǒng)各用電設(shè)備的正常運行，但各種非全壓啟動方式增加了業(yè)主的用電成本。例如，需要新增采購?fù)诫妱訖C專用配電變壓器、高壓電抗器、自耦變壓器及高壓軟啟動裝置等，從經(jīng)濟性考慮，不能當作最理想的啟動方案。

4.1.2 啟動優(yōu)化：增加母線短路容量

為了滿足經(jīng)濟全壓啟動的同步電動機安全使用要求，在企業(yè)相關(guān)10 kV供配電設(shè)備繼電保護正確使用動作的前提下，筆者通過業(yè)主單位聯(lián)系了該企業(yè)的相關(guān)供電部門。經(jīng)業(yè)主單位同意，相關(guān)供電部門適當?shù)卦黾恿斯╇娤到y(tǒng)的短路容量，使最小運行方式下企業(yè)的同步電動機配電的10 kV母線短路容量增加到了180MVA。

此時，配電系統(tǒng)10 kV母線電壓相對值為1.05×180÷（180+3.77+21.277）=0.921 7＞0.9，同步電動機配電的10 kV母線電壓相對值在電動機頻繁啟動時可以大于系統(tǒng)標稱電壓的90%，使得此臺同步電動機在電力系統(tǒng)中可以全壓啟動。

4.2 減少故障數(shù)量

可以通過減少故障數(shù)量解決電壓暫降問題。為了減少故障數(shù)量，需要增加對電力系統(tǒng)的維護強度。例如，在架空線入地、架空線外加絕緣；對剪樹作業(yè)嚴加管理；架設(shè)附加的屏蔽導(dǎo)線以提高絕緣水平；增加維護和巡視的頻率；提高用電設(shè)備的抗電壓暫降等干擾的能力等。

4.3 縮短故障清除時間

除了減少故障數(shù)量，也可以通過縮短故障清除時間來控制電壓暫降問題。例如，采用有限流作用的熔斷器和快速故障限流器、高速固態(tài)切換開關(guān)、快速電流斷路器等裝置；通過縮小繼電保護分級區(qū)域的方法，以犧牲選擇性為代價來縮短故障清除時間；采用速動后備保護等。

4.4 改變供電方式

為了改變供電方式，提高供電穩(wěn)定性，可以在敏感負荷附近加設(shè)供電電源；可以采用母線分段或多設(shè)配電站的方式來限制同一供電母線上的饋線數(shù)，以縮小故障的影響范圍等。此外，需要選擇合適的電動機啟動方式，以確保電動機啟動時造成的電壓降在允許的范圍內(nèi)。

4.5 安裝附加設(shè)備

可以在供電系統(tǒng)與用電設(shè)備的接口處安裝附加設(shè)備，如不間斷電源（UPS）、動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器（DVR）及配電型靜止補償器（DSTATCOM）等。常用的附加設(shè)備是UPS和DVR，具體分析如下。

4.5.1 UPS

UPS作為敏感負荷的備用電源，可有效清除系統(tǒng)電壓驟降或瞬時中斷對負荷的干擾。UPS的容量有限，一般不超過兆瓦級，對于提高大型敏感工業(yè)用戶的供電質(zhì)量有局限性。此外，UPS造價較高，在很大程度上制約了UPS的應(yīng)用范圍。

4.5.2 DVR

DVR是用來補償電壓暫降、提高下游敏感負荷供電質(zhì)量的串聯(lián)補償裝置，通常安裝在電源與重要負荷的饋電線路之間。在正常供電狀態(tài)下，DVR處于低損耗備用狀態(tài)；在供電電壓發(fā)生突變時，DVR可在幾毫秒內(nèi)產(chǎn)生一個與電網(wǎng)同步的三相交流電壓，該電壓與源電網(wǎng)電壓相串聯(lián)，可以補償故障電壓與正常電壓之差，從而讓饋線電壓恢復(fù)到正常值。

5 結(jié)束語

綜上所述，各用電企業(yè)在實際條件允許的情況下，應(yīng)該盡量用更大短路容量的供電電網(wǎng)對企業(yè)供電。這不僅可以使企業(yè)各供配電設(shè)備的繼電保護正確動作，也可以避免或減少企業(yè)對于各用電設(shè)備（如電動機降壓啟動裝置）的投入，極大地減少企業(yè)電能使用維護的相關(guān)費用，在一定程度上降低企業(yè)的運行經(jīng)濟成本，從而保證企業(yè)供配電系統(tǒng)長久、平穩(wěn)、安全、可靠地運行。