童雪燕【1】 彭光云 【2】 解晓峰【3】
【1】安徽合凯电气科技股份有限公司 安徽省合肥市 230601
【2】云南德胜钢铁限公司 云南省禄丰市 651299
【3】上海合凯电气科技有限公司 上海市 201612
摘要：本文针对某钢铁企业二级开闭所10kV高配室某高压柜内电缆头放炮，引起上级总降系统10kV线路电压陡降，致使企业非故障配电室内的变频器等重要敏感类设备的大范围停运，并由此导致企业数条生产线中断。分析了敏感负荷大范围停运的根本原因，提出利用涡流驱动机构的快速开关隔离故障点，在20ms左右维持上级母线电压不跌落。并以企业二级开闭所某高配室实际应用为例，阐述了快速开关优化方案，实际使用效果表明，对于系统某馈线回路发生短路故障时，母线残压保持装置在15ms左右将上级母线电压维持在90%及以上，保证了相关敏感设备不停运及企业供电的安全连续性。
关键词：电压陡降；内网晃电；敏感负荷；快速开关；涡流驱动机构；安全连续性；维持电压不跌落
0 引言
随着企业电网及生产规模的不断扩张，总降系统常带有多个一二级开闭所甚至更多级的开闭所，系统接线较为复杂，随着企业的运行年限的不断延长，电气设备的绝缘会出现不同程度的老化，导致企业内网故障率不断升高，企业内任何一点发生短路故障都会造成本级及上级系统100ms左右的电压暂降[1]。
以某钢铁企业的某10kV开闭所系统某馈线回路发生短路，时常会引起关联上级110kV变电站所带的10kV母线电压暂降，由此导致企业内其它的配电室对供电要求高的数条生产线生产中断。多年的运行经验表明，若不能在敏感性负荷容忍的时间内将故障支路切除或隔离故障点，就会发生大范围设备停产停运事故[2]。而目前企业内使用的弹簧机构的真空断路器由于分闸速度不够快，总体切除时间在70~110ms左右，远远超出了企业内敏感性负荷对抗晃电的时间要求（≤40ms），因此不能避免企业内大范围停产事故。
本文了分析造成电压暂降导致停产事故原因，总结了现有解决措施的效果，阐述了治理电压暂降的根本方法，介绍了基于涡流驱动机构的快速开关技术的母线残压保持装置的优化方案，最后以某系统实际应用为例，简要说明母线残压保持装置在某系统中的实际应用效果。
1 项目背景
1.1 某企业电力系统网架架构
某钢铁企业现有220kV变电所3座、变压器6台，总变电容量990MVA，现有110kV变电所24座，变压器共计57台，总容量2865.5MVA。现有110kV电压等级线路58回，其中39回线路为某企业电网内部电源线路，19回线路为某企业电网外部电源，其中110kV线路总长约110km。中压系统采用架空路+电缆的混搭形式。企业资源综合利用发电机组22台，装机容量800MW。全年用电量80亿kWh，自发电比例为65%。
1.2 系统存在的问题
企业内某二级高配室高压柜内电缆头放炮，会引起上级110kV线路电压陡降（即内网“晃电”），致使钢铁企业内的变频器、电磁阀、电机等重要敏感类设备的大范围停运，并由此导致企业数条生产线生产中断。
2 晃电事故及其危害
2.1 什么是晃电
当电力系统中某处发生短路故障时，线路上的电压会有明显下降；短路故障被切除后，线路的电压会恢复正常；这种母线电压急剧跌落到回升形成的“电压凹陷”，并由此造成停产事故就是通常所说的“晃电”。
2.2 晃电事故的危害
在电压凹陷期间内，各种用电负载对晃电的反应差别很大。中低压电网中一些负载如照明、电炉等，在晃电结束后能够正常恢复运行，称为非敏感负载；还有一些敏感负荷如变频器、电动机、继电器、电磁阀和低压交流接触器等在失电后的20～40ms内会自动释放或停机，在晃电故障过去以后，即使短路点被切除，母线电压恢复正常，停机的设备也无法自启动，或者大量电动机在送电后同时启动产生巨大的冲击电流，也会造成跳闸停机。晃电事故会造成企业敏感负载的非故障停机，给企业造成巨大的停产损失。
2.3 引起晃电事故的原因分析
晃电事故的根本原因是故障被切除之前的“电压凹陷”时间太长。电压凹陷的持续时间包括继电保护出口时间、断路器分闸时间和燃弧时间，而由于常规断路器的固有动作时间较长，一般切除短路故障的时间在100ms左右，也就是说整个晃电时间在100ms左右。而中低压敏感设备能够承受的晃电时间一般在20～40ms，所以100ms的晃电时间必然会造成敏感设备停机，引起“事故”。
3 几种解决方案的分析比较
3.1 馈线出口串联电抗器
目前大多数企业在中压的馈线回路串联限流电抗器，以提高母线残压。出于避免非故障支路电压暂降的考虑，希望馈线出口电抗率越高越好，但这又会导致正常运行设备端电压严重降低甚至电压质量不合格，大量的运行实践表明，串联限流电抗器后母线残压一般不超过60%，并不能避免变频器、继电器等敏感负荷的停运，而且还会产生巨大的能耗、压降、电磁干扰等一系列问题。
3.2 采用光纤纵差保护
光纤纵差保护保护[2]，是利用负荷电流、线路的分布电容电流、制动系数k和TA特性构成的一种分相式相电流突变量差动保护 ,利用两端电流构成差动后备保护方案[3]，可以无延时地切除全线故障。但由于采用弹簧操作机构的真空开关作为执行部件，包括继电器保护出口时间20~30ms、断路器固有分闸时间40~60ms和燃弧时间10~20ms，电压暂降持续时间长达70~110ms，已远远超过敏感负荷的容忍时间。由此可见，解决内网晃电问题需大幅度提高断路器动作速度，缩短继电保护出口时间，才有可能真正解决电压暂降引起的大范围停运事故。
3.3 基于“快速开关和短路故障识别”技术的母线残压保持装置的优化方案
安徽合凯电气科技股份有限公司/上海合凯电气科技有限公司研制的母线残压保持装置（简称：SHK-ZRD）由快速开关（进口，合闸时间≤10ms，分闸时间≤5ms）、微机综合控制器、电流采集器、母保电抗、后备开关等构成，如图1中虚线框内所示。
.png)
图1 SHK-ZRD的原理图
微机综合控制器通过电流采集单元监视支路电流，当发生短路时高速DSP通过专用算法在2ms左右快速精确的预测三相短路电流有效值，并控制快速开关在5ms左右快速分闸，短路电流换流到母保阻抗中，上一级母线电压立即恢复到额定值的90%左右，非故障区域的电压暂降时间被控制在1个周波以内，系统中的变频器、接触器【4】、电动机【5】等敏感负荷不停运。微机综合控制器检测到支路电流低于额定电流时立即控制快速开关合闸，母保阻抗退出，系统即可恢复正常运行。若装置动作后300ms故障没有解除，表明下一级保护拒动，测控单元立即控制后备开关分闸，切除该支路。
母线残压保持装置具有动作速度快（在7～15 毫秒内将短路电流换入限流电抗中）、开断能力强、母线残压高和运行可靠性高等特点。
4 实际应用案例及效果
4.1 优化方案的电气原理图
母线残压保持装置（SHK-ZRD）安装在冷轧二硅钢高配室10kVⅠ段、ⅠI段进线回路，如图2所示（正常运行时母联开关处于分闸状态）。
.png)
图2 系统原理图
4.2 SHK-ZRD装置技术参数
名称：母线残压保持装置
额定电压：10kV
额定电流：2000A
额定开断电流：40kA
规格型号：SHK-ZRD-12kV-2000A/40kA-RC（单阻式）
数量：2台
4.3 现场的实物图
.png)
图3 现场实物照片
4.4 应用效果
本优化方案自从2019年11月份实施并投运以来，应用效果显著：
4.4.1电压维持效果：当配电室某馈线回路发生短路故障时，SHK-ZRD装置在20ms内维持上级母线电压在90%的额定电压及以上。
4.4.2提高开关开断裕度及限流效果：当配电室某馈线回路发生短路故障时，SHK-ZRD装置中快速开关在5ms内分闸，在20ms内将母保电抗传入到回路中，将馈线回路的短路电流限制至额定电流2000A左右，限流效果明显。同时将配电室开关开断裕度提高到93.65%，大大提高开闭所开关的使用寿命和安全开断的可靠性。
4.4.3 短路故障快速动作效果：
.png)
图4 SHK-ZRD装置开关动作前后短路电流电压的录波图
如图4现场SHK-ZRD装置录波图所示，某企业在2021年4月9日配电室的2#变压器高压侧电缆头由A相间隙性弧光接地引发AB两相短路后，母线残压保持装置（SHK-ZRD）在10ms之内将母保阻抗投入到系统中，维持了总降10kV的母线几乎没有跌落。
由于配电室II段进线回路安装了上海合凯电气科技有限公司生产的母线残压保持装置(SHK-ZRD-12kV-2000A/40kA-RC)，在配电室的2#变压器回路发生两相短路故障时10ms以内准确动作，将母保电抗串入到系统中，限制了电压暂降的幅度，保证了10kV总降系统母线所供非故障设备的稳定运行。避免了事故影响到其它开闭所所带的设备生产区域，挽回事故可能造成的直接影响和间接影响
5 结语
本文通过对电压暂降事故根本原因进行分析，实现7-15ms内分闸，投入阻抗，维持母线残压在20ms内不跌落。保证其他支路的敏感类设备连续可靠运行，进而从根本上解决电压暂降事故，给大中型连续型作业型企业如石化、化工、冶金、铸造等企业，挽回重大的经济损失。因此从技术成熟度、经济效益、节能效果以及运行可靠性等综合指标，SHK-ZRD母线残压保持装置在解决企业内网“晃电”（即电压暂降【6】）优化方案上有很好的应用和推广空间。
参考文献：
【1】 张军梁； 鲁宗相； 李立；石化企业抗电压暂降问题研究[J].电气应用，2010第11期
【2】 李清波，刘沛.光纤纵差保护的应用及灵敏度的提高[J].电力自动化设备，2002第4期
【3】 刘文亮.厂用电快速切换装置的研究[J].重庆大学，2010第5期
【4】 冯庆全 .永磁式交流接触器《低电压释放功能》对稳定生产系统的作用[J].机电信息，2003第10期
【5】 王茂君 .用PLC实现电动机分批再启动和自动切换 [J].石油化工自动化，2007第8期
【6】 陈琳; 严金云 ；石化企业电压暂降影响及抗电压暂降措施 [J].电工技术，2012第10期
作者简介：
童雪燕 女 1976年生，汉族，安徽合肥人，大学本科学历，高级机电工程师、高级电气工程师、BIM高级工程师、装配式高级工程师、二级机电建造师，2020年庐州产业创新团队“基于电缆、架空混联线路消弧消谐控制策略研究团队”带头人，一直从事电力系统短路电流超标、故障防控、电压暂降治理、电能质量治理等方面电力系统的疑难杂症方面的理论数据分析、产品研制、科技成果转换及推广技术工作。通讯地址: 安徽·合肥·安徽合凯电气科技股份有限公司