提高冶金系統連續供電能力的方法創新與實踐

袁軍芳

1 前言

隨著鋼鐵企業生產線自動化程度的提高，變頻調速設備、可編程邏輯控制器以及計算機系統等敏感性用電設備得到廣泛應用，它們對系統電壓特性的變化非常敏感，幾個周波的供電中斷或電壓跌落都將嚴重影響其正常工作并導致生產線的停運。

電壓凹陷產生的原因涉及系統運行與用戶用電兩方面。系統方面的原因包括各種短路故障、雷擊致使保護動作、開關操作、變壓器以及電容器組的投切等。用戶的原因包括用戶內部短路以及大型電機的啟動、軋鋼機等沖擊性負荷的投運等。其中短路故障可能引起較為嚴重的電壓凹陷。

目前對電壓短時間下降有“電壓凹陷”和“電壓驟降”兩種說法。IEEE標準中把這一現象稱為電壓凹陷（Voltage sag），其定義為：供電系統中某點的工頻電壓均方根值突然下降至額定值的10%～90%，并在隨后的10 ms～1 min的短暫持續期后恢復正常。IEC標準中將這一現象稱為電壓驟降（Voltage dip），其定義為：供電系統中某點的工頻電壓均方根值突然下降至額定值的1%～90%，并在隨后的10 ms～1 min的短暫持續期后恢復正常。

2 馬鋼電網存在的問題

馬鋼供電網絡有著供電距離短、供電負荷集中等特點。在供電網絡中任何一點出現三相短路故障時，在故障切除的電壓凹陷期間，將造成同一母線段所供線路廠礦自動控制系統和低壓控制部分敏感負荷的停運，給生產造成重大損失。根據公司設備部電氣事故統計，2014年因電壓凹陷造成主線廠礦停產時間累計約3000 min。

為了降低電壓凹陷造成主線廠礦停產事故，各個生產廠礦都做了大量的工作，比如采用延時動作的低壓接觸器，解除低壓系統低電壓保護和在自動控制系統采用大容量不間斷電源等，這些措施一定程度上減少了短路故障涉及的范圍，但并沒有從根本上解決問題，提高連續供電能力的第一道關鍵防線應該是快速隔離和切除短路故障。

馬鋼能源總廠62#變電所除擔負三鋼軋總廠大、小H型鋼的供電任務外，還有部分外供負荷，長期以來由于外供負荷短路故障導致電壓凹陷多次造成H型鋼軋線卡鋼和生產停產等，損失巨大。

目前微機繼電保護裝置和真空開關組合在一起，發生短路故障時速斷保護跳閘時間一般在80 ms左右。在三相短路故障時，由于母線電壓凹陷致使生產線自動控制系統故障而使主線設備停產，為此，能源總廠供電分廠在公司相關部門的大力支持下，創新運用快速保護和永磁真空開關的組合方式，縮短故障切除時間，提高連續供電能力，取得很好的效果。該項創新成果的成功應用，對提高馬鋼供電系統保供能力，保證高爐系統長周期穩定運行具有重大的意義。

3 解決方案

中壓系統故障切除時間由繼電保護裝置動作時間和斷路器跳閘時間共同組成。本創新方案從這二個方面同時入手降低故障切除時間：

3.1 采用國產中置柜和快速分閘斷路器應用方式，降低開關固有動作時間

為提高斷路器動作時間，創新方案采用ABB公司生產的VM1-T型斷路器，通過對國產KYN28A-12型中壓開關柜技術改造，新開關柜具備快速分斷能力，二次回路和自動控制系統滿足自動控制要求，并且達到馬鋼南區EMS系統遠程控制和監測要求（圖1）。

圖1 ABB VM1-T型開關國產化應用二次接線圖

改造后的KYN28A-12型中壓開關柜斷路器操作機構采用高可靠性，動作速度快的永磁操作機構，與傳統操動機構相比較，具有部件少,數量是傳統斷路器操作機構零部件的7%,無需機械脫扣鎖扣裝置，故障少，可靠性高，使用壽命長，其中永磁操作機構壽命可達10萬次以上，適于頻繁操作及可靠性高變電站應用。

永磁機構克服了傳統彈簧機構和電磁機構的不足，同時通過永磁材料實現真空斷路器分、合閘位置的保持及操作過程，主要性能特點：

（1）提高了真空斷路器整體機械性能，使之能適應頻繁開斷和長壽命使用的要求。

（2）相比傳統操動機構，無須機械脫、鎖扣裝置，零部件數量大為減少，工作時僅有一個運動部件，故障率極低，可實現少維護。

（3）操動機構的性能與滅弧室開斷、關合特性相吻合，延長真空滅弧室的使用壽命。

（4）采用高可靠的雙穩態操作機構設計。通過分、合閘控制線圈產生的電磁力控制分、合閘操作，合閘和分閘位置均采用永磁保持。

（5）具有防跳功能，設計軟連接和觸頭輔助壓簧，解決了合閘彈跳問題。

（6）具有可靠的操作控制電路模塊，可耐受雷擊、電涌等嚴酷條件。

VM1-T型斷路器采用真空滅弧室和澆注極柱，分閘時間10 ms，滅弧時間小于15 ms，該開關具有機構零部件少、可靠性高的優點，其額定電流開斷壽命可以達到20000次。

國產開關柜和進口斷路器組合，既達到動作速度快的設計要求，又滿足62#變電所整體規劃和節省投資。國產開關柜和進口斷路器的組合應用，開拓了思路，為后期馬鋼新建3200 m3高爐建設積累了寶貴的經驗，探索了一條經濟實用的思路。

3.2 創新繼電保護裝置數據處理方式，降低保護出口時間

62#變電所采用微機保護和變電所自動化系統，為降低保護裝置動作出口時間，通過和廠家設計人員交流，按照速斷保護出口時間小于20 ms的目標要求對原有保護技術方案進行創新優化。

優化后保護配置主要功能有：三段式復合電壓閉鎖過流保護；反時限過流（三種特性可選）；前加速、后加速及手合加速；三相四次重合閘（不檢定、檢同期、檢無壓）；小電流接地系統套管零序過流；分布式低周減載和過負荷保護等功能。

為達到斷保護出口時間小于20 ms的目標，對現有微機保護軟件程序進行功能定制，主要創新方案有：

3.2.1 減小數據窗寬度

微機保護采樣數據窗寬度影響速斷保護對故障的識別時間，進而影響保護的整組動作時間。數據窗越寬，故障量的測量越準確，保護的動作可靠性也越高。本次方案中要求速斷保護整組動作時間在20 ms之內，對工頻故障量來說，10 ms為半個周波，可以比較準確地反映故障信號。小于10 ms的數據窗，雖然可以一定程度上提高動作速度，但冶金企業周邊環境的電磁干擾及電網故障時產生的高次諧波都將對故障量的提取產生明顯影響，其動作可靠性將比10 ms大大降低。考慮到保護裝置內部的出口繼電器的動作時間約為5 ms，因此數據窗寬度確定為10 ms。對于10 ms的數據窗，本次設計中采用濾波效果比較好的半波傅里葉算法。

3.2.2 采用電流突變量及電壓突變量綜合判別快速啟動保護，提前開放保護裝置的出口繼電器工作電源

傳統微機保護設計時，繼電保護為提高可靠性，出口繼電器電源必須經啟動繼電器的觸點來控制，這樣啟動繼電器與出口繼電器形成與邏輯，以降低保護的誤動概率。但是由于出口繼電器的電源由啟動繼電器控制，因此即便CPU系統同時發出指令觸發這兩個繼電器，實際動作時序上，也是啟動繼電器先閉合，然后出口繼電器得到控制電源再閉合。如果這兩個繼電器的動作速度均為5 ms，實際從保護裝置啟動到出口繼電器閉合也至少需要10 ms。因此，必須采取措施來使得啟動繼電器在故障發生后5 ms內啟動，才能保證啟動繼電器的動作不影響出口繼電器的動作時間。

本方案中，采用電壓突變量與電流突變量綜合判別啟動邏輯，保證保護裝置在不到5 ms內可靠啟動。在嚴重故障時，因系統阻抗的存在，電壓的變化往往較電流變化更為劇烈，但由于速斷保護中，故障電流的大小是保護邏輯的主判據，因此電流變化量較電壓變化量更為可靠。因此方案中采用電壓突變量觸發保護啟動判別邏輯而用電流突變量來確認保護是否應該啟動，從而實現保護裝置達到快速、可靠啟動兼顧。

3.2.3 采用電流瞬時值和電流半波有效值聯合判別來實現區內故障的可靠識別

由于設計要求數據窗僅10 ms，而追求保護的動作速度又要求保護裝置僅能故障發生10 m后再連續判別不到3 ms就必須發出跳閘指令（10 ms數據窗+3 ms連續判別+5 ms出口繼電器動作時間=18 ms）。因此保護裝置對外部干擾及諧波信號將變得非常敏感。為提高保護裝置的動作可靠性，本方案采用電流瞬時值和半波有效值的聯合判別方法，來提高保護的可靠性。

瞬時值判別邏輯，在連續的10 ms內，如超過5 ms時間其電流采樣瞬時值超過0.95倍整定值，且上述情況在連續3 ms始終滿足要求，即判為瞬時值判據滿足要求（一個有效值為1的正弦波，在任何連續的10 ms內其瞬時值不小于1的累計時間恰好為 5 ms）。

有效值判別邏輯，如果使用半波傅里葉濾波后得到的電流有效值在持續3 ms內滿足超過整定值，即判為有效值滿足要求。

如果故障電流的瞬時值判據和有效值判據同時滿足上述持續3 ms的時間要求，則保護裝置立即發速斷跳閘指令。此時通過電壓電流突變量辨別已經預先發出了保護裝置的啟動命令，則該速斷保護將立即出口。

快速開關和定制繼電保護裝置的配合，實現了故障切除時間控制在50 ms以內的目標，縮短了故障時電壓凹陷時間，提高了連續供電能力。

4 技術方案取得的效果

該方案應用在馬鋼能源總廠62#變電所6221#出線柜上，實施1年來該出線柜共發生3次速斷保護動作的短路故障，創新方案均取得了很好的效果。

4.1 故障一

2014年1月1日21時46分6221#線路速斷保護動作，保護整定值為（2000 A、0 s），故障錄波圖顯示6221#柜跳閘時間為34 ms（見圖2），故障沒有對H型鋼生產造成影響。故障后，通過對線路巡檢，故障原因為6221#線路25#點-支1#點用戶變壓器引線燒斷短路導致。

圖2 2014年1月1日21時46分6221#線路故障錄波圖

4.2 故障二

2014年3月3日13:41分6221#線路速斷保護動作，故障錄波圖顯示故障切除時間為36 ms（見圖3），由于跳閘時間快，對62#變電所10 kVI段母線電壓凹陷時間短（見圖4），故障沒有對H型鋼生產造成影響。通過對線路的檢查，跳閘原因為線路10#～11#點間線路下方違建房屋玻璃鋼瓦翹起造成架空導線短路造成。

4.3 故障三

2014年12月12日15時42分6221#線路速斷保護動作，故障切除時間為34 ms（見圖5），由于跳閘時間快，對62#變電所10 kVI段母線電壓凹陷時間短（見圖6），故障沒有對H型鋼生產造成影響。通過對線路的檢查，跳閘原因為線路18#點柱上開關接線燒斷短路造成。

以上三起故障由于斷開故障時間快，三起短路故障在電壓凹陷期間均沒有對H型鋼廠生產造成任何影響，該方案通過一年的實踐證明對提高連續供電能力具有很好的效果。

圖3 2014年3月3日13時41分6221#線路故障錄波圖

圖4 2014年3月3日13時41分6221#線路故障分析

圖5 2014年12月12日15時42分6221#線路故障錄波圖

圖6 2014年12月12日15時42分6221#線路故障分析

5 結束語

隨著自動化設備的增多，敏感的用電設備越來越廣泛地應用于冶金系統各個領域，電壓凹陷造成的危害也越來越突出，減少電壓凹陷造成的損失關鍵，在于當故障發生時能夠迅速、及時地進行有效的控制和處理。馬鋼的實踐為在冶金供電系統快速切除故障、保證一類負荷安全運行有重要的意義。通過本次成功實踐，開拓了思路，為后期馬鋼新建3200 m3高爐建設積累了寶貴的經驗，探索了一條經濟實用的思路；通過本次成功實踐，對進一步進行連續供電技術的研究和實施提供了寶貴經驗。