冶金電力系統(tǒng)電壓瞬降問題研究

冉孟武

（攀鋼集團攀枝花鋼釩有限公司制造部,四川攀枝花 617062）

前言

攀鋼電網(wǎng)110 kV 東方紅變電站向煉鋼LF 加熱爐及連鑄機、軌梁萬能軋機，熱軋主軋生產(chǎn)線等重要負荷供電，該變電所兩回110 kV 主供電源（均來自電網(wǎng)220 kV 施家坪變電站）并列運行，五臺變壓器總?cè)萘?60500 kVA，由于煉鋼LF 電加熱爐及熱軋、軌梁軋機沖擊負荷影響，供電負荷在60～140 MW 波動。該變電站配電電壓分別為10 kV、35 kV，配出開路繁多，負荷性質(zhì)極雜。

如此龐大復(fù)雜的系統(tǒng)，因設(shè)備絕緣老化,雷擊，誤操作，小動物等故障引發(fā)短時的電壓降低等波動,容易波及相鄰系統(tǒng)重要負荷,致使事故急劇擴大并惡化；另一方面LF 爐與各類容性、感性負荷的交織作用將產(chǎn)生較大的諧波污染及電壓閃變。東方紅變電所系統(tǒng)內(nèi)每年發(fā)生數(shù)起至十余起各類故障或電壓波動，造成影響熱軋、軌梁等生產(chǎn)的故障。因此,深入分析110 kV 東方紅供電系統(tǒng)低電壓閃變故障原因,并采取相應(yīng)措施,最大限度避免或減少生產(chǎn)系統(tǒng)的電氣事故，對保障生產(chǎn)順行具有重大意義。

1 供電系統(tǒng)電壓瞬降的原因分析

根據(jù)電力系統(tǒng)長期運行經(jīng)驗及理論分析表明，供電系統(tǒng)的電壓瞬降通常是由以下幾方面原因引起的：一是供電系統(tǒng)短路故障；二是大型電動機直接啟動;三是大的沖擊負荷與諧波濾波及無功補償裝置等交互作用。具體如下：

1.1 系統(tǒng)短路故障產(chǎn)生的電壓瞬降

電力系統(tǒng)短路故障時產(chǎn)生較大的故障電流,對電網(wǎng)的沖擊大,除造成故障線路跳閘外,還會引起系統(tǒng)瞬時電壓降低。一般短路點距離電源越近,電壓幅值降低越大；短路容量越小的供電系統(tǒng),影響范圍越大。

以攀鋼110 kV 東方紅變電所來看，該區(qū)域變電站主要供煉鋼廠LF電加熱爐，連鑄機，軌梁廠，熱軋板廠軋鋼生產(chǎn)線及其公輔供電系統(tǒng)，生產(chǎn)線多，供電電纜及開關(guān)配電設(shè)備繁多，且工作環(huán)境惡劣,因雷擊過電壓破壞絕緣、設(shè)備本身質(zhì)量或絕緣老化，人為誤操作及小動物等意外原因引發(fā)的短路故障極其常見，根據(jù)近2年統(tǒng)計來看，該系統(tǒng)內(nèi)平均每年發(fā)生5～7起上述原因引發(fā)的短路故障，見表1。

表1 2017～2018年東方紅系統(tǒng)短路故障情況統(tǒng)計

根據(jù)繼電保護核算結(jié)果表明，東方紅變電所110 kV 系統(tǒng)大方式下短路容量僅2645 MVA（短路阻抗標(biāo)幺值為0.0378），根據(jù)110 kV 主變各側(cè)的短路阻抗參數(shù)計算結(jié)果表明，當(dāng)東方紅大方式下主變10 kV側(cè)故障時，主變高壓側(cè)殘壓（二次值）如下：

U殘110kv=（0.1053+0.1717）/（0.1053+0.1717+0.0378）=88 V

U殘35kv=0.1053/（0.1053+0.1717+0.0378）=33.4 V

可見離故障點越近，中間線路或變配電設(shè)備阻抗越小，電壓降越大。特別是系統(tǒng)配出全為電纜線路，即使考慮部分變壓器及電抗器等影響，各電壓等級及配電點間的電力元件總阻抗均較小，系統(tǒng)內(nèi)任意點發(fā)生短路故障都會造成全系統(tǒng)瞬時電壓大幅降低，但由于各類快速繼電保護裝置的應(yīng)用，一般當(dāng)發(fā)生短路故障后，繼電保護裝置快速切除故障點后，系統(tǒng)電壓將快速恢復(fù)到正常水平。即短路故障引發(fā)的電壓瞬降一般具有幅值大，持續(xù)時間較短的特點。

1.2 電力系統(tǒng)內(nèi)大電機直接啟動產(chǎn)生電壓瞬降

電力系統(tǒng)中大型電機啟動時，參照《工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊》給出的計算公式，母線電壓降計算模型如圖1。

圖1 電動機啟動時母線電壓降計算模型

根據(jù)計算公式,在電動機啟動時，系統(tǒng)變母線電壓相對值：

式中：Skm—系統(tǒng)母線處短路容量；

Qfh1—系統(tǒng)母線處預(yù)接負荷的無功功率；

Sst—系統(tǒng)母線處啟動回路額定輸入容量。

則系統(tǒng)變電站母線電壓降為：

用戶變電站母線電壓降為：

而在工程簡易計算中，為簡化計算模型，忽略母線處預(yù)接負荷的無功功率等，設(shè)母線電壓的值與電網(wǎng)標(biāo)稱電壓值相等，可根據(jù)系統(tǒng)母線處短路阻抗X*及母線所接電動機的啟動電流Ie簡單估算母線電壓降如下：

根據(jù)實際運行經(jīng)驗表明，工程簡易計算結(jié)果與理論計算結(jié)果近似，完全滿足實際應(yīng)用需求。而根據(jù)上述公式也表明系統(tǒng)短路容量越小（即短路阻抗越大），電機啟動電流越大，在電動機啟動時對母線電壓影響越大，容易導(dǎo)致同一電網(wǎng)上其他用戶設(shè)備電壓瞬降，一般電機啟動完成即可恢復(fù)正常電壓水平。

1.3 大功率沖擊負荷與無功補償?shù)冉换プ饔卯a(chǎn)生電壓瞬降

攀鋼東方紅變電所內(nèi)存在大量的同步電機、異步電機、動力變壓器、整流變壓器等，同時為限制諧波污染及提高系統(tǒng)功率因素，其10 kV 配出的下級站所裝設(shè)有3 套動態(tài)無功補償裝置(SVC)，35 kV 配出的下級站所（煉鋼LF 爐）裝設(shè)有5 套固定補償式的諧波濾波裝置。補償裝置過多且集中，更是加劇了該系統(tǒng)的復(fù)雜性。

根據(jù)長期的實際運行統(tǒng)計及實際測量發(fā)現(xiàn)，大沖擊負荷，特別是如煉鋼LF 爐類的電加熱沖擊負荷，其加熱時實際就相當(dāng)于電力系統(tǒng)接地短路運行，因其功率巨大（單臺加熱時最大功率約22 MW），其加熱時將大幅拉低母線電壓；而其停止加熱時，因其配套的固定無功補償裝置又將出現(xiàn)過補償，造成母線電壓居高不下。5 套LF 爐及其補償裝置與濾波裝置共同運行，且僅有3次、4次濾波裝置，對部分高次諧波的治理不徹底，交互作用下造成相應(yīng)主變下母線電壓出現(xiàn)瞬降的情況比較突出。根據(jù)電能質(zhì)量監(jiān)測儀實測電壓波形發(fā)現(xiàn)，主供LF爐的變壓器35 kV 側(cè)、10 kV 側(cè)正常運行情況下頻繁出現(xiàn)電壓瞬降情況，最大降低幅值達到標(biāo)稱電壓的約20%，但持續(xù)時間極短，大部分在50～100 ms 內(nèi)即可恢復(fù)正常。

2 電壓瞬降對供電設(shè)備的影響

根據(jù)前述分析，幾種不同類型引發(fā)的電壓瞬降的幅值及持續(xù)時間不同，同系統(tǒng)內(nèi)電氣設(shè)備由于繼電保護配置及工藝對電壓質(zhì)量的需求情況不同，所受到的影響也不一樣。

軋鋼系統(tǒng)中風(fēng)機、空壓機、水泵、軋機等重要設(shè)備，在其電動機的主回路、勵磁回路、控制回路中常見的低電壓保護有：高壓電機的低電壓保護，控制回路欠電壓保護，低壓勵磁回路的低壓電源開關(guān)、交流接觸器等。

高壓電機失壓保護啟動一般按70 V（二次值）整定，但由于設(shè)備廠家設(shè)計、工藝需求不同等原因，時限一般從0.5 s 至5 s 不等，對于快速切除的短路故障及諧波濾波裝置等引發(fā)的偶然電壓瞬降，因持續(xù)時間較短，一般均可躲過而不會造成跳閘停機；但對于勵磁系統(tǒng)低壓開關(guān)及部分控制回路欠壓保護，一般達到動作值就會引發(fā)跳閘失電，進而引起主生產(chǎn)設(shè)備工藝保護停機。另外對如軌梁Uf 軋機等，因廠家設(shè)計的控制系統(tǒng)對電壓閃變極其敏感，一旦系統(tǒng)電壓瞬降的幅值超過15%，軋機供電系統(tǒng)0 s 跳閘停機，因此一旦系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生短路故障，軌梁軋機跳閘率超過90%，且加熱爐等生產(chǎn)與濾波裝置交互作用產(chǎn)生的偶發(fā)性電壓瞬降也時而造成其停機，對生產(chǎn)造成較大影響，帶來較大經(jīng)濟損失。

3 電壓瞬時降低的解決方法

結(jié)合對電網(wǎng)電壓瞬降產(chǎn)生的原因，分析其幅值、持續(xù)時間及對電氣設(shè)備的影響，可以有針對性的制定解決措施。

3.1 減少電網(wǎng)發(fā)生短路故障

根據(jù)前述分析，電力系統(tǒng)發(fā)生電壓瞬降并對生產(chǎn)造成較大影響的主要原因之一就是電網(wǎng)設(shè)備短路故障，因此有針對性地根據(jù)事故原因采取措施減少短路故障發(fā)生可有效提高供電可靠性。

（1）加強架空線路防雷消缺工作，每年度在雷雨季來臨前對所有架空線路避雷器進行一次檢測，并加強日常運行檢測，存在問題的及時采取更換避雷器等措施進行消缺，減少因為雷擊造成的故障。另一方面加強對影響架空線路運行安全的環(huán)境進行清理，特別是年度定期對線路兩側(cè)樹木開展修枝工作。

（2）加強各類高壓電氣設(shè)備的日常點檢及定檢定修工作，提前消除設(shè)備絕緣隱患，降低故障率。及時對老化電纜進行檢測更換，加強開關(guān)、電纜接頭等設(shè)備的溫度檢測等,點巡檢工作提前發(fā)現(xiàn)絕緣隱患并予以消除。

（3）加強培訓(xùn)，提高員工業(yè)務(wù)素質(zhì)，嚴格執(zhí)行標(biāo)準化倒閘操作票及電氣設(shè)備監(jiān)護操作制度，減少誤操作發(fā)生。

（4）完善開關(guān)設(shè)備“五防”設(shè)施；對配電室、變壓器室孔洞進行嚴密封堵,完善防鼠隔板或網(wǎng)門，對室外裸露母線采用聚氯乙烯材料熱縮包扎等防小動物措施。

3.2 采取延時失壓保護躲過電壓瞬降

要徹底消除供電系統(tǒng)電壓瞬降,目前在技術(shù)上還有困難。而鑒于短路故障及其它偶發(fā)性電壓瞬降一般持續(xù)時間較短，因此對于確需裝設(shè)失壓保護和欠電壓保護的設(shè)備，特別是各類高壓電機的低電壓保護，可根據(jù)其供電負荷 重要性進行分級，在保護定值整定時執(zhí)行不同的延時，具體如下：

（1）各類同步電機，如設(shè)備廠家要求特殊動作時間要求的，按設(shè)備廠家定值執(zhí)行；其它的低電壓保護統(tǒng)一按70 V，1.5～2 s延時整定。

（2）一類負荷異步電機低電壓保護整定值原則按70 V，5 s 延時整定，煤氣加壓機按70 V，3 s 延時整定。

（3）二類及以下負荷電機低電壓保護整定值按70 V，0.5 s延時整定。

（4）對危及重要設(shè)備及人身安全的特別重要電機取消低電壓保護。

（5）對于低壓母線的受電斷路器。對智能開關(guān)低壓脫扣延時時限按異步電機時延原則調(diào)整，不能調(diào)整的更換或臨時解除失壓脫扣。

3.3 調(diào)整低電壓敏感設(shè)備運行方式避開偶發(fā)性電壓瞬降

根據(jù)前述分析，攀鋼東方紅電網(wǎng)還存在煉鋼LF爐等大沖擊設(shè)備與固定無功補償裝置交互作用產(chǎn)生的偶發(fā)性電壓瞬降，該類電壓瞬降對軌梁Uf軋機等影響極大，嚴重影響生產(chǎn)順行。為此通過對東方紅變電所各主變正常運行時的電壓瞬降情況進行實測，特別是對供煉鋼LF 爐的1#、3#主變與其他主變10 kV 側(cè)母線電壓進行實時監(jiān)測,證實了煉鋼LF爐加熱時確實易產(chǎn)生電壓瞬降，發(fā)生頻率及電壓瞬降幅值遠高于其它主變系統(tǒng)。為此特意將供軌梁廠敏感軋機設(shè)備的電源電纜倒接至2#主變供電，基本消除了電壓瞬降對其影響。

4 結(jié)語

通過加強運行維護，采取分類延時失壓保護以及調(diào)整敏感設(shè)備運行方式等手段，有效提高了攀鋼東方紅變電系統(tǒng)運行可靠性,最大限度避免或減少生產(chǎn)系統(tǒng)電氣事故的波及面，提高了供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性和抗沖擊能力，大幅降低了事故造成的經(jīng)濟損失。