大型工業企業供配電系統電壓穩定性的研究

楊天亮，程寶芳

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司能源與環境部，河北 唐山 063200）

大型工業企業內部敏感性負荷居多且均為連續生產，對供電設備的穩定運行要求極高，無法承受短時的電壓暫降。處于同一10 kV供電系統的負荷，任一條饋線回路發生兩相、三相短路事故，都會造成所在110 kV變電站的10 kV系統的電壓不同程度的降落，造成同一系統各個電壓等級的用電敏感設備停電、跳閘，嚴重情況會造成生產紊亂，甚至危及人身及設備安全，給企業造成巨大的經濟損失。

1 事故案例

1）事故經過。某部門卸船門機在進行正常生產作業過程中，由于門機行走中超過限位致使上機電纜斷裂，導致電纜發生三相短路事故，10 kV高壓柜瞬時動作跳閘。造成其所在110 kV變電站的10 kV系統電壓降低。低電壓導致所在同一系統的變頻設備保護停機及低壓設備因交流接觸器瞬時低電壓釋放跳閘，影響工序正常生產。

2）動作情況分析。保護裝置查看速斷保護整定值為23 A、時間0，實際動作值為Ia=34 A，Ib=44 A，Ic=45.9 A，實際動作時間為28 ms，該設備保護裝置可靠動作且正確。上級110 kV變電站開關未出現保護裝置動作、開關跳閘情況，無開關越級跳閘。

3）事故影響。此卸船門機故障導致所在110 kV變電站10 kV母線出線瞬時低電壓，具由故障錄波見圖1。從圖1可以看出，電壓降低至40 V，持續時間大約70 ms，進而造成所在110 kV變電站10 kV所帶部分設備停機。跳閘的主要原因為：一是瞬時低電壓導致部分低壓設備的交流接觸器線圈瞬間釋放造成跳閘，二是變頻器因欠電壓保護動作跳閘。

圖1 故障錄波圖形

2 針對此類事故的思考及改進

由上述故障經過可以看出如若避免類似情況發生應該從以下幾方面著手：一是如何避免同一系統其余工序電壓降低；二是如何縮短電壓降低的時間；三是如何提高負荷側的抵抗低電壓的能力。

2.1 系統的改善

為避免故障時引起110 kV變電站10 kV母線大幅度電壓降低，可在進線直接串聯限流電抗器，以確保發生短路故障時電抗器發揮作用確保故障切除前短時穩定殘壓在運行電壓80%以上（見下頁圖2）。

圖2 改造前后電壓降落對比

上述故障發生的10 kV配電室主要為臨港碼頭門機裝卸船運時使用，正常運行負荷電流較小，經與專業部門校核計算，可配置合適的電抗器，維持故障時短路時系統電壓維持在85%以上，基本能夠避免因此線路短路故障造成的大面積用電設備停電影響。由于作業性質特殊，此站所的負荷率僅為30%左右，因此電抗器的實際運行電流并不高，再加之門機負荷并非連續運行，故整體損耗較小、穩定性高，可保障110 kV變電所的穩定運行。

由于此方式需要在每個10 kV配電室進線進行加裝，考慮綜合投資及電抗器本身運行損耗影響，此方式建議在故障較為頻發且運行負荷較小的10 kV配電室使用。

2.2 速動開關的改善

常規保護切斷故障線路的時間為保護出口時間、開關分閘時間、燃弧時間之和，一般為40~80 ms之間。除燃弧時間為弧光熄滅的固有特性外，保護出口時間、開關分閘時間可考慮采用新工藝新技術，盡量壓縮，對可以短時延時動作的變頻類設備有極好的應用效果。一種配電柜增加限流裝置，采用開關柜內斷路器與電抗器并聯的形式，它分兩種運行模式：一種是正常運行是采用斷路器通流模式運行，一種是大電流大功率運行模式，此方式需要快切裝置將電抗器投入到故障線路中，維持系統殘壓在一定水平。

由于此方式需要在配電柜增加限流裝置（見圖3），需要替換原有的傳統開關柜，且接線方式較為復雜，系統中加入較多的電氣元器件及電氣接點，因此考慮投運站所的實際物理位置要求及安全性要求，目前各配電室不適合進行此種改造，此方式適合新建變配電室時考慮采用。

圖3 開關柜增加限流裝置

2.3 負荷抵抗低電壓能力

為保護自身功率單元的設備安全，變頻器欠電壓保護瞬時動作跳閘，經與變頻廠家溝通聯系，變頻器本身的欠壓保護動作延時不可調整，必須瞬時動作，否則會發生功率單元擊穿事件。

經查閱資料可知，要提高變頻器的抵抗系統瞬時低電壓的能力，可以從三個方面入手：

1）力爭變頻器啟動信號不丟失。有些型號變壓器具備失電在啟動功能，在瞬時低電壓時。不需要人工進行復位操作，能自動復電后再啟動。

2）在一定范圍內調整變壓器的設備參數。不同品牌的變頻器抵抗瞬時低電壓的能力是不一樣的，在設備選型階段應選擇在大幅度低電壓的條件下可以穩定工作的變頻器。有的變頻器當電壓降低到額定值的90%便會停機，有的變頻器當電壓降低到額定值的60%左右才會停機，因此在設備選型階段應充分考慮系統電壓波動，選擇抵抗電壓晃動能力強的變頻器，以免給后續運行階段造成極大困擾。

3）在電壓降低時能夠有外界電壓瞬時補充直流系統的電壓。為補充系統瞬時電壓降造成直流回路的電壓跌落，可以利用蓄電池為變頻器直流系統供電，為變頻器提供直流輔助后備電源，保證變頻器的穩定運行。

2.4 優化低壓脫口線圈定值

為避免系統電壓瞬降或瞬時中斷對設備可能造成的影響和損害，在低壓用戶終端一般安裝了低壓、失壓的脫扣保護裝置，當系統電壓低于整定值時，促使線圈脫扣，切斷負荷。

經過廠內設備摸底排查，配合低壓脫扣裝置的用電設備疏于對此類整定值的管理和認識，沒有根據自身負荷類型及需求進行調整，大多仍然保持出廠默認值，或是廠家為了節省設備成本，未安裝延時回路。

對于一些精密、尖段、敏感用戶設備，安裝此類脫扣裝置非常必要，但是如果大部分用戶均設置這種低壓脫扣裝置，并且無延時瞬時動作的話，當電網發生故障并且正確動作切除的話，會導致同一系統低壓脫扣裝置大批量動作，引發用戶供電中斷，同時給電網帶來極大沖擊，甚至可能造成連鎖事故導致系統奔潰。鑒于上述原因，做出以下建議：一是重要高端用戶，優化低壓脫扣定值設置，帶延時動作避免電壓瞬降影響；二是一般性負荷，建議降低此類定值靈敏度；三是臨時性、、不太重要負荷且抗沖擊能力強的電氣設備，應考慮取消其低壓脫扣線圈，減少停電面積，減少恢復送電的時間。

3 做好事故預判及恢復

在施工階段，嚴把施工質量關，確保施工質量，減少因施工原因造成的故障。首先要保證設備的質量達標，對進場設備嚴把質量關，還應嚴格檢查、認真安裝調試，是保證設備穩定運行的前提。其次在施工過程中重視人的管理，人是決定工程優劣的關鍵因素，合理的組織人力資源、高水平的技能才能做出高質量的工程，才能避免因施工質量帶來的運行難題。另外要重視先進技術、工藝、設備的應用。

同時，要加強停電預案的學習和演練，根據系統的變化，實時對應急預案進行修改與完善，同時組織相關人員進行學習和事故預演，提高職工的應急處置能力。

4 結語

通過改造的實施，經過長時間的運行實踐表明，發生電壓暫將的情況下，供電系統的整體穩定性能大幅度提高，供配電系統的運行水平和生產更趨于穩定，同時也收獲了無形的效益。