基于快速開關的抗晃電技術應用

萬新新，王 鼎

(1.安徽徽電科技股份有限公司，安徽 合肥 230093;2.安徽尚途電力保護設備有限公司，安徽 合肥 230093)

0 引言

大中型企業，特別是連續生產作業型的企業，須配備完備的供電電源，多母線、多變壓器、多斷路器拓撲成復雜的供電系統。電壓級別多涉及到110 kV，35 kV，10(6) kV，400 V。企業內網任何一個支路出現短路都會造成整個系統的電壓跌落，而且發生短路的支路電壓等級越高，影響面越大。短路發生后，該支路的保護裝置將動作于支路斷路器跳閘，切除故障支路。

現有的微機綜保控制斷路器切除短路故障的時間大多需要80 ms 左右，這也是母線電壓凹陷的時間。電壓凹陷是指從短路發生時刻，母線電壓陡降，至短路故障被切除，電壓恢復正常這段過程，企業一般稱為“晃電”現象，國標稱為電壓暫降。

1 晃電的危害性

現有的保護裝置和開關設備，切除故障的時間很難滿足敏感性重要負載對低電壓容忍的時間，這也是某條支路短路導致其他重要支路大片停機的原因所在。一旦一條支路發生短路故障，引起母線電壓迅速跌落，同一母線下其他支路重要負載因低電壓而受到影響，可導致停機停產事故的發生，這給企業生產帶來重大經濟損失。

短路故障過程中，異步電動機在低電壓期間以發電方式向短路故障點反饋輸出短路電流，直到繞組內的磁場衰減完畢或短路點被切除，此過程為“一次沖擊”。一般異步電動機的衰減時間常數τ為30 ms 左右，就是說只要短路故障持續3τ左右的時間，電機磁場就會衰減殆盡；當短路故障點被切除時刻，母線電壓進入恢復期，所有在網的異步電動機同時重建磁場，向電網索取相當于電機群額定電流總和的5～7 倍無功電流，形成強烈的電流沖擊，稱為“二次沖擊”。二次沖擊電流在該系統變壓器和線路的阻抗上會形成較大的壓降，降低了電動機的機端電壓，延緩了母線電壓的恢復過程，造成長時間的低壓過流。當造成沖擊電流的電機總容量達到本系統電源容量的40 %以上時，母線電壓極易停留在70 %以下，一旦這些電機處于額定負載狀態，必然導致電機群失穩停轉。

2 晃電事故實例分析

2.1 系統簡介

某公司25 萬t 精己二酸項目一次主接線如圖1 所示，110 kV 側及10 kV 側均為單母線分列運行，1 號、2 號變壓器容量40 MVA，總降站內有多路饋出線，由總降站的兩段母線分別去下級開閉所，有南區、北區、綜合、熱電等。圖1 中僅示意了熱電及北區開閉所的接線情況，其他開閉所等同。

圖1 一次主接線

2.2 事故過程描述及分析

2.2.1 事故過程

熱電開閉所的污水變支路開關柜內因有老鼠進入，導致了兩相短路故障，微機保護裝置故障，并未啟動支路斷路器k1 動作。此過程中，總降站母線電壓跌落嚴重，總降及熱電開閉所快切裝置閉鎖未動作，北區、南區、綜合等開閉所內的快切裝置均啟動失壓快切功能，將故障電源切除，采用正常電源供電。快切功能雖都已經啟動，可是仍然導致各開閉所內不少敏感重要負荷跳機。短路故障持續約200 ms 后，熱電開閉所的進線開關k2 跳閘，切除短路故障，而短路點的開關k1 約在故障發生后的500 ms 后最終動作切除短路點。

本次事故導致熱電開閉所熱電Ⅱ段所有負荷全部停機以及其他開閉所內的帶變頻器的電動機及其他敏感負荷都停機，事故影響范圍很大，直接造成該單位約千萬元級的損失，并且恢復生產需要的時間較長。

2.2.2 事故分析

微機保護裝置故障導致該支路斷路器未及時動作，是整個事故的首要原因，但本系統配置的所有快切裝置沒有起作用，也是導致其他開閉所的負荷停機的重要原因。

敏感類負荷對電源的要求如下：開關電源、電磁閥、低壓繼電器可容忍的凹陷寬度一般為20～30 ms；無低電壓穿越功能的變頻設備可容忍的凹陷寬度不大于30 ms；交流接觸器可容忍的凹陷寬度不大于40 ms；電動機群可容忍的凹陷寬度不大于50 ms。

為進一步分析快切裝置的切換時間，調取快切裝置事故及相關錄波記錄核實。啟動方式：欠壓啟動；切換方式：串聯；實現方式：快速切換；啟動跳閘時間：59 ms；完成跳閘時間：109 ms；啟動合閘時間：109 ms；完成合閘時間：169 ms；完成切換時間：169 ms。而敏感類負荷并不能忍受169 ms的切換時間而不跳閘。常規工程定義的快切裝置整個切換時間=快切控制器的判斷及出口時間+常規開關分閘時間+常規開關合閘時間，而這個切換時間一般均大于100 ms。

3 快速開關抗晃電技術

3.1 快速開關簡介

快速開關采用電磁斥力原理[1]的“渦流驅動”技術，是一種電容器儲能的渦流盤驅動的永磁保持的直動式真空斷路器[2]，分閘時間小于5 ms，合閘時間小于15 ms。

斥力金屬渦流盤平時非常接近線圈，當電容對線圈放電時，線圈中產生磁場，磁場穿過渦流盤，渦流盤中感應出渦流；伴隨渦流出現的是感應磁場，感應磁場的方向與線圈的磁場永遠相反，兩個磁場之間就產生斥力，驅動渦流盤運動到另一個線圈附近，通過連桿帶動開關動觸頭運動，完成開關合分閘動作。

3.2 快速切除技術

末端支路或單負載支路均可采用快速開關，即快速開關取代了現在常用的彈簧儲能的中速真空斷路器。其一次方案如圖2 所示。

圖2 快速切除技術一次方案

采用快速開關不影響微機綜保及其他保護設備的配置。短路故障時，由快速開關配套的快速判斷控制單元驅動，可實現20 ms 內切除故障支路，而微機綜保起到后備保護作用。欠壓、過壓及過流等常規保護，仍由微機綜保驅動開關分合。

3.3 深度限流維持母線電壓技術

根據支路負荷電流及額定電壓，可以計算負荷阻抗，假定在該支路配置一個等效阻抗，且與快速開關并聯，即可實現深度限流維持母線電壓。其一次方案如圖3 所示。

圖3 深度限流維持母線電壓技術一次方案

如圖3 所示，系統正常運行時，k1/k2 和k0均合閘，等效阻抗Z 不投入系統。當下級分配電室出現短路故障時，快速測控單元驅動快速開關可在20 ms 內將Z 投入系統中，將支路短路電流限制為額定電流，并將母線殘壓恢復到額定電壓的90 %以上，將事故影響范圍縮小到最小化。當短路故障被k2 切除后，快速測控單元立即給快速開關k0發出合閘命令，等效阻抗Z 退出，本支路正常運行。

系統等效模型圖如圖4 所示。

圖4 系統等效模型

圖中Z0為電源側的總阻抗，Z1為負荷等效阻抗，k0 為快速開關。正常工作狀態k0 合閘，即為額定電流，當d1 點出現短路故障，即為短路電流，此時k0 動作分閘，Z1投入系統，則快速抬升了系統側電壓，維持了系統穩定運行；短路故障解除后，此時快速測控單元檢測電流約為額定電流的1/2 倍，則認為短路故障解除，命令K0 合閘，系統恢復初始運行狀態。當然，在實際工程應用中考慮到繼電保護的相互配合性，等效阻抗一般是小于實際負載阻抗的，抬升系統電壓到90 %左右。

深度限流維持母線電壓技術適用于多負載支路，常用于開閉所的進線側或總降站的多負載饋出線側。

3.4 雙電源快速切換技術

對于電源側故障，想實現真正有效的快切功能，維持生產供電連續性，不至于有負荷停機或跳閘，得從“快”的各個方面來保證才行。測控單元和開關必須都得“快”，快速開關的分閘時間較常規開關要快6～10 倍，合閘時間要快3～6 倍，只要測控單元判斷出口+快速開關的分閘時間+快速開關的合閘時間＜最敏感負荷的低電壓忍受時間，則應該是有效的快速切換。雙電源快速切換技術一次方案如圖5 所示。

圖5 雙電源快速切換技術一次方案

為達到最佳使用效果，應滿足下列先決條件：存在兩路正常狀態下互相獨立的同步電源，單路電源容量可以承載切換后的所有負荷，負載側不應有發電機或風、光、儲等其他電源。

4 快速開關抗晃電技術的應用案例

4.1 系統主接線的優化

圖6為晃電事故實例主接線圖(圖1)的優化。圖中k1，k2 表示普通開關(常規彈簧儲能式真空斷路器)，k0，k3 表示快速開關(渦流驅動電容儲能式真空斷路器)，Z 為等效負荷阻抗。

圖6 優化后一次主接線

4.2 快速開關抗晃電應用分析

4.2.1 深度限流維持母線電壓技術應用

當饋出線的下級站污水變回路d1 點出現短路故障，則110 kV 總降站熱電饋線開關柜內k0 快速動作20 ms 內投入負荷等效阻抗Z，將該支路短路電流限制到接近額定電流水平，抬升總降站10 kV母線電壓到90 %左右。總降站因該支路短路導致的電壓凹陷時間縮短至敏感負荷可以忍受的范圍內，有效確保非故障支路的其他負荷正常供電。短路故障最終由末端開關k2 切除，當短路故障切除后，k0 自動合閘將等效阻抗Z 退出。

4.2.2 雙電源快速切換技術應用

在熱電、北區、南區、綜合等開閉所的進線側配置雙電源快速切換技術，即采用快切控制器和快速開關的配合，當d2 或d3 點任何一處出現短路故障，快速開關將故障電源切除，利用正常健康電源給兩段母線同時供電。應用后，低電壓時間大幅度縮短，電機類負荷磁場衰減極小，磁場瞬時重建，變頻器、繼電器等敏感類設備不至于停機或跳閘。

4.2.3 快速切除技術應用

快速切除技術一般應用于末端支路，對于本工程如果經濟允許完全可以在各開閉所的饋線采用快速開關，一方面可以提升供電連續性，另一方面也可以大幅度縮小末端支路電纜的截面，降低工程造價[3-5]。當然上述深度限流維持母線電壓技術和雙電源快速切換技術的應用已大幅度降低了晃電事故的影響，已基本滿足企業的用電連續性需求，具體是否則增設快速切除技術的設備取決于投資預算。

5 結論

總之，利用快速開關的快速切除技術可在20 ms 內切除故障支路；利用快速開關+等效阻抗的深度限流維持母線電壓技術可有效確保該支路故障不至于影響上級母線的其他設備安全運行；利用快速開關的雙電源快速切換技術可減小因電源側故障影響下級負荷供電連續性；同時快速開關的應用可大幅度減小電機磁場衰減，有效降低電機的二次沖擊。相信快速開關在抗晃電領域會有更廣的應用。