電壓暫降及短時中斷治理技術淺析

高占海

（酒泉鋼鐵（集團）有限責任公司，甘肅嘉峪關 735100）

引言

由于外部電網或內部電網的故障，系統異常停電、電壓暫降或者短時中斷時有發生，這給鋼鐵企業生產帶來了極大的影響。目前，解決該問題的措施一般是一次系統采用雙電源，甚至多電源供電，再通過二次系統的備自投裝置進行輔助。由于鋼鐵企業需連續性供電，帶有大量的電動機負荷，備自投裝置動作時間一般為1～2 s，甚至更長，此時電動機已切除。另外，如有重要高壓電動機延遲時間較長沒有被切除，也因母線無壓，電動機轉速迅速下降，影響生產，同時影響產品質量。當供電恢復時，電動機自啟動電流較大，也會對電網造成沖擊。綜上可知，備自投裝置在大型鋼鐵企業里未起到真正保證供電連續性的作用。

1 電壓暫降成因

電壓暫降是電力系統中一種不可避免的偶發性瞬態故障，主要是由于電力系統發生短路故障、啟動大容量設備或雷擊等造成。

短路故障發生時，所在開路的保護裝置會將支路切除。從短路故障發生到故障切除的這個時間內，系統電壓從跌落到恢復的過程，稱為電壓暫降，一般跌落深度<0.5 p.u.。

目前電力系統及電力網中保護判斷和斷路器動作切除故障時間之和大約是70～110 ms，可知電壓暫降持續時間也為70～110 ms。電壓暫降有效值波形圖見圖1，在t0=0 ms 時刻故障發生，t1=20 ms 時刻保護出口，t2=60 ms 時刻開關跳閘，t3=70 ms 時刻故障切除、電壓恢復正常。因此，故障判別時間太長和斷路器切除故障太慢是電壓暫降的主要成因。

圖1 電壓暫降有效值波形圖

2 電壓暫降對敏感設備的影響分析

2.1 開關電源的影響

開關電源的輸入范圍一般為175～265 V，高級的開關電源輸入范圍為85～265 V。輸入電壓一旦過高或過低，脈寬調制（PWM）控制器都將無法正常工作，此時前端的輸入過欠壓保護單元會啟動保護，開關電源停止輸出。由于短路引起的電壓下降速度很快，1～2 個周波之后將下降到額定電壓的40%以下，而開關電源暫降深度的耐受時間<30 ms，超過此時間將停止工作。

2.2 電動機的影響

鋼鐵企業中所用的三相電動機大多是異步電動機，帶有一定負荷。如果三相電動機電壓下降，電動機功率也隨之降低，電動機轉速大幅度降低，轉子磁場在定子繞組中產生的反電動勢減少，使得定子電流超出電動機的額定電流，導致電動機長時間發熱燒損，影響生產。

2.3 變頻器的影響

鋼鐵企業電網主要是由眾多變電站/開關站組成，電壓以330 kV、110 kV、35 kV、10 kV、6 kV 等為主，其中10 kV 開關站覆蓋面最廣。10 kV 開關站在運行過程中最容易發生短路或過電流故障，從發生故障到故障解除的時間內，非故障回路不會立刻斷電，但是會出現電壓暫降的狀態，也就形成了常說的“晃電”［1］。由于大多數變頻器都有過電壓、失壓和突然失電的保護功能，當電壓突降時，變頻器會由于低電壓保護動作而停機自保，這不僅影響生產，也可能會在特殊場合引發爆炸事故。交直交變頻器原理圖見圖2。

圖2 交直交變頻器原理圖

3 電壓暫降及短時中斷治理措施

電壓暫降和短時中斷給鋼鐵企業生產造成的損失有時是巨大的。電壓的瞬間波動不僅會導致電動機跳閘、變頻器等設備跳機，而且還可能損壞設備。電動機在故障排除后，電壓恢復時不能自啟動，恢復時間較長，不僅影響生產，還可能造成安全事故，損失無法估量。因此，為了減少電壓暫降及短時中斷帶來的損失，采用快速渦流驅動高速開關技術、區內外短路電壓暫降治理技術、零損耗限流技術及主動干預型消弧選線技術對電壓暫降及短時中斷進行治理。

3.1 快速渦流驅動高速開關技術

快速渦流驅動高速開關技術原理見圖3。正常工作時，依靠充電電源給分閘/合閘儲能電容進行充電［2］。分閘時，放電控制開關控制分電回路中的可控硅導通，分閘儲能電容通過放電回路向分閘線圈放電，通過產生的脈沖磁場對渦流磁場作用，使渦流盤向下運動，動觸頭分閘。合閘原理與其相反，合閘線圈產生的脈沖磁場對渦流磁場作用，使渦流盤向上運動，觸頭合閘。

圖3 快速渦流驅動原理圖

由于該高速開關所需元件少，采用直接上下運行，摩擦力小，能夠實現高速運動，10 kV 斷路器的分閘時間<5 ms，合閘時間<10 ms，各項指標均優于傳統斷路器，為實現治理新技術創造了條件。

3.2 區外短路電壓暫降治理技術

區外短路電壓暫降治理是通過采用一體化首波無擾動快速切換成套裝置，在系統發生區外短路引起電壓暫降時，在15 ms或30 ms內將敏感負荷從故障系統快速切換到備用系統，從而保證敏感負荷不停電連續性運行的技術。

利用快速抗干擾識別技術，控制器在4 ms 內能夠對電壓和電流的突變做出判斷，分析出區內和區外故障，發出相應的控制指令。斷路器使用快速渦流驅動技術，采用精確分相的控制方式，控制高速斷路器三相能夠在電流過零前的零點幾毫秒時斷開，從而減少斷路器觸頭的燃弧。系統判斷加動作總體時間可在15 ms 以內完成，確保敏感負荷在區外短路電壓暫降時不停運。

當任意一段區外發生電壓暫降，并且另外一段電源正常工作時，無擾動快切裝置在15 ms（低壓快切）、20 ms 或30 ms（中壓快切）完成負荷的切換，實現連續供電。

3.3 區內短路電壓暫降治理技術

區內短路電壓暫降治理采用母線殘壓快速保持成套裝置，在系統發生區內短路引起電壓暫降時，將短路故障點快速隔離，減小對母線電壓的影響，提高母線殘壓，能夠在10 ms 內將系統母線的殘壓穩定在額定電壓的90%以上［2］，從而保證本系統及上級系統電壓暫降時間小于敏感負荷的耐受時間，防止系統發生大面積停電事故。

母線殘壓保持裝置原理見圖4。正常工作時，切除隔離開關、換流器開關合位，限流電阻未投入；當發生短路故障時，裝置通過高保真測量單元監測開路電流，在3 ms 內給換流器發出分閘指令，此時限流電阻自動投入，補償損失的阻抗進行深度限流，保證母線的剩余電壓，使正常開路不受影響。

圖4 母線殘壓保持裝置原理圖

當故障切除后，裝置給換流器發出合閘指令，限流電阻退出，開路恢復正常供電。當故障仍未切除時，裝置判定為所在開路斷路器或者母線故障，此時系統立即給切隔離開關發出分閘指令，切除所在開路。

3.4 零損耗深度限流技術

為防止短路電流超標及提高變壓器抗短路沖擊能力，可以采用零損耗深度限流裝置。當系統發生區內短路，短路電流超過了斷路器的開關容量時，零損耗深度限流裝置能夠在20 ms 內將短路電流限制在斷路器的安全開斷范圍，降低變壓器和發電機承受短路電流沖擊的時間，提高了變壓器和發電機抗短路電流的沖擊能力。

零損耗深度限流裝置原理見圖5。正常運行時，快速換流器處于合閘位，深度限流器被短接。由于快速換流器阻抗極小，深度限流器無電流通過，幾乎無損耗，無壓降，也不會產生漏磁場。當系統發生短路故障時，高速數字信號處理器（DSP）通過專用的快速算法，在2 ms 左右快速預測出電流過零點，并按照預先設置的時間向快速換流器發出分閘指令，快速換流器在5 ms 左右快速分閘，在電流的第一次過零點投入深度限流器，實現深度限流。

3.5 主動干預型消弧選線裝置及綜合故障管控系統

根據運行經驗，鋼鐵企業6～35 kV 中性點不接地系統中，單相接地發生的概率較高，發展過程大多為間歇性弧光接地、穩定性弧光接地，最后發展成為金屬接地［3］。當發生間歇性弧光接地時，過電壓最為嚴重，非故障相的電壓為正常運行的3.15～3.5 倍，甚至更高。電網中存在的高電壓會導致電氣設備和系統絕緣受損，出現絕緣薄弱點，最終導致電纜擊穿、電氣設備絕緣擊穿、互感器燒損等事故發生。

圖5 零損耗深度限流裝置原理圖

采用主動干預型消弧選線裝置，當系統發生電壓高于或者低于規定的額定電壓時，主動干預型消弧選線裝置立刻發出報警信號并在裝置面板上顯示故障時間、類型和各相電壓。當開口三角電壓由低電平變成高電平時，表明系統發生故障，這時對單相接地、斷線運行等故障類型和相別進行判斷。當系統發生單相接地故障時，則在20 ms 左右合上故障相接地開關，將故障相直接接地，熄滅接地電弧，并將弧光接地過電壓限制在線電壓值以內，防止故障擴大。

4 結論

通過對電壓暫降的成因和電壓暫降對敏感設備的影響分析，總結出電壓暫降持續時間過長或短時中斷是敏感設備停運的直接原因。為減少電壓暫降持續時間，防止短時中斷，一方面應縮短判別故障時間，另一方面應縮短斷路器執行時間。采用電壓暫降治理的關鍵技術可將電壓暫降持續時間壓縮在20 ms（周波級）內，可有效避免敏感設備停運，防止事故進一步擴大，減輕了操作和維護人員工作強度。