浅谈基于快速开关治理晃电的解决方案

刘双玖

(贵阳铝镁设计研究院有限公司,贵州 贵阳 550081)

供配电系统在运行过程中,由于外部雷击、内部电力系统短路以及大型设备起动等原因,会造成电压瞬间较大幅度波动或者短时断电又恢复,这种现象通常称为晃电。有色行业,特别是电解铝厂对供电系统的可靠性、稳定性和安全性要求较高,但由于各种原因常常造成供电系统晃电,致使交流接触器释放,高压电动机以及中压系统低电压保护跳闸。轻者造成生产装置波动,重者造成装置停车,给企业造成重大经济损失和安全隐患。因此,在进行工厂供配电系统设计时,应对晃电的产生和预防给予足够重视,同时还需加大对晃电的研究,以提高企业抗晃电能力,尽量避免晃电的发生。

1 晃电现象及其危害

1.1 晃 电

电解铝厂、氧化铝厂典型一次系统图如图1所示,母线上某条支路d点发生短路故障,此时在K断路器能够可靠切断短路回路的情况下,母线上其他用电负荷支路应该不受故障影响。但是由于故障点所在母线电压瞬间骤降,在断路器K切除该故障支路之前,母线上所有的负荷将一直处于低电压工况,短路故障被断路器K切除后,电压才得以恢复。一般这个低电压过程的时间为80～100 ms,母线电压从骤降到恢复的供电过程,电压有效值形成一个明显凹陷;另一种情况,供电系统某个开关由于某种原因发生误跳跃(断开瞬间又合上),造成该回路负荷瞬间供电中断,对负荷来说,这属于电源开路故障,上述两种情况有时也笼统称为晃电。然而,两种故障现象有着截然不同的表现,即供电系统的开路故障与短路故障有显著区别。发生开路故障时,没有母线电压骤降现象。同时,如果负荷系统中存在异步电动机,将转为发电状态,因为没有短路点,它的磁场衰减缓慢,表现出机端电压下降缓慢,母线电压也呈缓慢下降现象。而发生供电系统短路故障时,即使存在同步发电机,母线电压也被短路点瞬间拉得很低,近短路点的电压几乎为零。因此,电压骤降是系统短路的显著特征。

图1 典型一次系统图

1.2 晃电危害

在氧化铝和电解铝厂,低电压工况直接考验电气设备的低电压穿越能力。实践证明,变频器比较敏感,满负荷工作时,一般只能维持16～20 ms,之后就自我保护停机;接触器、继电器等400 V元件会因为低电压而释放触点,造成被控设备被迫停机;虽说中压电机由直流控制,不会受交流系统供电故障的影响,但中压电机的一些低压辅机一旦停了,也会因保护控制而停机。多数时候,还会因为生产工艺的连锁要求,引发工艺关联环节的设备停机,生产被迫终止,这对于有色行业企业而言也颇为致命。在途原料的报废、排放处理的失效以及漫长的开机过程等,都会造成巨大损失。

2 现有措施及存在的问题

2.1 故障后更换系统工作电源-快切控制器

“快切控制器”其实就是增加了快切控制逻辑的微机综保,这个方案对于供电开路故障切换是有效果的。上文提到,电源开路故障严格意义上不是晃电,负荷电压下降缓慢;可对于供电系统的短路故障,负荷仅从控制器层面提出的解决方案,逻辑上就值得商榷;某电解铝厂典型一次系统图如图2所示, 供电系统发生短路故障时,如果支路d点发生短路,其相应支路断路器K必然实施速断;同时,快切控制器一般在5 ms左右就可判断出电源系统发生故障,立即命令工作电源进线开关K1跳闸,在判断时间上较断路器K快了15 ms。但K1也是普通断路器,开断时间与断路器K相当;尤其值得注意的是,当K完成开断时,意味着供电系统就已经恢复正常了,此时快切控制器还要命令母联开关K2合闸。众所周知,普通断路器的合闸时间一般不小于50 ms,去除判断上赢得的15 ms,快切控制器给负荷恢复供电的时间比什么都不做还慢了35 ms。采用以上“快切”方式在时间上根本不能满足要求。

图2 某电解铝厂典型一次系统图

2.2 保母线电压-串联支路电抗器

某氧化铝厂典型一次系统图如图3所示,厂内某条支路发生短路故障d,会造成母线电压骤降。因此,一直都有一个典型设计方案,即在母线的每条出线上串联一组电抗器,期望短路电流在电抗上的压降可以抬升母线电压,保障母线对非故障支路的连续供电。

图3 某氧化铝厂典型一次系统图

理论上这个方案可以达到抬升母线电压的效果,可在某氧化铝厂实践过程中,曾遇到过这样一个案例:经校核电抗器的母线电压抬升效果后发现,所有电抗器的电抗率仅在大方式下的三相短路时,可以满足母线电压抬升效果。而在两相短路时,有的电抗抬升效果达不到60%;在小方式下的两相短路时,有的电抗甚至低于50%,完全不满足规范规定。虽说这个失误可以通过加大电抗率来纠正,可又带来了串联电抗器的损耗问题。经粗略计算,带二十几条支路的电抗器,负荷率为0.75,一年(8000 h)的综合损耗就高达几百万元。

2.3 低电压穿越能力提升

在不考虑使用支路串联电抗器方案的系统中,一但发生短路晃电现象,将考验电气设备的低电压穿越能力。通常策略是增加外部器件,对于0.1 s左右的晃电,增加设备在低电压工况下的维持时间,使得设备不跳闸、不脱网,以期供电恢复时,设备可以继续运行。

2.3.1 变频器-加电容,改输出程序

一般采用增加直流母线电容的办法,加大变频器的储能,可以延长变频器的保持时间,问题是一旦电压恢复时,电容器的充电电流会增大,可能造成损坏,要慎重;更多采用的办法则是修改程序,在晃电期间闭锁或降功率输出,延长变频器的维持时间,客观上改变了生产工艺流程的需求。

2.3.2 接触器-防晃电模块

防晃电模块可以简单地理解成小型的UPS,可以在晃电期间延长对400 V系统接触器线圈的供电,维持接触器触电吸合。电动机的实际启动过程约为0.1 s,电机磁场已衰减殆尽,一旦低压电动机数量和容量过大,电压恢复时,会因电机群磁场重建形成二次冲击,引发继电保护动作,造成大面积停机,继而衍生新问题。

2.3.3 避免二次冲击-分批延时重启继电器

为避免二次冲击,只能选择性地保留一部分异步电动机,并放弃另一部分。先接受被迫停机的事实,采用分批延时重启继电器,自动分批重启异步电动机,避免群起冲击,旨在缩短重新开机时间,减少损失。但这个方法需要大量接线,可靠性大大降低,而且要求实施者对工艺要非常熟悉,工程难度大。无论如何,此方法也只能在400 V系统实施,而中压系统的电机是直流控制的,保证不跳闸,电压恢复时磁场重建,同样会二次冲击,当电机群容量过大时,同样会引发继电保护动作。电压敏感类负载都有相应的办法来应付晃电,唯独异步电动机磁场衰减的问题不好处理,100 ms左右的晃电时间相对太长,缩短晃电时间是治理晃电的一个有效思路。

3 晃电治理

3.1 “保异步电机磁场”是治理晃电的核心

二次冲击不可避免,但如果控制电机的磁场衰减量,减小二次冲击电流的倍数,那么就可解决异步电动机低电压穿越的问题,避免停机事故发生,保障生产的连续性。因此,解决了二次冲击的问题,就可以说化解了晃电的影响。

3.2 “快速”是治理晃电的要点

目前已有理论分析和模拟实验证明,在近区短路故障情况下,只要在短路后第一个大半波(小于20 ms)之内将短路故障隔离,就可以将异步电动机的磁场重建冲击电流限制到3倍的额定电流以内,确保系统供电的恢复安全。

3.3 “两头治理”是治理晃电的策略

对于造成晃电的短路故障点,某氧化铝厂晃电治理整体方案示意图如图4所示，其中的d4短路点采取两头治理的办法:一头是在故障点的电源侧,即支路开关的位置,采用“母线残压保持装置”(简称“母保”),来快速隔离故障点对母线电压的影响,保障母线对其它非故障支路的连续供电;另一头是在故障点的负荷侧,采用“快速断路器及切换控制器装置”(简称“快切”(MS-T-3)),将故障支路的负荷切离故障电源,并切换到备用段电源或电压已经被“母保”恢复的本段其它支路的电源上。这样可以将故障点彻底从系统中孤立出去,最大限度地保障对所有负荷的供电连续性。

图4 晃电治理整体方案示意图

3.4 “缩短晃电时间”是治理晃电的本质

事实证明大面积停机事故基本上发生在短路故障后20 ms左右,治理晃电主攻方向要从提高电气设备低电压穿越能力改为缩短晃电时间,短到电压敏感类负荷来不及停机就结束晃电。换言之,晃电不可怕,可怕的是晃电的时间太长。

治理晃电的本质就是以利用快速开关为主来缩短晃电时间。采用“短路电流快速判断技术”并结合“快速开关”,目前“快速开关”采用涡流驱动大容量快速开关,分闸时间≤4 ms,比普通真空断路器提高了8～12倍;合闸时间≤10 ms,比普通真空断路器提高了3～4倍,可将晃电时间缩短至16 ms以内,那么晃电就不会对设备造成影响。采用母保和快切对短路故障点实施两头治理的措施,将故障点与系统隔离,杜绝了故障点对上下游系统的影响。

4 结 语

本文分析讨论了晃电产生的原因及危害,同时提出了整体解决方案。通过分析可知,晃电对供电系统造成的危害很大,但是借助于现代技术,在设计供电系统时采用切实可行的措施可以做到尽量缩减晃电的停电范围,从而减少其对生产系统的影响面。只要在短路后第一个大半波(小于20 ms)之内将短路故障隔离,采取以下两头治理的办法:一头是在故障点的电源侧,采用“母保”装置来快速隔离故障点对母线电压的影响,保证母线有足够的残压,保障母线上其它回路的连续供电;另一头是在故障点的负荷侧,采用 “快切”装置将故障支路的负荷切到备用电源,保证下游供配电系统连续供电。