电压暂降及短时中断治理技术浅析

高占海

（酒泉钢铁（集团）有限责任公司，甘肃嘉峪关 735100）

引言

由于外部电网或内部电网的故障，系统异常停电、电压暂降或者短时中断时有发生，这给钢铁企业生产带来了极大的影响。目前，解决该问题的措施一般是一次系统采用双电源，甚至多电源供电，再通过二次系统的备自投装置进行辅助。由于钢铁企业需连续性供电，带有大量的电动机负荷，备自投装置动作时间一般为1～2 s，甚至更长，此时电动机已切除。另外，如有重要高压电动机延迟时间较长没有被切除，也因母线无压，电动机转速迅速下降，影响生产，同时影响产品质量。当供电恢复时，电动机自启动电流较大，也会对电网造成冲击。综上可知，备自投装置在大型钢铁企业里未起到真正保证供电连续性的作用。

1 电压暂降成因

电压暂降是电力系统中一种不可避免的偶发性瞬态故障，主要是由于电力系统发生短路故障、启动大容量设备或雷击等造成。

短路故障发生时，所在开路的保护装置会将支路切除。从短路故障发生到故障切除的这个时间内，系统电压从跌落到恢复的过程，称为电压暂降，一般跌落深度<0.5 p.u.。

目前电力系统及电力网中保护判断和断路器动作切除故障时间之和大约是70～110 ms，可知电压暂降持续时间也为70～110 ms。电压暂降有效值波形图见图1，在t0=0 ms 时刻故障发生，t1=20 ms 时刻保护出口，t2=60 ms 时刻开关跳闸，t3=70 ms 时刻故障切除、电压恢复正常。因此，故障判别时间太长和断路器切除故障太慢是电压暂降的主要成因。

图1 电压暂降有效值波形图

2 电压暂降对敏感设备的影响分析

2.1 开关电源的影响

开关电源的输入范围一般为175～265 V，高级的开关电源输入范围为85～265 V。输入电压一旦过高或过低，脉宽调制（PWM）控制器都将无法正常工作，此时前端的输入过欠压保护单元会启动保护，开关电源停止输出。由于短路引起的电压下降速度很快，1～2 个周波之后将下降到额定电压的40%以下，而开关电源暂降深度的耐受时间<30 ms，超过此时间将停止工作。

2.2 电动机的影响

钢铁企业中所用的三相电动机大多是异步电动机，带有一定负荷。如果三相电动机电压下降，电动机功率也随之降低，电动机转速大幅度降低，转子磁场在定子绕组中产生的反电动势减少，使得定子电流超出电动机的额定电流，导致电动机长时间发热烧损，影响生产。

2.3 变频器的影响

钢铁企业电网主要是由众多变电站/开关站组成，电压以330 kV、110 kV、35 kV、10 kV、6 kV 等为主，其中10 kV 开关站覆盖面最广。10 kV 开关站在运行过程中最容易发生短路或过电流故障，从发生故障到故障解除的时间内，非故障回路不会立刻断电，但是会出现电压暂降的状态，也就形成了常说的“晃电”［1］。由于大多数变频器都有过电压、失压和突然失电的保护功能，当电压突降时，变频器会由于低电压保护动作而停机自保，这不仅影响生产，也可能会在特殊场合引发爆炸事故。交直交变频器原理图见图2。

图2 交直交变频器原理图

3 电压暂降及短时中断治理措施

电压暂降和短时中断给钢铁企业生产造成的损失有时是巨大的。电压的瞬间波动不仅会导致电动机跳闸、变频器等设备跳机，而且还可能损坏设备。电动机在故障排除后，电压恢复时不能自启动，恢复时间较长，不仅影响生产，还可能造成安全事故，损失无法估量。因此，为了减少电压暂降及短时中断带来的损失，采用快速涡流驱动高速开关技术、区内外短路电压暂降治理技术、零损耗限流技术及主动干预型消弧选线技术对电压暂降及短时中断进行治理。

3.1 快速涡流驱动高速开关技术

快速涡流驱动高速开关技术原理见图3。正常工作时，依靠充电电源给分闸/合闸储能电容进行充电［2］。分闸时，放电控制开关控制分电回路中的可控硅导通，分闸储能电容通过放电回路向分闸线圈放电，通过产生的脉冲磁场对涡流磁场作用，使涡流盘向下运动，动触头分闸。合闸原理与其相反，合闸线圈产生的脉冲磁场对涡流磁场作用，使涡流盘向上运动，触头合闸。

图3 快速涡流驱动原理图

由于该高速开关所需元件少，采用直接上下运行，摩擦力小，能够实现高速运动，10 kV 断路器的分闸时间<5 ms，合闸时间<10 ms，各项指标均优于传统断路器，为实现治理新技术创造了条件。

3.2 区外短路电压暂降治理技术

区外短路电压暂降治理是通过采用一体化首波无扰动快速切换成套装置，在系统发生区外短路引起电压暂降时，在15 ms或30 ms内将敏感负荷从故障系统快速切换到备用系统，从而保证敏感负荷不停电连续性运行的技术。

利用快速抗干扰识别技术，控制器在4 ms 内能够对电压和电流的突变做出判断，分析出区内和区外故障，发出相应的控制指令。断路器使用快速涡流驱动技术，采用精确分相的控制方式，控制高速断路器三相能够在电流过零前的零点几毫秒时断开，从而减少断路器触头的燃弧。系统判断加动作总体时间可在15 ms 以内完成，确保敏感负荷在区外短路电压暂降时不停运。

当任意一段区外发生电压暂降，并且另外一段电源正常工作时，无扰动快切装置在15 ms（低压快切）、20 ms 或30 ms（中压快切）完成负荷的切换，实现连续供电。

3.3 区内短路电压暂降治理技术

区内短路电压暂降治理采用母线残压快速保持成套装置，在系统发生区内短路引起电压暂降时，将短路故障点快速隔离，减小对母线电压的影响，提高母线残压，能够在10 ms 内将系统母线的残压稳定在额定电压的90%以上［2］，从而保证本系统及上级系统电压暂降时间小于敏感负荷的耐受时间，防止系统发生大面积停电事故。

母线残压保持装置原理见图4。正常工作时，切除隔离开关、换流器开关合位，限流电阻未投入；当发生短路故障时，装置通过高保真测量单元监测开路电流，在3 ms 内给换流器发出分闸指令，此时限流电阻自动投入，补偿损失的阻抗进行深度限流，保证母线的剩余电压，使正常开路不受影响。

图4 母线残压保持装置原理图

当故障切除后，装置给换流器发出合闸指令，限流电阻退出，开路恢复正常供电。当故障仍未切除时，装置判定为所在开路断路器或者母线故障，此时系统立即给切隔离开关发出分闸指令，切除所在开路。

3.4 零损耗深度限流技术

为防止短路电流超标及提高变压器抗短路冲击能力，可以采用零损耗深度限流装置。当系统发生区内短路，短路电流超过了断路器的开关容量时，零损耗深度限流装置能够在20 ms 内将短路电流限制在断路器的安全开断范围，降低变压器和发电机承受短路电流冲击的时间，提高了变压器和发电机抗短路电流的冲击能力。

零损耗深度限流装置原理见图5。正常运行时，快速换流器处于合闸位，深度限流器被短接。由于快速换流器阻抗极小，深度限流器无电流通过，几乎无损耗，无压降，也不会产生漏磁场。当系统发生短路故障时，高速数字信号处理器（DSP）通过专用的快速算法，在2 ms 左右快速预测出电流过零点，并按照预先设置的时间向快速换流器发出分闸指令，快速换流器在5 ms 左右快速分闸，在电流的第一次过零点投入深度限流器，实现深度限流。

3.5 主动干预型消弧选线装置及综合故障管控系统

根据运行经验，钢铁企业6～35 kV 中性点不接地系统中，单相接地发生的概率较高，发展过程大多为间歇性弧光接地、稳定性弧光接地，最后发展成为金属接地［3］。当发生间歇性弧光接地时，过电压最为严重，非故障相的电压为正常运行的3.15～3.5 倍，甚至更高。电网中存在的高电压会导致电气设备和系统绝缘受损，出现绝缘薄弱点，最终导致电缆击穿、电气设备绝缘击穿、互感器烧损等事故发生。

图5 零损耗深度限流装置原理图

采用主动干预型消弧选线装置，当系统发生电压高于或者低于规定的额定电压时，主动干预型消弧选线装置立刻发出报警信号并在装置面板上显示故障时间、类型和各相电压。当开口三角电压由低电平变成高电平时，表明系统发生故障，这时对单相接地、断线运行等故障类型和相别进行判断。当系统发生单相接地故障时，则在20 ms 左右合上故障相接地开关，将故障相直接接地，熄灭接地电弧，并将弧光接地过电压限制在线电压值以内，防止故障扩大。

4 结论

通过对电压暂降的成因和电压暂降对敏感设备的影响分析，总结出电压暂降持续时间过长或短时中断是敏感设备停运的直接原因。为减少电压暂降持续时间，防止短时中断，一方面应缩短判别故障时间，另一方面应缩短断路器执行时间。采用电压暂降治理的关键技术可将电压暂降持续时间压缩在20 ms（周波级）内，可有效避免敏感设备停运，防止事故进一步扩大，减轻了操作和维护人员工作强度。