劉占波，潘慧龍，常海莎

（河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司機(jī)電檢修分公司，河北唐山 063700）

1 事故現(xiàn)象

2020年3月12日排巖配電室排土機(jī)6923高壓電纜絕緣損壞，造成A、C兩相短路；2020年6月10日常峪II段695架空線路B相導(dǎo)線從絕緣子脫落與兩邊相搭接，造成三相短路；2020年8月22日研山中碎3#圓錐電機(jī)接線盒內(nèi)一相電源接線端子在電機(jī)接線柱處脫落，造成弧光短路；2020年8月29日南區(qū)6#主井分支線下樹過高同時(shí)觸碰線路兩相，造成相間短路，此類型故障在電力系統(tǒng)中屬于嚴(yán)重故障，間接造成整個(gè)系統(tǒng)母線短路。短路故障會(huì)引起系統(tǒng)電流驟增，電壓抖動(dòng)嚴(yán)重，由于斷路器和綜保裝置固有動(dòng)作時(shí)間，導(dǎo)致故障切除時(shí)間較長(zhǎng)，電壓敏感類的設(shè)備無(wú)法躲過短路故障引起的低電壓持續(xù)時(shí)間，造成大面積的停車事故。

2 事故原因

系統(tǒng)短路故障的發(fā)生為概率事件，通過統(tǒng)計(jì)1年發(fā)生的事故報(bào)告，可以看出此類事故多發(fā)生在碎采和架空線路的供電系統(tǒng)，該系統(tǒng)的配電設(shè)施存在以下問題：①處在露天和粉塵環(huán)境，外界造成的不可控因素較多；②露天礦單體高壓設(shè)備較多，電纜敷設(shè)裸露且路徑不固定；③環(huán)境復(fù)雜惡劣，導(dǎo)致設(shè)備維護(hù)和保養(yǎng)不到位。以上原因造成廠區(qū)外的供電系統(tǒng)短路故障發(fā)生概率較高，給整個(gè)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成嚴(yán)重影響。

高壓供電系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生短路故障切除時(shí)間太長(zhǎng)無(wú)法躲過敏感設(shè)備電壓波動(dòng)耐受期，因此“故障切除和隔離時(shí)間”是解決問題的根本途徑。供電系統(tǒng)短路故障在不考慮主變與故障點(diǎn)之間阻抗的前提下，可以認(rèn)為變壓器側(cè)發(fā)生短路，它會(huì)造成變壓器電流驟增，根據(jù)能量守恒定律變壓器輸出電壓肯定降低，目前由于常規(guī)斷路器和綜保裝置固有動(dòng)作時(shí)間無(wú)法在一個(gè)周波內(nèi)（20 ms）完成故障點(diǎn)的切除。電壓在一個(gè)周波內(nèi)發(fā)生波動(dòng)對(duì)敏感設(shè)備無(wú)影響，超過一個(gè)周波會(huì)導(dǎo)致設(shè)備停車。

通過查閱國(guó)內(nèi)知名品牌的綜保裝置出現(xiàn)故障判斷時(shí)間為20～30 ms，目前使用的高壓真空斷路器的分閘動(dòng)作時(shí)間為33～45 ms，交流電壓電弧過零時(shí)間為16 ms左右。波動(dòng)電壓從故障到恢復(fù)正常運(yùn)行電壓時(shí)間稱為斷路器開斷短路故障的時(shí)間，約80 ms，因此目前常規(guī)斷路器和綜保裝置速斷動(dòng)作的固有時(shí)間根本無(wú)法躲過敏感設(shè)備電壓波動(dòng)耐受期。

3 解決目前問題途徑

措施：①對(duì)高壓柜進(jìn)行改造更換快速斷路器和加裝快速控制器，確保在20 ms內(nèi)完成短路故障點(diǎn)的切除，將故障點(diǎn)與母線系統(tǒng)直接隔離或是購(gòu)買成套母線殘壓保持裝置，在20 ms內(nèi)在故障點(diǎn)與母線系統(tǒng)之間串入阻抗進(jìn)行分壓，間接將故障點(diǎn)與母線系統(tǒng)隔離。兩種途徑最終目的都是在20 ms內(nèi)將故障點(diǎn)與系統(tǒng)母線隔離，保障故障點(diǎn)以外的其他設(shè)備在20 ms內(nèi)不受電壓波動(dòng)影響；②在重點(diǎn)區(qū)域敏感設(shè)備的低壓配電室如：司家營(yíng)主廠低壓配電室安裝HKSBW型大功率穩(wěn)壓器，當(dāng)高壓系統(tǒng)發(fā)生短路故障引起電壓降低時(shí)，能自動(dòng)保持輸出電壓穩(wěn)定，以保障用電設(shè)備正常運(yùn)行，確保主要設(shè)備不停車；③增加供電系統(tǒng)容量。

4 系統(tǒng)運(yùn)行工況及問題

某110 kV變電站下級(jí)有13個(gè)6 kV開閉所、7個(gè)10 kV開閉所和5個(gè)35 kV箱式變壓器，每個(gè)開閉所或直供負(fù)荷有短路故障，影響整個(gè)系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)任一支路有短路故障，母線電壓降低，且大電機(jī)在這個(gè)電壓暫降時(shí)間內(nèi)衰減會(huì)提供5～9倍的反饋電流，更會(huì)拉低整個(gè)母線電壓，造成其他負(fù)荷甚至大面積停電事故，引起其他車間設(shè)備停車。每年電壓暫降造成的停電事故不少，給企業(yè)帶來(lái)的損失很大。

目前高壓供電系統(tǒng)真空斷路器的控制電源一般情況下為直流，不會(huì)因?yàn)楦邏汗╇娊涣飨到y(tǒng)電壓低而跳閘，而且持續(xù)時(shí)間比較短，這就是發(fā)生“晃電”后高壓系統(tǒng)無(wú)任何報(bào)警的原因所在。如果高壓斷路器未跳閘，它所帶的異步電動(dòng)機(jī)在低壓期間一直在運(yùn)轉(zhuǎn)，并以發(fā)電方式向短路故障點(diǎn)輸出短路電流，直到電機(jī)磁場(chǎng)衰減完畢或故障點(diǎn)切除，電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)衰減時(shí)間30～40 ms，系統(tǒng)晃電時(shí)間在100 ms，因此電動(dòng)機(jī)在“晃電”期間磁場(chǎng)將衰減完畢。這樣就存在一個(gè)問題，當(dāng)故障點(diǎn)被切除后母線電壓進(jìn)入恢復(fù)期，在網(wǎng)的電動(dòng)機(jī)開始重建磁場(chǎng)相當(dāng)于重新啟動(dòng)，在此期間系統(tǒng)電機(jī)群需要向電網(wǎng)索取相當(dāng)于電機(jī)群額定電流總和5～7倍的無(wú)功電流，對(duì)電網(wǎng)造成二次沖擊，二次電流沖擊在變壓器和線路阻抗上形成較大壓降，延緩了母線電壓恢復(fù)過程，也就是電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)重建的過程。這就是綜保裝置和斷路器切除短路故障后，經(jīng)常還會(huì)發(fā)生大面積停車的原因。

其根本原因都是故障切除時(shí)間太長(zhǎng)，只要短路故障切除時(shí)間保證在20 ms內(nèi)，高壓系統(tǒng)就不會(huì)發(fā)生因“晃電”引起的各種聯(lián)鎖反應(yīng)。

5 治理方案

5.1 根據(jù)系統(tǒng)情況制定改造方案

根據(jù)系統(tǒng)情況制定以下改造方案：在供電可靠性高的配電室進(jìn)線加裝阻開母線殘壓保持裝置；在供電可靠性一般的配電室進(jìn)線加裝直開母線殘壓保持裝置；適合改造的場(chǎng)所加裝快速斷路器。

母線殘壓保持裝置主要由快速換流器、限流阻抗、綜合控制器和后備開關(guān)等組成。正常工作時(shí)后備開關(guān)、快速換流器處于合閘狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，母?？刂破魍ㄟ^電流互感器測(cè)到短路電流，經(jīng)“短路故障快速判斷算法”精確到在2 ms內(nèi)判斷出系統(tǒng)故障，隨即發(fā)出快速開關(guān)分閘信號(hào)，裝置在20 ms內(nèi)將母線殘壓保持裝置內(nèi)阻抗投入線路，補(bǔ)償本支路因短路而損失的阻抗，將本支路電流從短路電流限制到額定電流以內(nèi)，從而維持了母線剩余電壓在85%以上，保障母線對(duì)其他未發(fā)生短路故障的支路連續(xù)供電，非故障支路電動(dòng)機(jī)不會(huì)低壓釋放，避免電機(jī)衰減輸送反饋電流沖擊。

若短路故障被切除后，本支路的工作電流恢復(fù)到正常范圍，恢復(fù)本支路的正常供電；若短路故障點(diǎn)切除失敗，控制器延時(shí)200～500 ms向后備進(jìn)線開關(guān)發(fā)出分閘指令，作為后備手段最后切除故障。

改造設(shè)備范圍：

（1）對(duì)研山中碎配電室5116 1#圓錐、5115 2#圓錐、5135 3#圓錐、5136 4#圓錐共4面高壓柜進(jìn)行改造，在原有高壓柜基礎(chǔ)上改造，安裝快速控制器ZK-05，快速高壓斷路器12 kV-1250 A/40 kA。

（2）對(duì)司家營(yíng)一期6 kV配電室：坑口配電室、粗破配電室、膠帶配電室、排巖配電室4個(gè)高壓配電室進(jìn)線高壓柜進(jìn)行改造，安裝成套母線殘壓保持裝置型號(hào)為：ZRD-3-6.3 kV-1250 A/40 kA-RC（阻開），安裝方式：串入每段進(jìn)線柜。

（3）對(duì)110 kV站6 kV配電室：675常峪I段、695常峪II段、672坑口I段、623坑口II段、628排巖I段、631排巖II段、671膠帶I段、694膠帶II段、611粗破I段、637粗破II段、612露天1#、685露天2#、625南區(qū)6#、615南區(qū)5#共15面高壓柜進(jìn)行改造，在原有高壓柜基礎(chǔ)上改造，安裝快速控制器ZK-05，快速高壓斷路器12 kV-2000 A/40 kA。

5.2 安裝集中式大功率穩(wěn)壓器

高壓系統(tǒng)發(fā)生短路故障引起低壓系統(tǒng)電壓降低造成大面積停車，根據(jù)生產(chǎn)工藝流程，在重要生產(chǎn)設(shè)備的低壓配電室安裝大功率穩(wěn)壓設(shè)備，在系統(tǒng)電壓降低時(shí)由該設(shè)備進(jìn)行穩(wěn)壓，保障生產(chǎn)流程中重要的低壓設(shè)備不停車，避免整個(gè)生產(chǎn)線停產(chǎn)事故。

司家營(yíng)北區(qū)生產(chǎn)工藝流程復(fù)雜，需要相關(guān)生產(chǎn)部門確定重要的生產(chǎn)設(shè)備和低壓配電室，根據(jù)配電室所帶設(shè)備的重要性安裝大功率穩(wěn)壓設(shè)備，在此以司家營(yíng)主廠高壓室I段所帶的變壓器為例。

產(chǎn)品配置如下：

變壓器容量為630 kV·A，配置穩(wěn)壓器型號(hào)為HSBW-1000 kV·A，輸入電壓：265～495 V，輸出電壓：380 V±5%可調(diào)；變壓器容量為1600 kV·A，配置穩(wěn)壓器型號(hào)為HSBW-2000 kV·A，輸入電壓：265～495 V，輸出電壓：380 V±5%可調(diào)；變壓器容量為1600 kV·A，配置穩(wěn)壓器型號(hào)為HSBW-1600 kV·A，輸入電壓：265～495 V，輸出電壓：380 V±5%可調(diào)。

大功率穩(wěn)壓器其穩(wěn)壓過程是：根據(jù)輸出電壓的變化，由電壓檢測(cè)單元采樣，檢測(cè)并輸出信號(hào)控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)調(diào)壓變壓器上的電刷組滑動(dòng)（或滾動(dòng)），調(diào)節(jié)調(diào)壓變壓器的二次電壓，以改變補(bǔ)償變壓器的極性和大小，實(shí)現(xiàn)輸出電壓自動(dòng)穩(wěn)定。

將穩(wěn)壓器輸入端接入降壓后的交流母線，輸出自動(dòng)穩(wěn)壓，穩(wěn)壓范圍AC 265～456 V，穩(wěn)壓精度380 V±（1%～5%）可設(shè)定，廠區(qū)敏感設(shè)備供電電壓都可以穩(wěn)定。在一定程度上能夠提高低壓敏感設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。

在重要生產(chǎn)設(shè)備的低壓配電室安裝大功率穩(wěn)壓設(shè)備，在系統(tǒng)電壓降低時(shí)由該設(shè)備進(jìn)行穩(wěn)壓，保障生產(chǎn)流程中重要的低壓設(shè)備不停車，避免整個(gè)生產(chǎn)線停產(chǎn)事故。

5.3 增加供電系統(tǒng)容量

在發(fā)生故障時(shí)電力系統(tǒng)的電源總阻抗數(shù)值不超過短路電路阻抗的5%到10%，或設(shè)計(jì)的電力系統(tǒng)的容量超過用戶實(shí)際供配電系統(tǒng)使用容量50倍時(shí)，可以將電力系統(tǒng)看作為無(wú)限大容量系統(tǒng)。對(duì)于一般供電用戶的配電系統(tǒng)而言，由于用戶的實(shí)際容量遠(yuǎn)比電力系統(tǒng)總?cè)萘啃?，而?shí)際阻抗又比電力系統(tǒng)的大很多，此時(shí)供配電系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生短路故障時(shí)，電力系統(tǒng)涉及到的變電站母線上的電壓幾乎維持不變，因此可將電力系統(tǒng)看作是無(wú)限大容量系統(tǒng)。因此適當(dāng)增加110 kV變電站變壓器容量，如多投入一臺(tái)變壓器，可以在一定程度上提高系統(tǒng)的短路沖擊能力、保持系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過以上分析，電壓暫降引起的大范圍停電故障原因已很清楚，解決方法也已闡述，無(wú)論通過什么方法，原理都是將故障點(diǎn)與系統(tǒng)母線隔離，保障故障點(diǎn)以外的設(shè)備不受影響，因?yàn)楸竟╇娤到y(tǒng)過于龐大，短路故障點(diǎn)眾多，很難做到每個(gè)故障點(diǎn)安裝設(shè)備實(shí)現(xiàn)快速隔離。因此，以上方案是基于短路故障發(fā)生概率較高的部位進(jìn)行改造，而不是完全解決供電系統(tǒng)中每個(gè)短路故障引起的停車事故，進(jìn)行改造后能夠最大限度降低設(shè)備停車的概率。