矿山电力系统电压暂降的治理

刘占波，潘慧龙，常海莎

（河北钢铁集团矿业有限公司机电检修分公司，河北唐山 063700）

1 事故现象

2020年3月12日排岩配电室排土机6923高压电缆绝缘损坏，造成A、C两相短路；2020年6月10日常峪II段695架空线路B相导线从绝缘子脱落与两边相搭接，造成三相短路；2020年8月22日研山中碎3#圆锥电机接线盒内一相电源接线端子在电机接线柱处脱落，造成弧光短路；2020年8月29日南区6#主井分支线下树过高同时触碰线路两相，造成相间短路，此类型故障在电力系统中属于严重故障，间接造成整个系统母线短路。短路故障会引起系统电流骤增，电压抖动严重，由于断路器和综保装置固有动作时间，导致故障切除时间较长，电压敏感类的设备无法躲过短路故障引起的低电压持续时间，造成大面积的停车事故。

2 事故原因

系统短路故障的发生为概率事件，通过统计1年发生的事故报告，可以看出此类事故多发生在碎采和架空线路的供电系统，该系统的配电设施存在以下问题：①处在露天和粉尘环境，外界造成的不可控因素较多；②露天矿单体高压设备较多，电缆敷设裸露且路径不固定；③环境复杂恶劣，导致设备维护和保养不到位。以上原因造成厂区外的供电系统短路故障发生概率较高，给整个供电系统的稳定性造成严重影响。

高压供电系统内发生短路故障切除时间太长无法躲过敏感设备电压波动耐受期，因此“故障切除和隔离时间”是解决问题的根本途径。供电系统短路故障在不考虑主变与故障点之间阻抗的前提下，可以认为变压器侧发生短路，它会造成变压器电流骤增，根据能量守恒定律变压器输出电压肯定降低，目前由于常规断路器和综保装置固有动作时间无法在一个周波内（20 ms）完成故障点的切除。电压在一个周波内发生波动对敏感设备无影响，超过一个周波会导致设备停车。

通过查阅国内知名品牌的综保装置出现故障判断时间为20～30 ms，目前使用的高压真空断路器的分闸动作时间为33～45 ms，交流电压电弧过零时间为16 ms左右。波动电压从故障到恢复正常运行电压时间称为断路器开断短路故障的时间，约80 ms，因此目前常规断路器和综保装置速断动作的固有时间根本无法躲过敏感设备电压波动耐受期。

3 解决目前问题途径

措施：①对高压柜进行改造更换快速断路器和加装快速控制器，确保在20 ms内完成短路故障点的切除，将故障点与母线系统直接隔离或是购买成套母线残压保持装置，在20 ms内在故障点与母线系统之间串入阻抗进行分压，间接将故障点与母线系统隔离。两种途径最终目的都是在20 ms内将故障点与系统母线隔离，保障故障点以外的其他设备在20 ms内不受电压波动影响；②在重点区域敏感设备的低压配电室如：司家营主厂低压配电室安装HKSBW型大功率稳压器，当高压系统发生短路故障引起电压降低时，能自动保持输出电压稳定，以保障用电设备正常运行，确保主要设备不停车；③增加供电系统容量。

4 系统运行工况及问题

某110 kV变电站下级有13个6 kV开闭所、7个10 kV开闭所和5个35 kV箱式变压器，每个开闭所或直供负荷有短路故障，影响整个系统，当系统任一支路有短路故障，母线电压降低，且大电机在这个电压暂降时间内衰减会提供5～9倍的反馈电流，更会拉低整个母线电压，造成其他负荷甚至大面积停电事故，引起其他车间设备停车。每年电压暂降造成的停电事故不少，给企业带来的损失很大。

目前高压供电系统真空断路器的控制电源一般情况下为直流，不会因为高压供电交流系统电压低而跳闸，而且持续时间比较短，这就是发生“晃电”后高压系统无任何报警的原因所在。如果高压断路器未跳闸，它所带的异步电动机在低压期间一直在运转，并以发电方式向短路故障点输出短路电流，直到电机磁场衰减完毕或故障点切除，电动机磁场衰减时间30～40 ms，系统晃电时间在100 ms，因此电动机在“晃电”期间磁场将衰减完毕。这样就存在一个问题，当故障点被切除后母线电压进入恢复期，在网的电动机开始重建磁场相当于重新启动，在此期间系统电机群需要向电网索取相当于电机群额定电流总和5～7倍的无功电流，对电网造成二次冲击，二次电流冲击在变压器和线路阻抗上形成较大压降，延缓了母线电压恢复过程，也就是电动机磁场重建的过程。这就是综保装置和断路器切除短路故障后，经常还会发生大面积停车的原因。

其根本原因都是故障切除时间太长，只要短路故障切除时间保证在20 ms内，高压系统就不会发生因“晃电”引起的各种联锁反应。

5 治理方案

5.1 根据系统情况制定改造方案

根据系统情况制定以下改造方案：在供电可靠性高的配电室进线加装阻开母线残压保持装置；在供电可靠性一般的配电室进线加装直开母线残压保持装置；适合改造的场所加装快速断路器。

母线残压保持装置主要由快速换流器、限流阻抗、综合控制器和后备开关等组成。正常工作时后备开关、快速换流器处于合闸状态，当发生短路故障时，母保控制器通过电流互感器测到短路电流，经“短路故障快速判断算法”精确到在2 ms内判断出系统故障，随即发出快速开关分闸信号，装置在20 ms内将母线残压保持装置内阻抗投入线路，补偿本支路因短路而损失的阻抗，将本支路电流从短路电流限制到额定电流以内，从而维持了母线剩余电压在85%以上，保障母线对其他未发生短路故障的支路连续供电，非故障支路电动机不会低压释放，避免电机衰减输送反馈电流冲击。

若短路故障被切除后，本支路的工作电流恢复到正常范围，恢复本支路的正常供电；若短路故障点切除失败，控制器延时200～500 ms向后备进线开关发出分闸指令，作为后备手段最后切除故障。

改造设备范围：

（1）对研山中碎配电室5116 1#圆锥、5115 2#圆锥、5135 3#圆锥、5136 4#圆锥共4面高压柜进行改造，在原有高压柜基础上改造，安装快速控制器ZK-05，快速高压断路器12 kV-1250 A/40 kA。

（2）对司家营一期6 kV配电室：坑口配电室、粗破配电室、胶带配电室、排岩配电室4个高压配电室进线高压柜进行改造，安装成套母线残压保持装置型号为：ZRD-3-6.3 kV-1250 A/40 kA-RC（阻开），安装方式：串入每段进线柜。

（3）对110 kV站6 kV配电室：675常峪I段、695常峪II段、672坑口I段、623坑口II段、628排岩I段、631排岩II段、671胶带I段、694胶带II段、611粗破I段、637粗破II段、612露天1#、685露天2#、625南区6#、615南区5#共15面高压柜进行改造，在原有高压柜基础上改造，安装快速控制器ZK-05，快速高压断路器12 kV-2000 A/40 kA。

5.2 安装集中式大功率稳压器

高压系统发生短路故障引起低压系统电压降低造成大面积停车，根据生产工艺流程，在重要生产设备的低压配电室安装大功率稳压设备，在系统电压降低时由该设备进行稳压，保障生产流程中重要的低压设备不停车，避免整个生产线停产事故。

司家营北区生产工艺流程复杂，需要相关生产部门确定重要的生产设备和低压配电室，根据配电室所带设备的重要性安装大功率稳压设备，在此以司家营主厂高压室I段所带的变压器为例。

产品配置如下：

变压器容量为630 kV·A，配置稳压器型号为HSBW-1000 kV·A，输入电压：265～495 V，输出电压：380 V±5%可调；变压器容量为1600 kV·A，配置稳压器型号为HSBW-2000 kV·A，输入电压：265～495 V，输出电压：380 V±5%可调；变压器容量为1600 kV·A，配置稳压器型号为HSBW-1600 kV·A，输入电压：265～495 V，输出电压：380 V±5%可调。

大功率稳压器其稳压过程是：根据输出电压的变化，由电压检测单元采样，检测并输出信号控制伺服电机转动，带动调压变压器上的电刷组滑动（或滚动），调节调压变压器的二次电压，以改变补偿变压器的极性和大小，实现输出电压自动稳定。

将稳压器输入端接入降压后的交流母线，输出自动稳压，稳压范围AC 265～456 V，稳压精度380 V±（1%～5%）可设定，厂区敏感设备供电电压都可以稳定。在一定程度上能够提高低压敏感设备运行的稳定性。

在重要生产设备的低压配电室安装大功率稳压设备，在系统电压降低时由该设备进行稳压，保障生产流程中重要的低压设备不停车，避免整个生产线停产事故。

5.3 增加供电系统容量

在发生故障时电力系统的电源总阻抗数值不超过短路电路阻抗的5%到10%，或设计的电力系统的容量超过用户实际供配电系统使用容量50倍时，可以将电力系统看作为无限大容量系统。对于一般供电用户的配电系统而言，由于用户的实际容量远比电力系统总容量小，而实际阻抗又比电力系统的大很多，此时供配电系统内发生短路故障时，电力系统涉及到的变电站母线上的电压几乎维持不变，因此可将电力系统看作是无限大容量系统。因此适当增加110 kV变电站变压器容量，如多投入一台变压器，可以在一定程度上提高系统的短路冲击能力、保持系统电压的稳定性。

6 结束语

通过以上分析，电压暂降引起的大范围停电故障原因已很清楚，解决方法也已阐述，无论通过什么方法，原理都是将故障点与系统母线隔离，保障故障点以外的设备不受影响，因为本供电系统过于庞大，短路故障点众多，很难做到每个故障点安装设备实现快速隔离。因此，以上方案是基于短路故障发生概率较高的部位进行改造，而不是完全解决供电系统中每个短路故障引起的停车事故，进行改造后能够最大限度降低设备停车的概率。