10KV供配電系統(tǒng)電壓暫降解決方案

1、湖北三寧化工股份有限公司10KV供配電系統(tǒng)電壓暫降解決方案技術(shù)可行性報(bào)告 審 批： 審 核： 編 制：吳梅尿素廠電氣車間2017年1月5日1.系統(tǒng)參數(shù)1.1 110KV港寧站系統(tǒng)接線1.2 主要設(shè)備技術(shù)參數(shù)1#主變： 額定容量：Se=40MVA. 額定電壓：110/10.5（kV） 阻抗電壓：U12=16.6% 2#、3#主變： 額定容量：Se=63MVA. 額定電壓：110/10.5 （kV） 阻抗電壓：U12=12.03%發(fā)電機(jī)參數(shù)（尿素配電中心段）： 額定功率：25MW 額定電壓：10.5（kV） 超瞬變電抗：15.8%（查發(fā)電機(jī)參數(shù)表得到）目前1#主變、2#主變和3#主變分列運(yùn)行，11

2、0kV變電站（2、3#主變10kV側(cè)）斷路器采用4000A/40kA。110kV側(cè)短路容量按照110kV側(cè)斷路器開斷容量40kA的80%考慮；尿素配電中心段進(jìn)線柜107接總站214聯(lián)10KV 8#母線、尿素配電中心段進(jìn)線柜207接總站215聯(lián)10KV 8#母線、尿素配電中心段進(jìn)線柜307接總站114聯(lián)10KV 9#母線、尿素配電中心段進(jìn)線柜407接總站115聯(lián)10KV 9#母線，尿素配電中心段聯(lián)有1臺(tái)發(fā)電機(jī)。2.短路電流計(jì)算1.阻抗計(jì)算2#主變和3#主變臨時(shí)并列運(yùn)行，按分列運(yùn)行考慮；1#主變分列運(yùn)行。系統(tǒng)基準(zhǔn)容量100 MVA，基準(zhǔn)電壓10.5kV基準(zhǔn)電流5.5kA.系統(tǒng)供電電源短路容量SK3

3、=6097MVA系統(tǒng)X1=0.01642#主變X2B=0.1203=0.1913#主變X3B=0.1203=0.191發(fā)電機(jī)XF=0.158=0.5056 2. 2#(3#)主變10kV側(cè)尿素配電中心段或段（尿素配電中心段）饋線短路電流a. 2#（3#）主變提供短路電流b. 發(fā)電機(jī)提供短路電流 c. 電動(dòng)機(jī)的反饋電流根據(jù)用電設(shè)備類型：2、3#主變變壓器負(fù)荷率90%，電機(jī)類負(fù)荷按照90%考慮，非變頻器類電機(jī)占電機(jī)總?cè)萘康?0%。2#主變和3#主變分列運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)反饋電流按照5倍考慮。電機(jī)反饋電流：ID=12.62kA2#(3#)主變10kV側(cè)尿素配電中心段或段（尿素配電中心段）饋線短路總電流:總

4、電流有效值：IK2=IK1+ID=39.14kA短路電流峰值：IMAX=×39.14=55.35kA短路沖擊電流值：ICJ=×1.85×39.14=102.4kA尿素配電中心段聯(lián)有發(fā)電機(jī)，當(dāng)尿素配電中心段發(fā)生短路故障短路總電流:總電流有效值：IK3=IK1+IF +ID =49.02KA短路電流峰值：IMAX=×49.02=69.32kA短路沖擊電流值：ICJ=×1.85×49.02=128.25kA3.系統(tǒng)存在問題 3.1 短路電流超標(biāo) 根據(jù)計(jì)算，尿素配電中心、段分站出線發(fā)生短路故障時(shí)，短路電流都達(dá)到約40KA；若尿素配電中心段分站

5、出線發(fā)生短路故障，短路電流更是達(dá)到49.02KA。而尿素配電中心各分站出線開關(guān)開斷能力為31.5KA，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，斷路器無法安全切斷電路，可能造成觸頭熔接、爆炸等異常情況，甚至危害系統(tǒng)運(yùn)行。3.2 電壓暫降 三寧化工系統(tǒng)接線較為復(fù)雜，10KV總站和10KV分站較多。任何10KV分站出現(xiàn)短路故障時(shí)，都會(huì)造成所在10KV總站的電壓暫降。以10kV尿素廠尿素配電中心段為例說明。10kV尿素廠尿素配電中心段配電網(wǎng)絡(luò)中心通過進(jìn)線柜107接2#主變下的10KV 8#母線214總站饋線開關(guān)。當(dāng)尿素配電中心段配電網(wǎng)絡(luò)中心開閉所饋出線支路短路時(shí)，即使故障支路綜?！?”秒速斷切除短路，但切除時(shí)間至少需要70ms

6、以上（綜保判斷及出口20ms以上，斷路器動(dòng)作40ms以上，燃弧時(shí)間1020ms以上），若是后備過流保護(hù)切除故障則需要另外增加200mS以上。綜合現(xiàn)場(chǎng)情況：尿素配電中心段配電網(wǎng)絡(luò)中心開閉所饋出線短路時(shí)，故障切除時(shí)間70300mS。在此期間，10kV 8#母線會(huì)產(chǎn)生電壓跌落，首先造成10kV 8#母線下其他開閉所部分相關(guān)負(fù)荷失電。例如，尿素配電中心段出線短路故障，會(huì)造成10kV 8#母線電壓暫降，從而導(dǎo)致8#母線215開關(guān)下的尿素配電中心段部分負(fù)荷和磷肥廠部分負(fù)荷失電停運(yùn)。另由于用戶負(fù)荷的大部分為高壓電動(dòng)機(jī)，在電壓回升后，電機(jī)群會(huì)產(chǎn)生二次沖擊。二次沖擊直接將母線電壓拖低至70%Un，造成大量負(fù)荷跳

7、閘。電壓凹陷對(duì)用電設(shè)備的影響具體在下面三個(gè)方面。1）電壓凹陷對(duì)繼電器、接觸器影響二次控制元件在額定電壓的70%下能可靠工作，當(dāng)電壓低于額定電壓的70%時(shí)，接觸器和繼電器就有可能失電返回。造成設(shè)備停運(yùn)。2）電壓凹陷對(duì)電動(dòng)機(jī)影響當(dāng)系統(tǒng)短路引起的電壓凹陷發(fā)生后，因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)感抗的存在，此時(shí)異步電動(dòng)機(jī)變成異步發(fā)電機(jī)，原有的磁場(chǎng)在旋轉(zhuǎn)中切割定子，產(chǎn)生的定子電壓對(duì)外部短路點(diǎn)提供反饋電流。從定子側(cè)看，此時(shí)電機(jī)等效出一個(gè)短路時(shí)間常數(shù)，該常數(shù)對(duì)3MW以下的電機(jī)而言一般為30ms左右，則100ms左右原有系統(tǒng)提供的磁場(chǎng)能量即可消耗完畢。當(dāng)電壓凹陷故障結(jié)束時(shí)將會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生相當(dāng)于全壓啟動(dòng)時(shí)的大電流沖擊。3）電壓凹陷對(duì)

8、變頻器影響常用的變頻器大都采用交-直-交電壓型變頻方式，下圖是其原理圖。三相全波二極管整流電路將交流電壓變成脈動(dòng)的直流電壓，跨接在直流母線上的電容一方面起到濾波的作用，可以減小電壓的脈動(dòng)，另一方面還具有儲(chǔ)能的作用。在外電壓不能充電時(shí)，電容的電壓降落是典型的指數(shù)函數(shù)：，其中的， Pn是電機(jī)的輸出功率，C是電容值。 當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)電壓凹陷時(shí)，直流母線電壓高于交流側(cè)電壓，此時(shí)二極管受到反向電壓而截止，交流側(cè)無電流。此時(shí)電容C上存儲(chǔ)的電場(chǎng)能量維持著向電機(jī)的運(yùn)行，隨著電場(chǎng)能量的消耗電容上的電壓很快下降。若電容兩端電壓下降到很低的水平，則當(dāng)交流側(cè)電壓恢復(fù)時(shí)整流二極管完全有可能因受到大電流的沖擊而損壞。另外一個(gè)

9、因素是，對(duì)于低壓變頻器而言其控制電源，包括開關(guān)電源和模塊電源，往往取自電容C，也有的直接取自前置輸入母線。當(dāng)凹陷發(fā)生時(shí)，同前所述，會(huì)導(dǎo)致變頻器控制失電。為了防止此類損害，變頻器中設(shè)計(jì)了保護(hù)功能，即當(dāng)直流電壓下降到U0的70%時(shí)，立即封鎖變頻器的觸發(fā)脈沖，使電容器不再繼續(xù)向電機(jī)提供能量，把殘存的電壓保持在0.7 倍的U0。如果從方程解出時(shí)間t，我們得到：也就是說，當(dāng)電壓凹陷發(fā)生后15.16ms時(shí)，變頻器為保護(hù)自身不被損壞，將停止工作，電容不再向外輸出能量另一方面變頻器承受過電壓能力弱，通常1.2倍的額定電壓即會(huì)引起變頻器跳機(jī)。3.3 短路電流熱效應(yīng)短路電流在電纜導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)。熱效應(yīng)-短路電流

10、電源周期分量的起始有效值電動(dòng)機(jī)反饋電流電源周期分量的起始有效值t-短路電流計(jì)算時(shí)間，包括主保護(hù)動(dòng)作時(shí)間和斷路器固有分閘時(shí)間，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)為施耐德斷路器，綜保為清華紫光，按中速取0.15s。-電源短路電流周期分量的起始有效值（KA）-電源非周期周期分量的衰減時(shí)間常數(shù)（s），U12=12.03%>10.5%，取0.06s。-電動(dòng)機(jī)反饋電流的衰減時(shí)間常數(shù)（s），取0.03s則簡化計(jì)算式，代入數(shù)值，=368.39 KA².s（尿素配電中心、段分站出線發(fā)生短路故障時(shí)），=561.28 KA².s（尿素配電中心段分站出線發(fā)生短路故障時(shí)）。按照短路電流熱效應(yīng)校驗(yàn)電纜導(dǎo)體的截流面積。,式

11、中，S-導(dǎo)體的載流截面(mm²）短路電流的熱效應(yīng)（A².s） C-與導(dǎo)體材料及發(fā)熱溫度有關(guān)的系數(shù)，C值取銅排值137。1）對(duì)于尿素配電中心、段各分站出線電纜：。2）對(duì)于尿素配電中心段各分站出線電纜：由用戶電氣主接線圖可知，尿素配電中心各分站出線額定電流多為50A、100A和200A。若按照載流量選型電纜截面只需35mm²、95 mm²。但由于短路熱效應(yīng)的存在，限定了尿素配電中心、段分站出線選型電纜截面為150 mm²、尿素配電中心段分站出線選型電纜截面為185 mm²。4. 解決問題方案（SHK-ZRD母線殘壓保持裝置）4.1 SHK

12、- ZRD概述ZRD由進(jìn)口快速換流器、綜合控制器、電流采集器、限流阻抗、后備開關(guān)等構(gòu)成。快速識(shí)別器通過高保真測(cè)量單元監(jiān)視支路電流，當(dāng)短路電流大于設(shè)定值，高速DSP通過專用算法12ms內(nèi)快速精確的預(yù)測(cè)三相短路電流有效值，并發(fā)出動(dòng)作信號(hào)。裝置中的換流器（換流開關(guān)即快速開關(guān)）在5ms左右快速開斷，短路電流換流進(jìn)入限流阻抗中，限制短路電流，短路電流幅值大大降低。本裝置可在支路發(fā)生短路故障616ms內(nèi)，將母線殘壓保持在額定電壓的90%以上，保證其他無故障支路敏感負(fù)載的正常工作。同時(shí)主變等設(shè)備所受到的短路電流沖擊大大降低。分支內(nèi)的短路故障切除后，測(cè)控單元檢測(cè)支路電流接近額定電流時(shí)立即控制換流器合閘，限流高

13、阻抗退出，系統(tǒng)即可恢復(fù)正常運(yùn)行。發(fā)生短路故障的支路在短路超過300ms，故障沒有解除，本裝置測(cè)控單元認(rèn)為是故障點(diǎn)的分支路真空斷路器拒動(dòng)或支路的母線故障，立即給切離開關(guān)發(fā)出分閘命令，切除該支路。裝設(shè)SHK-ZRD的饋出線短路時(shí)，由于其切除故障的快速性，主母線電壓凹陷的時(shí)間減少至20ms以內(nèi)，系統(tǒng)中的變頻器、接觸器、電動(dòng)機(jī)等敏感負(fù)荷不會(huì)停運(yùn)。同時(shí)由于20ms以內(nèi)機(jī)端電壓恢復(fù)90%以上，發(fā)電機(jī)強(qiáng)勵(lì)也不會(huì)啟動(dòng)。裝置原理圖見虛線框內(nèi) 4.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施方案方案一：利用現(xiàn)場(chǎng)尿素配電中心各分站原有107、207、307、407柜體，在原有柜體內(nèi)部進(jìn)行改造，加裝VFC快速開關(guān)、電流互感器、限流阻抗等一次元件，柜

14、體內(nèi)原有手車斷路器作為后備開關(guān)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)量取空間尺寸，進(jìn)行一次元件初步示意，如下圖。側(cè)視圖由上圖示意，現(xiàn)場(chǎng)原有柜體安裝空間不足，此方案現(xiàn)場(chǎng)不可實(shí)施。方案二：利用現(xiàn)場(chǎng)尿素配電中心電纜間，在原有107、207、307、407柜體正下方電纜間加裝SHK-ZRD。截?cái)嘣羞M(jìn)線柜的電纜，將SHK-ZRD串入安裝，107、207、307、407柜體內(nèi)原有手車斷路器作為后備開關(guān)，可由ZRD發(fā)信號(hào)跳閘。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)量取尺寸，示意圖如下。側(cè)視圖由上示意圖，此方案具有可實(shí)施性，但會(huì)造成電纜間較為擁擠，必須截?cái)嚯娎|并重新連接，柜體為非標(biāo)柜，亦不方便運(yùn)維檢修。施工需要分站主母線停電檢修，電纜的截?cái)嗯c連接施工周期較長。方案

15、三：利用電纜夾層間南側(cè)的空間，將4臺(tái)SHK-ZRD柜體安裝布置于此空間，截?cái)嘣羞M(jìn)線柜的電纜將SHK-ZRD串入安裝，107、207、307、407柜體內(nèi)原有手車斷路器作為后備開關(guān)，可由ZRD發(fā)信號(hào)跳閘。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)量取尺寸，示意圖如下。俯視圖側(cè)視圖由上示意圖，此方案同樣具有可實(shí)施性，但仍同樣會(huì)造成電纜間較為擁擠，必須截?cái)嚯娎|并重新連接。柜體為非標(biāo)柜，亦不方便運(yùn)維檢修。施工需要分站主母線停電檢修，電纜的截?cái)嗯c連接施工周期較長。方案四：將尿素配電中心各分站原有107、207、307、407柜體退出，置換為SHK-ZRD，柜體原綜保裝置取消，后備開關(guān)由用戶總站去各分站的出線斷路器代替，可由ZRD發(fā)信號(hào)

16、跳閘。一次系統(tǒng)安裝圖如下（以尿素配電中心段207為例，其余同理）：結(jié)構(gòu)與尺寸（以下示意僅供參考，具體(相序及母排位置等）以設(shè)計(jì)圖為準(zhǔn)）為方便并柜，SHK-ZRD柜寬度可減小少許。此方案具有可實(shí)施性，置換柜體后亦方便運(yùn)維檢修，符合電力系統(tǒng)安全規(guī)范。施工需要分站主母線停電檢修，拆裝每段主母排需2天時(shí)間。5. SHK-ZRD母線殘壓保持裝置安裝效果5.1限制分站母線短路電流當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，SHK-ZRD裝置中的換流器（換流開關(guān)即快速開關(guān)）在5ms左右快速開斷，短路電流換流進(jìn)入限流阻抗中，限制短路電流，短路電流幅值大大降低，保證了各分站出線開關(guān)安全正確的開斷故障。5.2保持母線電壓SHK-ZRD裝置可在各分站發(fā)生短路故障616ms內(nèi)，將10KV 8#、10KV 9#主母線殘壓保持在額定電壓的90%以上，保證其他無故障支路敏感負(fù)載的正常工作。5.3電纜熱穩(wěn)定當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，SHK-ZRD投入限流阻抗，限制短路電流，短路電流幅值大大降低，同時(shí)短路