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可行性報告審批：審核：編制：吳梅尿素廠電氣車間2017年1月5日.系統(tǒng)參數(shù)1.1110KV港寧站系統(tǒng)接線1.2主要設備技術參數(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)電機參數(shù)表得到）目前1#主變、2#主變和3#主變分列運行，110kV變電站（2、3#主變10k

2、V側）斷路器采用 4000A/40kA。第1頁共11頁110kV側短路容量按照110kV側斷路器開斷容量40kA的80%考慮；尿素配電中心1段 進線柜107接總站214聯(lián)10KV 8#母線、尿素配電中心11段進線柜207接總站215聯(lián)10KV 8# 母線、尿素配電中心111段進線柜307接總站114聯(lián)10KV 9#母線、尿素配電中心”段進線柜 407接總站115聯(lián)10KV 9#母線，尿素配電中心”段聯(lián)有1臺發(fā)電機。.短路電流計算1.阻抗計算2#主變和3#主變臨時并列運行，按分列運行考慮；1#主變分列運行。系統(tǒng)基準容量100 MVA,基準電壓10.5kV基準電流5.5kA.系統(tǒng)供電電源短路容量S

3、K3= 110 x 40 x 0. 8 x v,3 =6097MVA系統(tǒng) x；= -100- =0.0164 1 60972#主變 X。；=0.1203 x100 =0.191 2B633#主變 Xd=0.1203 x 100 =0.1913B63發(fā)電機 Xc=0.158x 100 =0.5056 F 25/0.82#(3#)主變10kV側尿素配電中心1段或H段(尿素配電中心111段)饋線短路電流a. 2# (3#)主變提供短路電流5.50.0164 + 5.50.0164 + 0.191=26.52KAb,發(fā)電機提供短路電流I = 55 = 10.88 KAF 0.5056c,電動機的反饋電

4、流根據(jù)用電設備類型：2、3#主變變壓器負荷率90%,電機類負荷按照90%考慮，非變頻器類電機占電機總容量的90%。2#主變和3#主變分列運行，電動機反饋電流按照5倍考慮。電機反饋電流：ID63 電機反饋電流：ID63 x 0.9 x 0.9 x 0.910.5 x、汽x 5=12.62kA2#(3#)主變10kV側尿素配電中心1段或H段(尿素配電中心111段)饋線短路總電流:總電流有效值：IK2=IK1+ID=39.14kA短路電流峰值：Imax=4X39.14=55.35kA第2頁共11頁短路沖擊電流值：Iq=4ZX1.85X 39.14=102.4kA尿素配電中心”段聯(lián)有發(fā)電機，當尿素配電

5、中心”段發(fā)生短路故障短路總電流：總電流有效值：IK3=1Kl+If +Id =49.02KA短路電流峰值：1MAX=4Z X49.02=69.32kA短路沖擊電流值：匕=梅X1.85X49.02=128.25kA.系統(tǒng)存在問題短路電流超標根據(jù)計算，尿素配電中心1、11、111段分站出線發(fā)生短路故障時，短路電流都達到約40KA； 若尿素配電中心”段分站出線發(fā)生短路故障，短路電流更是達到49.02KA。而尿素配電中心 各分站出線開關開斷能力為31.5KA,當發(fā)生故障時，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)運行。電壓暫降三寧化工系統(tǒng)接線較為復雜，10KV總站和10

6、KV分站較多。任何10KV分站出現(xiàn)短路故 障時，都會造成所在10KV總站的電壓暫降。以10kV尿素廠尿素配電中心1段為例說明。10kV尿素廠尿素配電中心1段配電網(wǎng)絡中心通過進線柜107接2#主變下的10KV 8#母線 214總站饋線開關。當尿素配電中心1段配電網(wǎng)絡中心開閉所饋出線支路短路時，即使故障 支路綜?！?”秒速斷切除短路，但切除時間至少需要70ms以上（綜保判斷及出口 20ms以 上，斷路器動作40ms以上，燃弧時間1020ms以上），若是后備過流保護切除故障則需要 另外增加200ms以上。綜合現(xiàn)場情況：尿素配電中心1段配電網(wǎng)絡中心開閉所饋出線短路時，故障切除時間 70300mS。在此

7、期間，10kV 8#母線會產(chǎn)生電壓跌落，首先造成10kV 8#母線下其他開閉所部 分相關負荷失電。例如，尿素配電中心1段出線短路故障，會造成10kV 8#母線電壓暫降， 從而導致8#母線215開關下的尿素配電中心11段部分負荷和磷肥廠部分負荷失電停運。另由于用戶負荷的大部分為高壓電動機，在電壓回升后，電機群會產(chǎn)生二次沖擊。二次 沖擊直接將母線電壓拖低至70%,造成大量負荷跳閘。電壓凹陷對用電設備的影響具體在下面三個方面。1）電壓凹陷對繼電器、接觸器影響二次控制元件在額定電壓的70%下能可靠工作，當電壓低于額定電壓的70%時，接觸器 和繼電器就有可能失電返回。造成設備停運。第3頁共11頁2）電壓

8、凹陷對電動機影響當系統(tǒng)短路引起的電壓凹陷發(fā)生后，因為電動機感抗的存在，此時異步電動機變成異步 發(fā)電機，原有的磁場在旋轉中切割定子，產(chǎn)生的定子電壓對外部短路點提供反饋電流。從定 子側看，此時電機等效出一個短路時間常數(shù)，該常數(shù)對3MW以下的電機而言一般為30ms 左右，則100ms左右原有系統(tǒng)提供的磁場能量即可消耗完畢。當電壓凹陷故障結束時將會對 電動機產(chǎn)生相當于全壓啟動時的大電流沖擊。3）電壓凹陷對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。逆變部分逆變部分三相全波二極管整流電路將交流電壓變成脈動的直流電壓，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

9、脈動，另一方面還具有儲能的作用。在外電壓不能充 電時，電容的電壓降落是典型的指數(shù)函數(shù)：CU 2tT =0U = Ue/，其中的P， Pn是電機的輸出功率，C是電容值。0n當電網(wǎng)出現(xiàn)電壓凹陷時，直流母線電壓高于交流側電壓，此時二極管受到反向電壓而截 止，交流側無電流。此時電容C上存儲的電場能量w= 2CU2維持著向電機的運行，隨著電場 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，則當交流側電壓恢 復時整流二極管完全有可能因受到大電流的沖擊而損壞。另外一個因素是，對于低壓變頻器而言其控制電源，包括開關電源和模塊電源，往往取 自電容C，也有的直接取自前置輸入母線。當凹陷發(fā)生時，同

10、前所述，會導致變頻器控制失 電。為了防止此類損害，變頻器中設計了保護功能，即當直流電壓?。┫陆档経0的70%時， 立即封鎖變頻器的觸發(fā)脈沖，使電容器不再繼續(xù)向電機提供能量，把殘存的電壓保持在0.7倍的U。如果從方程U = 0.7Uo = Uoe二解出時間t，我們得到：t =t ln = 42.5msx0.35667 = 15.16ms0.7第4頁共11頁也就是說，當電壓凹陷發(fā)生后15.16ms時，變頻器為保護自身不被損壞，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倍的額定電壓即會引起變頻器跳機。短路電流熱效應T t TTD- (1-eID) + T t TTD

11、- (1-eID) + B D2 D T + TBD+1.51 2TDD熱效應Q =1 i2dt = I-2(t + T ) + 41八 dBBB D0I；-短路電流電源周期分量的起始有效值Id電動機反饋電流電源周期分量的起始有效值t-短路電流計算時間，包括主保護動作時間和斷路器固有分閘時間，根據(jù)現(xiàn)場為施耐德斷路器，綜保為清華紫光，按中速取0.15s。I；-電源短路電流周期分量的起始有效值（KA）TB-電源非周期周期分量的衰減時間常數(shù)（s），U12=12.03%10.5%，取0.06s。Td-電動機反饋電流的衰減時間常數(shù)（s），取0.03s則簡化計算式 Q = 0.211-2 + 0.081I

12、 + 0.0451 2，代入數(shù)值，Q =368.39 KA2 .s （尿素配 dBB DDd 1電中心1、11、111段分站出線發(fā)生短路故障時），Qd2 =561.28 KA2.s （尿素配電中心”段分站 出線發(fā)生短路故障時）。按照短路電流熱效應校驗電纜導體的截流面積。S三 dC ,式中，S-導體的載流截面（mm2）Qd短路電流的熱效應（A2.s）C-與導體材料及發(fā)熱溫度有關的系數(shù)，C值取銅排值137。1）對于尿素配電中心1、11、111段各分站出線電纜：S三旦 =V368,39 X103 = 140mm2。C 1372）對于尿素配電中心”段各分站出線電纜：S三旦=丈6128X103 = 17

13、2.93mm2 C 137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。但由于短路熱效應的存在，限定了尿素配 電中心1、11、111段分站出線選型電纜截面為150 mm?、尿素配電中心”段分站出線選型電第5頁共11頁纜截面為185 mm?。.解決問題方案（SHK-ZRD母線殘壓保持裝置）SHK- ZRD 概述ZRD由進口快速換流器、綜合控制器、電流采集器、限流阻抗、后備開關等構成?？焖僮R別器通過高保真測量單元監(jiān)視支路電流，當短路電流大于設定值，高速DSP通過 專用算法12ms內快速精確的預測三相短路

14、電流有效值，并發(fā)出動作信號。裝置中的換流器 （換流開關即快速開關）在5ms左右快速開斷，短路電流換流進入限流阻抗中，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，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載的正常工作。同時主變等設備所受到的短路電流沖擊大大降低。分支內的短路故障切除后，測控單元檢測支路電流接近額定電流時立即控制換流器合閘， 限流高阻抗退出，系統(tǒng)即可恢復正常運行。發(fā)生短路故障的支路在短路超過300ms,故障沒 有解除，本裝置測控單元認為是故障點的分支路真空斷路器拒動或支路的母線故障，立即給 切離開關發(fā)出分閘命令，切除該支路。裝

15、設SHK-ZRD的饋出線短路時，由于其切除故障的快速性，主母線電壓凹陷的時間減少 至20ms以內，系統(tǒng)中的變頻器、接觸器、電動機等敏感負荷不會停運。同時由于20ms以內機端電壓恢復90%以上，發(fā)電機強勵也不會啟動。裝置原理圖見虛線框內1-7-|練合掛上器X后&開關C電沅聚集器- 練合掛上器X后&開關C電沅聚集器- 操流升關1限點隹抗4.2現(xiàn)場實施方案307307、407柜體，在原有柜體內一次元件，柜體內原有手車斷路方案一：利用現(xiàn)場尿素配電中心各分站原有107、207、 部進行改造，加裝VFC快速開關、電流互感器、限流阻抗等第6頁共11頁器作為后備開關。根據(jù)現(xiàn)場量取空間尺寸，進行一次元件初步示意

16、，如下圖。側視圖由上圖示意，現(xiàn)場原有柜體安裝空間不足，此方案現(xiàn)場不可實施。方案二：利用現(xiàn)場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。截斷原有進線柜的電纜，將SHK-ZRD串入安裝，107、207、307、407柜體 內原有手車斷路器作為后備開關，可由ZRD發(fā)信號跳閘。根據(jù)現(xiàn)場量取尺寸，示意圖如下。第7頁共11頁側視圖由上示意圖，此方案具有可實施性，但會造成電纜間較為擁擠，必須截斷電纜并重 新連接，柜體為非標柜，亦不方便運維檢修。施工需要分站主母線停電檢修，電纜的截斷與 連接施工周期較長。方案三：利用電纜夾層間南側的空間，將4臺SHK-ZRD柜

17、體安裝布置于此空間，截斷原 有進線柜的電纜將SHK-ZRD串入安裝，107、207、307、407柜體內原有手車斷路器作為后 備開關，可由ZRD發(fā)信號跳閘。根據(jù)現(xiàn)場量取尺寸，示意圖如下。第8頁共11頁俯視圖電纜間屋頂屋頂梁柱側視圖電纜間屋頂屋頂梁柱側視圖由上示意圖，此方案同樣具有可實施性，但仍同樣會造成電纜間較為擁擠，必須截斷電 纜并重新連接。柜體為非標柜，亦不方便運維檢修。施工需要分站主母線停電檢修，電纜的 截斷與連接施工周期較長。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，后備開關由用戶總站去各分站的出線斷路器代替，可

18、由ZRD發(fā)信號跳 閘。一次系統(tǒng)安裝圖如下（以尿素配電中心11段207為例，其余同理）:麟融機口眥蝸絡中心8第9頁共11頁麟融機口眥蝸絡中心8第9頁共11頁結構與尺寸（以下示意僅供參考，具體（相序及母排位置等）以設計圖為準）為方便并柜，SHK-ZRD柜寬度可減小少許。此方案具有可實施性，置換柜體后亦方便運 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 間。. SHK-ZRD母線殘壓保持裝置安裝效果限制分站母線短路電流當發(fā)生短路故障時，SHK-ZRD裝置中的換流器（換流開關即快速開關）在5ms左右快速 開斷，短路電流換流進入限流阻抗中，限制短路電流，短路電流幅值大大降低，保證了各分 站出線開關安全正確的開斷故障。保持母線電壓SHK-ZRD裝置可在各分站發(fā)生短路故障616ms內，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載的正常工作。電纜熱穩(wěn)定當發(fā)生短路故障時，SHK-ZRD投入限流阻抗，限制短路電流，短路電流幅值大大降低， 同時短路電流熱效應計算時間大大縮短（20ms以內），保證了各分站出