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冶金动力 METALLURGICAL POWER 2015 年第11 期 总 第 189 期 提高冶金系统连续供电能力的方法创新与实践 袁军芳 （马鞍山钢铁股份有限公司能源总厂， 安徽马鞍山243000） 【摘要】针对短路故障引起的电压凹陷问题， 从降低继电保护动作时间和断路器跳闸时间入手， 提出了 创新方案， 并结合马钢的实例， 阐述了解决方法及取得的效果。 【关键词】连续供电； 电压凹陷； 创新方案 【中图分类号】TM7【文献标识码】B【文章编号】1006-6764201511-0010-05 Innovative for Improving the Uninterrupted Power Supply Capability of Metallurgical System and Practice YUAN Junfang General Power Plant of Maanshan Iron voltage sag; innovation program 1前言 随着钢铁企业生产线自动化程度的提高，变频 调速设备、可编程逻辑控制器以及计算机系统等敏 感性用电设备得到广泛应用，它们对系统电压特性 的变化非常敏感，几个周波的供电中断或电压跌落 都将严重影响其正常工作并导致生产线的停运。 电压凹陷产生的原因涉及系统运行与用户用电 两方面。 系统方面的原因包括各种短路故障、 雷击致 使保护动作、 开关操作、 变压器以及电容器组的投切 等。用户的原因包括用户内部短路以及大型电机的 启动、 轧钢机等冲击性负荷的投运等。 其中短路故障 可能引起较为严重的电压凹陷。 目前对电压短时间下降有 “电压凹陷” 和 “电压 骤降” 两种说法。IEEE 标准中把这一现象称为电压 凹陷 （Voltage sag） ， 其定义为 供电系统中某点的工 频电压均方根值突然下降至额定值的 1090， 并 在随后的 10 ms1 min 的短暂持续期后恢复正常。 IEC 标准中将这一现象称为电压骤降 （Voltage dip） ， 其定义为供电系统中某点的工频电压均方根值突 然下降至额定值的 190，并在随后的 10 ms1 min 的短暂持续期后恢复正常。 2马钢电网存在的问题 马钢供电网络有着供电距离短、供电负荷集中 等特点。在供电网络中任何一点出现三相短路故障 时， 在故障切除的电压凹陷期间， 将造成同一母线段 所供线路厂矿自动控制系统和低压控制部分敏感负 荷的停运， 给生产造成重大损失。 根据公司设备部电 气事故统计， 2014 年因电压凹陷造成主线厂矿停产 时间累计约 3000 min。 为了降低电压凹陷造成主线厂矿停产事故， 各 个生产厂矿都做了大量的工作，比如采用延时动作 的低压接触器，解除低压系统低电压保护和在自动 控制系统采用大容量不间断电源等，这些措施一定 程度上减少了短路故障涉及的范围，但并没有从根 本上解决问题，提高连续供电能力的第一道关键防 线应该是快速隔离和切除短路故障。 马钢能源总厂 62变电所除担负三钢轧总厂 大、 小 H 型钢的供电任务外， 还有部分外供负荷， 长 期以来由于外供负荷短路故障导致电压凹陷多次造 成 H 型钢轧线卡钢和生产停产等， 损失巨大。 目前微机继电保护装置和真空开关组合在一 起，发生短路故障时速断保护跳闸时间一般在 80 10 冶金动力 METALLURGICAL POWER 2015年第 11 期 总 第 189 期 ms 左右。在三相短路故障时， 由于母线电压凹陷致 使生产线自动控制系统故障而使主线设备停产， 为 此，能源总厂供电分厂在公司相关部门的大力支持 下， 创新运用快速保护和永磁真空开关的组合方式， 缩短故障切除时间， 提高连续供电能力， 取得很好的 效果。 该项创新成果的成功应用， 对提高马钢供电系 统保供能力，保证高炉系统长周期稳定运行具有重 大的意义。 3解决方案 中压系统故障切除时间由继电保护装置动作时 间和断路器跳闸时间共同组成。本创新方案从这二 个方面同时入手降低故障切除时间 3.1采用国产中置柜和快速分闸断路器应用方式， 降低开关固有动作时间 为提高断路器动作时间， 创新方案采用 ABB 公 司 生 产 的 VM1-T 型 断 路 器 ， 通 过 对 国 产 KYN28A-12 型中压开关柜技术改造， 新开关柜具备 快速分断能力，二次回路和自动控制系统满足自动 控制要求， 并且达到马钢南区 EMS 系统远程控制和 监测要求 （图 1） 。 改造后的 KYN28A-12 型中压开关柜断路器操 作机构采用高可靠性， 动作速度快的永磁操作机构， 与传统操动机构相比较， 具有部件少,数量是传统断 路器操作机构零部件的 7, 无需机械脱扣锁扣装 置， 故障少， 可靠性高， 使用寿命长， 其中永磁操作机 构寿命可达 10 万次以上， 适于频繁操作及可靠性高 变电站应用。 永磁机构克服了传统弹簧机构和电磁机构的不 足， 同时通过永磁材料实现真空断路器分、 合闸位置 的保持及操作过程， 主要性能特点 （1） 提高了真空断路器整体机械性能， 使之能适 应频繁开断和长寿命使用的要求。 （2） 相比传统操动机构， 无须机械脱、 锁扣装置， 零部件数量大为减少， 工作时仅有一个运动部件， 故 障率极低， 可实现少维护。 （3） 操动机构的性能与灭弧室开断、 关合特性相 吻合， 延长真空灭弧室的使用寿命。 （4）采用高可靠的双稳态操作机构设计。通过 分、 合闸控制线圈产生的电磁力控制分、 合闸操作， 合闸和分闸位置均采用永磁保持。 （5）具有防跳功能，设计软连接和触头辅助压 簧， 解决了合闸弹跳问题。 （6）具有可靠的操作控制电路模块，可耐受雷 击、 电涌等严酷条件。 VM1-T 型断路器采用真空灭弧室和浇注极柱， 分闸时间 10 ms， 灭弧时间小于 15 ms， 该开关具有 图 1ABB VM1-T 型开关国产化应用二次接线图 11 冶金动力 METALLURGICAL POWER 2015 年第11 期 总 第 189 期 机构零部件少、 可靠性高的优点， 其额定电流开断寿 命可以达到 20000 次。 国产开关柜和进口断路器组合，既达到动作速 度快的设计要求，又满足 62变电所整体规划和节 省投资。 国产开关柜和进口断路器的组合应用， 开拓 了思路，为后期马钢新建 3200 m3高炉建设积累了 宝贵的经验， 探索了一条经济实用的思路。 3.2创新继电保护装置数据处理方式， 降低保护出 口时间 62变电所采用微机保护和变电所自动化系统， 为降低保护装置动作出口时间，通过和厂家设计人 员交流， 按照速断保护出口时间小于 20 ms 的目标 要求对原有保护技术方案进行创新优化。 优化后保护配置主要功能有三段式复合电压 闭锁过流保护； 反时限过流 （三种特性可选） ； 前加 速、 后加速及手合加速； 三相四次重合闸 （不检定、 检 同期、 检无压） ； 小电流接地系统套管零序过流； 分布 式低周减载和过负荷保护等功能。 为达到断保护出口时间小于 20 ms 的目标， 对 现有微机保护软件程序进行功能定制，主要创新方 案有 3.2.1减小数据窗宽度 微机保护采样数据窗宽度影响速断保护对故障 的识别时间， 进而影响保护的整组动作时间。 数据窗 越宽， 故障量的测量越准确， 保护的动作可靠性也越 高。本次方案中要求速断保护整组动作时间在 20 ms 之内， 对工频故障量来说， 10 ms 为半个周波， 可 以比较准确地反映故障信号。小于 10 ms 的数据 窗， 虽然可以一定程度上提高动作速度， 但冶金企业 周边环境的电磁干扰及电网故障时产生的高次谐波 都将对故障量的提取产生明显影响，其动作可靠性 将比 10 ms 大大降低。考虑到保护装置内部的出口 继电器的动作时间约为 5 ms， 因此数据窗宽度确定 为 10 ms。 对于 10 ms 的数据窗， 本次设计中采用滤 波效果比较好的半波傅里叶算法。 3.2.2采用电流突变量及电压突变量综合判别快 速启动保护，提前开放保护装置的出口继电器工作 电源 传统微机保护设计时， 继电保护为提高可靠性， 出口继电器电源必须经启动继电器的触点来控制， 这样启动继电器与出口继电器形成与逻辑，以降低 保护的误动概率。但是由于出口继电器的电源由启 动继电器控制， 因此即便 CPU 系统同时发出指令触 发这两个继电器， 实际动作时序上， 也是启动继电器 先闭合， 然后出口继电器得到控制电源再闭合。 如果 这两个继电器的动作速度均为 5 ms， 实际从保护装 置启动到出口继电器闭合也至少需要 10 ms。 因此， 必须采取措施来使得启动继电器在故障发生后 5 ms 内启动， 才能保证启动继电器的动作不影响出口 继电器的动作时间。 本方案中，采用电压突变量与电流突变量综合 判别启动逻辑，保证保护装置在不到 5 ms 内可靠 启动。在严重故障时， 因系统阻抗的存在， 电压的变 化往往较电流变化更为剧烈， 但由于速断保护中， 故 障电流的大小是保护逻辑的主判据，因此电流变化 量较电压变化量更为可靠。因此方案中采用电压突 变量触发保护启动判别逻辑而用电流突变量来确认 保护是否应该启动， 从而实现保护装置达到快速、 可 靠启动兼顾。 3.2.3采用电流瞬时值和电流半波有效值联合判 别来实现区内故障的可靠识别 由于设计要求数据窗仅 10 ms，而追求保护的 动作速度又要求保护装置仅能故障发生 10 m 后再 连续判别不到 3 ms 就必须发出跳闸指令 （10 ms 数 据窗 3 ms 连续判别 5 ms 出口继电器动作时间 18 ms） 。因此保护装置对外部干扰及谐波信号将 变得非常敏感。 为提高保护装置的动作可靠性， 本方 案采用电流瞬时值和半波有效值的联合判别方法， 来提高保护的可靠性。 瞬时值判别逻辑， 在连续的 10 ms 内， 如超过 5 ms 时间其电流采样瞬时值超过 0.95 倍整定值， 且 上述情况在连续 3 ms 始终满足要求，即判为瞬时 值判据满足要求 （一个有效值为 1 的正弦波， 在任何 连续的 10 ms 内其瞬时值不小于 1 的累计时间恰 好为 5 ms） 。 有效值判别逻辑，如果使用半波傅里叶滤波后 得到的电流有效值在持续 3 ms 内满足超过整定 值， 即判为有效值满足要求。 如果故障电流的瞬时值判据和有效值判据同时 满足上述持续 3 ms 的时间要求，则保护装置立即 发速断跳闸指令。此时通过电压电流突变量辨别已 经预先发出了保护装置的启动命令，则该速断保护 将立即出口。 快速开关和定制继电保护装置的配合，实现了 故障切除时间控制在 50 ms 以内的目标， 缩短了故 障时电压凹陷时间， 提高了连续供电能力。 4技术方案取得的效果 该方案应用在马钢能源总厂 62变电所 6221 12 冶金动力 METALLURGICAL POWER 2015年第 11 期 总 第 189 期 出线柜上，实施 1 年来该出线柜共发生 3 次速断保 护动作的短路故障， 创新方案均取得了很好的效果。 4.1故障一 2014 年 1 月 1 日 21 时 46 分 6221线路速断保 护动作， 保护整定值为 （2000 A、 0 s） ， 故障录波图显 示6221柜跳闸时间为 34 ms （见图 2） ， 故障没有对 H 型钢生产造成影响。故障后， 通过对线路巡检， 故 障原因为 6221线路 25点 - 支 1点用户变压器引 线烧断短路导致。 图 22014 年 1 月 1 日 21 时 46 分 6221线路故障录波图 4.2故障二 2014 年 3 月 3 日 1341 分 6221线路速断保护 动作， 故障录波图显示故障切除时间为 36 ms （见图 3） ， 由于跳闸时间快， 对 62变电所 10 kVI 段母线 电压凹陷时间短 （见图 4） ， 故障没有对 H 型钢生产 造成影响。通过对线路的检查，跳闸原因为线路 1011点间线路下方违建房屋玻璃钢瓦翘起造成 架空导线短路造成。 4.3故障三 2014 年 12 月 12 日 15 时 42 分 6221线路速断 保护动作， 故障切除时间为 34 ms （见图 5） ， 由于跳 闸时间快， 对 62变电所 10 kVI 段母线电压凹陷时 间短 （见图 6） ， 故障没有对 H 型钢生产造成影响。 通 过对线路的检查，跳闸原因为线路 18点柱上开关 接线烧断短路造成。 以上三起故障由于断开故障时间快，三起短路 故障在电压凹陷期间均没有对 H 型钢厂生产造成 任何影响，该方案通过一年的实践证明对提高连续 供电能力具有很好的效果。 图 32014 年 3 月 3 日 13 时 41 分 6221线路故障录波图 图 42014 年 3 月 3 日 13 时 41 分 6221线路故障分析 13 冶金动力 METALLURGICAL POWER 2015 年第11 期 总 第 189 期 专业性实用性权威性全国优秀冶金科技期刊 冶金动力 2016 年度征订启事 冶金动力是由国家新闻出版总署、 科技部批准出版的全国性科技期刊， 国内外公开发行， 国际标准刊 号 ISSN1006-6764， 国内统一刊号 CN34-1127/TK， 大 16 开， 月刊， 全年订价 120 元。 全国各地邮政局 （所） 均 可办理订阅， 邮发代号 26-140。也可直接向编辑部汇款订阅 邮局汇款安徽省马鞍山市马钢能源总厂 冶金动力 编辑部，邮编243000 银行汇款工行马鞍山马钢支行户名冶金动力编辑部帐号1306020409300056761 电话0555原2888600、 2886218、 2882448E-mailyjdlbjb， yjdl888 图 52014 年 12 月 12 日 15 时 42 分 6221线路故障录波图 图 62014 年 12 月 12 日 15 时 42 分 6221线路故障分析 5结束语 随着自动化设备的增多，敏感的用电设备越来 越广泛地应用于冶金系统各个领域，电压凹陷造成 的危害也越来越突出，减少电压凹陷造成的损失关 键， 在于当故障发生时能够迅速、 及时地进行有效的 控制和处理。马钢的实践为在冶金供电系统快速切 除故障、 保证一类负荷安全运行有重要的意义。 通过 本次成功实践， 开拓了思路， 为后期马钢新建 3200 m3高炉建设积累了宝贵的经验， 探索了一条经济实 用的思路； 通过本次成功实践， 对进一步进行连续供 电技术的研究和实施提供了宝贵经验。 收稿日期 2015－09－22 作者简介袁军芳 （1970－） ， 男， 大学学历， 首席技师， 现从事供电系 统技术管理工作。 14