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安全可靠供电系统解决方案

                                                          ---无扰动平稳供电系统

1  目前状况

目前化工、煤炭、冶金、制药等企业供电普遍采用的双电源供电,或者另外有自备发电厂作为主要负荷电源,其供电的主站或子站主接线如图示:

供电系统主接线为双馈线加母联的方式,系统负荷在两母线段平均分配,任何一路馈线(进线)及变压器能够带该两段母线负荷(或者能够带该系统必需的重要负荷);或者供电系统主接线为双馈线方式,任何一路馈线(进线)及变压器能够带全部负荷。

化工、煤炭、冶金、制药等是连续生产性企业,工艺或安全生产要求流程连续性,即作为企业动力的供电系统出现异常时(如:系统出现晃电、保护动作、低压脱扣、开关偷跳、系统联跳等),系统应迅速断开异常的供电回路,快速投入备用电源,保证母线段供电0S中断(或母线不失压),同时确保电气设备不因供电系统异常停止运转,确保整个工艺生产流程的连续、安全运行(不中断),即保证整个工艺生产流程过程无任何扰动,实现系统的无扰动切换。

 

2  存在的缺陷

现 象:

当企业电源进线系统出现波动,如:上级变电站由于异常引起的系统晃电、保护动作、电源切换(如:设备故障、雷击、系统到闸、开关偷跳等),此时,供电将短时间中断(即使有备自投动作,很快恢复供电,失压整定时间一般大于过流动作时间),将造成本母线段上400V大部分交流接触器失压断开,6KV400V等部分大型电动机(如直流操作回路)由于0.5S低电压保护动作,以及同步电机失步、失磁、低电压保护动作,造成重要负荷中断(如矿井通风中断),至少导致工艺流程出现异常(流程终止,即生产中断),如长时间中断(系统恢复的操作繁多,恢复时间往往较长,同时出错率增加)极有可能会造成生产安全事故。

由于化工钢铁企业中压一般为不接地系统,虽然安装消弧线圈,但是由于系统大,系统电容电流大,往往经常发生单相接地后,迅速发展为多相短路,虽安装有保护,但至少母线电压迅速下降;同时由于生产工艺的需要,往往装有大容量的整流变压器,系统中有大量的谐波(即使系统安装有谐波滤波器),对继电保护装置、自动控制设备造成干扰,设备故障率增加,从而造成供电系统异常波动; 400V保护往往是过流保护、热偶、熔断器保护,故障易发展为多相短路,故障切除时间长(一般200mS以上);系统有大量成组自启动电机存在时,如果采用残压切换后或全电压成组启动下,往往启动电流特别大(有时可能引起保护误动作),存在母线电压波动大、时间长。以上多种原因造成的系统电压母线较大波动时,极容易造成母线段上部分设备异常停车以及400V大部分交流接触器异常断开,以至于导致工艺流程出现异常,甚至流程终止,造成生产紊乱。

当企业电源由自备发电厂提供时(最小电源系统,与供电公司系统网异常分开),当主要供电段上主要大型负荷投入或退出、以及设备发生故障等时,此时,系统造成出现不稳定状况,负荷母线段将发生电压波动,极可能造成400V部分交流接触器失压断开,同步电机失步、失磁等保护动作,发电机调节不能满足系统负荷快速变化要求,从而导致系统崩溃。恢复整个瘫痪系统,系统恢复时间往往更长,出错率大大增加,造成生产安全事故的概率大大增加。

 

后 果:

任何工艺流程出现异常(或流程终止),导致生产中断,都将造成停车事故,最低会造成原材料浪费,生产停工增加运营费用,一般损失在数百万以上,严重时很有可能造成生产安全的重大事故发生,如:造成人员的伤亡、设备的严重损坏等。

天津石化2000年由于系统电源波动,自备发电厂设备异常,造成与电网的联络线断开,自备发电厂与化工厂负荷不平衡,保护设备先后动作,造成全厂大停电事故发生,大量的设备由于原料凝结而报废,直接损失2亿多。

燕山石化2005年由于一路供电系统异常,备自投相继动作,同时电机成组自启动,引起上级母线段过流动作,母线失电,再次造成更大规模的备自投动作,造成负荷分配严重不平衡,导致另外母线过流保护动作,以至于全厂停电,损失惨重。

 

原 因:

目前由于电网庞大,受自然环境较大,设备多,故障的概率较高,往往易出现供电短时间中断,电压等级越低,出现供电短时间中断(晃电)的概率越高,受电企业影响也就越大,至电网的供电回路越少,对企业影响也就越大。

对系统中电动机而言,当系统电压下降至70%以下时,其出力将下降到50%以下,将影响工艺流程的正常进行,一般有许多设备的0.5S的低电压保护将动作,以至于导致工艺流程出现异常(或流程终止),生产中断。即使系统安装备自投,备自投也准确动作,但备自投为低压切换(失压延时大于往往过流时间),也就是说备自投动作了,0.5S的低电压保护也已经动作了,同时系统有大量成组自启动电机时,往往自启动电流特别大(有时可能引起保护误动作),存在母线电压波动大、时间长。如:易造成同步电机失步、失磁、低电压动作而退出运行(如:矿井通风终止),往往需要人工恢复,此时,存在生产安全的极大隐患。

由于400V开关柜中大部分采用交流接触器,交流接触器的特性为返回电压30~70%,在60-80mS内交流接触器就断开,当由于各种原因引起的电压波动(如:其他回路短路故障、电源切换等引起的电压较大波动),极易造成交流接触器非正常分开,从而导致工艺流程出现异常(或流程终止),生产中断。如:运煤皮带,当出现异常时,运转中断,即使电源恢复,也由于皮带上的煤多(电机启动负载重),而不能迅速投入运行,需要人工干预,正常的生产中断。

 

3  解决方案

方 法:

由于电网供电的稳定性很难快速得到提高,目前企业仅能从增加进线回路数,得以弥补,一般不少于2路进线,最好能够大于2路,最好有1路来至不同的变电站,进线的电压较高为佳,系统的稳定性也较高,最好在供一条电线路上不同时向其他用户供电,以免其他的用户事故影响到本企业。(减少晃电概率)

6KV及以上电压等级中的备自投改为多功能的HT6000平稳供电装置装置,实现馈线一低、馈线一高、馈线二低、馈线二高、母联多开关之间的快速切换;400V电压等级中的备自投改为HT6600平稳供电装置装置,实多开关之间的快速同期切换。100mS内实现切换完成,确保母线电压不下降(或母线不失压,频率下降1Hz以内,角差30°以内,残压90%以上),低电压保护不启动,交流接触器不脱钩,同时防止事故切换中两电源并立合环,工艺流程正常、连续、平稳运行,实现系统无扰动切换。(当系统出现晃电或母线欠压、保护动作、开关偷跳、系统联跳等时,保证母线段供电0S中断或母线不失压,减少低压脱扣,同时极大降低成组电机自启动电流)

为了配合快速切换装置快速判别故障时的区间,在馈线一、馈线二上增加光纤纵差。其保护动作接点接入快切装置。(提高判别速度和可靠性,有利于保证母线段供电0S中断或母线不失压)

对同步电动机而言,其励磁调节装置应具备失步检测、失步预防、失步后的保护和再整步功能,当系统发生异常时或负载过重引起失步以及系统通过无扰动切换后,通过励磁调节装置使同步电动机不中断运行。(确保同步电机连续运转,工艺流程连续稳定运行)

 

原理:

如上图所示为一典型的母线电压衰减特性和可能的切换位置。整个母线电压衰减特性可以有快速切换、首次同相切换、残压切换、长延时切换四个时间窗口(即四次切换机会),首次同相切换作为快速切换的后备;残压切换作为快速切换、首次同相切换远后备;长延时切换作为快速切换、首次同相切换、残压切换总后备。因而,切换可靠性极高,安全性极高。在故障时为断电时间最短,快速切换是最优的切换方式。

如下图所示,为快速切换和首次同相切换过程中波形图,从图中可以看出电压维持很高,冲击电流很小,几乎不存在电机成组自启动问题。

当系统出现故障时,平稳供电装置迅速判断(根据电流的变化以及与馈线的光纤纵差配合等共同判别)是否母线及以下故障,装置等待故障切换,防止故障未能切除,带故障切换至正常母线,拖跨整个系统,当然,系统切除过程中电压可能下降,系统切除故障后,能够恢复正常运行,生产不受任何影响。快切装置迅速判断是否母线以上故障(包含开关偷跳,

快速切换的波形图                  同期捕捉切换波形图

1  母线电压                          1  母线电压

2  主馈线电流                        2  备用馈线和母线电压间的差压

3  备用馈线电流                      3  主馈线电流

4  触发时间间隔                      4  备用馈线电流

5  无电流时间                        5  切换时间

上级主保护动作),将启动快切切换到备用电源,一般在100mS以内切换结束,系统电压几乎没有变化,冲击电流非常小,生产将顺利进行,系统真正实现无扰动切换。

当电源系统由于种种原因出现波动(晃电)时,即供电将短时间中断,快切低压启动实现快速切换,母线残压保持很高值,冲击电流小,同时设备是安全的,由于速度快,在0.5S低电压保护未动作前,母线电压已经恢复正常,即低电压保护不会动作,同时400V的交流接触器即使电压下降也不会失压脱钩,因而,系统将实现无扰动切换。如果400V6KV馈线发生故障,即使有的切除较长,电压下降也不会失压脱钩,系统的工艺流程都将正常进行,生产顺利进行。

对同步电动机而言,当系统发生异常时以及系统通过无扰动切换后,由于励磁调节装置具备失步检测、失步预防、失步后的保护和再整步功能,通过励磁调节装置使同步电动机不中断运行。即矿井的通风系统不会中断运行,同时整个生产系统包含运煤皮带也不会由于异常停止运转,使生产得到连续运行,使生产的安全性得到大大的提高。

无扰动平稳供电装置在整个系统两路电源同时波动时,将对比波形确认,一路发生故障时才启动装置;当系统中谐波大时,通过软件、硬件处理将准确得到真实数据确保装置的有极高可靠性和安全性。

 

实 施:

当系统安装设备后,还需要配合适的定值,保证切换的快速性、选择性、可靠性、灵敏性。同时切换装置另外具备手动操作功能,大大简化操作,减少操作失误的几率。

当系统出现异常时,无扰动平稳供电装置的自动投入可避免停电时间过长。即使一次简单的成功的切换,也可保证系统的持续工作,从而减少停电时间,节省了昂贵的重新启动的费用,即可补偿整个系统方案的投资,同时极大地降低了安全事故的发生概率。由此,可大大地提高了设备的可用性,降低成本,赢回投资,保证了生产的连续性。