10KV供配电系统电压暂降解决方案报告书.docx

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10KV供配电系统电压暂降解决方案报告书

湖北三宁化工股份有限公司

10KV供配电系统电压暂降解决方案

技术可行性报告

审批：

审核：

编制：

吴梅

尿素厂电气车间

2017年1月5日

1.系统参数

1.1110KV港宁站系统接线

1.2主要设备技术参数

1#主变：

额定容量：

Se=40MVA.

额定电压：

110/10.5（kV）

阻抗电压：

U12=16.6%

2#、3#主变：

额定容量：

Se=63MVA.

额定电压：

110/10.5（kV）

阻抗电压：

U12=12.03%

发电机参数（尿素配电中心Ⅳ段）：

额定功率：

25MW

额定电压：

10.5（kV）

超瞬变电抗：

15.8%（查发电机参数表得到）

目前1#主变、2#主变和3#主变分列运行，110kV变电站（2、3#主变10kV侧）断路器采用4000A/40kA。

110kV侧短路容量按照110kV侧断路器开断容量40kA的80%考虑；尿素配电中心Ⅰ段进线柜107接总站214联10KV8#母线、尿素配电中心Ⅱ段进线柜207接总站215联10KV8#母线、尿素配电中心Ⅲ段进线柜307接总站114联10KV9#母线、尿素配电中心Ⅳ段进线柜407接总站115联10KV9#母线，尿素配电中心Ⅳ段联有1台发电机。

2.短路电流计算

1.阻抗计算

2#主变和3#主变临时并列运行，按分列运行考虑；1#主变分列运行。

系统基准容量100MVA，基准电压10.5kV基准电流5.5kA.

系统供电电源短路容量SK3=

=6097MVA

系统X1’=

=0.0164

2#主变X2B’=0.1203

=0.191

3#主变X3B’=0.1203

=0.191

发电机XF’=0.158

=0.5056

2.2#（3#）主变10kV侧尿素配电中心Ⅰ段或Ⅱ段（尿素配电中心Ⅲ段）馈线短路电流

a.2#（3#）主变提供短路电流

b.发电机提供短路电流

c.电动机的反馈电流

根据用电设备类型：

2、3#主变变压器负荷率90%，电机类负荷按照90%考虑，非变频器类电机占电机总容量的90%。

2#主变和3#主变分列运行，电动机反馈电流按照5倍考虑。

电机反馈电流：

ID=

=12.62kA

2#（3#）主变10kV侧尿素配电中心Ⅰ段或Ⅱ段（尿素配电中心Ⅲ段）馈线短路总电流:

总电流有效值：

IK2=IK1+ID=39.14kA

短路电流峰值：

IMAX=

×39.14=55.35kA

短路冲击电流值：

ICJ=

×1.85×39.14=102.4kA

尿素配电中心Ⅳ段联有发电机，当尿素配电中心Ⅳ段发生短路故障短路总电流:

总电流有效值：

IK3=IK1+IF+ID=49.02KA

短路电流峰值：

IMAX=

×49.02=69.32kA

短路冲击电流值：

ICJ=

×1.85×49.02=128.25kA

3.系统存在问题

3.1短路电流超标

根据计算，尿素配电中心Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段分站出线发生短路故障时，短路电流都达到约40KA；若尿素配电中心Ⅳ段分站出线发生短路故障，短路电流更是达到49.02KA。

而尿素配电中心各分站出线开关开断能力为31.5KA，当发生故障时，断路器无法安全切断电路，可能造成触头熔接、爆炸等异常情况，甚至危害系统运行。

3.2电压暂降

三宁化工系统接线较为复杂，10KV总站和10KV分站较多。

任何10KV分站出现短路故障时，都会造成所在10KV总站的电压暂降。

以10kV尿素厂尿素配电中心Ⅰ段为例说明。

10kV尿素厂尿素配电中心Ⅰ段配电网络中心通过进线柜107接2#主变下的10KV8#母线214总站馈线开关。

当尿素配电中心Ⅰ段配电网络中心开闭所馈出线支路短路时，即使故障支路综保“0”秒速断切除短路，但切除时间至少需要70ms以上（综保判断及出口20ms以上，断路器动作40ms以上，燃弧时间10～20ms以上），若是后备过流保护切除故障则需要另外增加200mS以上。

综合现场情况：

尿素配电中心Ⅰ段配电网络中心开闭所馈出线短路时，故障切除时间70~300mS。

在此期间，10kV8#母线会产生电压跌落，首先造成10kV8#母线下其他开闭所部分相关负荷失电。

例如，尿素配电中心Ⅰ段出线短路故障，会造成10kV8#母线电压暂降，从而导致8#母线215开关下的尿素配电中心Ⅱ段部分负荷和磷肥厂部分负荷失电停运。

另由于用户负荷的大部分为高压电动机，在电压回升后，电机群会产生二次冲击。

二次冲击直接将母线电压拖低至70%Un，造成大量负荷跳闸。

电压凹陷对用电设备的影响具体在下面三个方面。

1）电压凹陷对继电器、接触器影响

二次控制元件在额定电压的70%下能可靠工作，当电压低于额定电压的70%时，接触器和继电器就有可能失电返回。

造成设备停运。

2）电压凹陷对电动机影响

当系统短路引起的电压凹陷发生后，因为电动机感抗的存在，此时异步电动机变成异步发电机，原有的磁场在旋转中切割定子，产生的定子电压对外部短路点提供反馈电流。

从定子侧看，此时电机等效出一个短路时间常数，该常数对3MW以下的电机而言一般为30ms左右，则100ms左右原有系统提供的磁场能量即可消耗完毕。

当电压凹陷故障结束时将会对电动机产生相当于全压启动时的大电流冲击。

3）电压凹陷对变频器影响

常用的变频器大都采用交-直-交电压型变频方式，下图是其原理图。

三相全波二极管整流电路将交流电压变成脉动的直流电压，跨接在直流母线上的电容一方面起到滤波的作用，可以减小电压的脉动，另一方面还具有储能的作用。

在外电压不能充电时，电容的电压降落是典型的指数函数：

，其中的

，Pn是电机的输出功率，C是电容值。

当电网出现电压凹陷时，直流母线电压高于交流侧电压，此时二极管受到反向电压而截止，交流侧无电流。

此时电容C上存储的电场能量

维持着向电机的运行，随着电场能量的消耗电容上的电压很快下降。

若电容两端电压下降到很低的水平，则当交流侧电压恢复时整流二极管完全有可能因受到大电流的冲击而损坏。

另外一个因素是，对于低压变频器而言其控制电源，包括开关电源和模块电源，往往取自电容C，也有的直接取自前置输入母线。

当凹陷发生时，同前所述，会导致变频器控制失电。

为了防止此类损害，变频器中设计了保护功能，即当直流电压

下降到U0的70%时，立即封锁变频器的触发脉冲，使电容器不再继续向电机提供能量，把残存的电压保持在0.7倍的U0。

如果从方程

解出时间t，我们得到：

也就是说，当电压凹陷发生后15.16ms时，变频器为保护自身不被损坏，将停止工作，电容不再向外输出能量

另一方面变频器承受过电压能力弱，通常1.2倍的额定电压即会引起变频器跳机。

3.3短路电流热效应

短路电流在电缆导体会产生热效应

。

热效应

-短路电流电源周期分量的起始有效值

电动机反馈电流电源周期分量的起始有效值

t-短路电流计算时间，包括主保护动作时间和断路器固有分闸时间，根据现场为施耐德断路器，综保为清华紫光，按中速取0.15s。

-电源短路电流周期分量的起始有效值（KA）

-电源非周期周期分量的衰减时间常数（s），U12=12.03%>10.5%，取0.06s。

-电动机反馈电流的衰减时间常数（s），取0.03s

则简化计算式

，代入数值，

=368.39KA².s（尿素配电中心Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段分站出线发生短路故障时），

=561.28KA².s（尿素配电中心Ⅳ段分站出线发生短路故障时）。

按照短路电流热效应校验电缆导体的截流面积。

式中，S-导体的载流截面（mm²）

—短路电流的热效应（A².s）

C-与导体材料及发热温度有关的系数，C值取铜排值137。

1）对于尿素配电中心Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段各分站出线电缆：

。

2）对于尿素配电中心Ⅳ段各分站出线电缆：

由用户电气主接线图可知，尿素配电中心各分站出线额定电流多为50A、100A和200A。

若按照载流量选型电缆截面只需35mm²、95mm²。

但由于短路热效应的存在，限定了尿素配电中心Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段分站出线选型电缆截面为150mm²、尿素配电中心Ⅳ段分站出线选型电缆截面为185mm²。

4.解决问题方案（SHK-ZRD母线残压保持装置）

4.1SHK-ZRD概述

ZRD由进口快速换流器、综合控制器、电流采集器、限流阻抗、后备开关等构成。

快速识别器通过高保真测量单元监视支路电流，当短路电流大于设定值，高速DSP通过专用算法1~2ms内快速精确的预测三相短路电流有效值，并发出动作信号。

装置中的换流器（换流开关即快速开关）在5ms左右快速开断，短路电流换流进入限流阻抗中，限制短路电流，短路电流幅值大大降低。

本装置可在支路发生短路故障6~16ms内，将母线残压保持在额定电压的90%以上，保证其他无故障支路敏感负载的正常工作。

同时主变等设备所受到的短路电流冲击大大降低。

分支内的短路故障切除后，测控单元检测支路电流接近额定电流时立即控制换流器合闸，限流高阻抗退出，系统即可恢复正常运行。

发生短路故障的支路在短路超过300ms，故障没有解除，本装置测控单元认为是故障点的分支路真空断路器拒动或支路的母线故障，立即给切离开关发出分闸命令，切除该支路。

装设SHK-ZRD的馈出线短路时，由于其切除故障的快速性，主母线电压凹陷的时间减少至20ms以内，系统中的变频器、接触器、电动机等敏感负荷不会停运。

同时由于20ms以内机端电压恢复90%以上，发电机强励也不会启动。

装置原理图见虚线框内

4.2现场实施方案

方案一：

利用现场尿素配电中心各分站原有107、207、307、407柜体，在原有柜体内部进行改造，加装VFC快速开关、电流互感器、限流阻抗等一次元件，柜体内原有手车断路器作为后备开关。

根据现场量取空间尺寸，进行一次元件初步示意，如下图。

侧视图

由上图示意，现场原有柜体安装空间不足，此方案现场不可实施。

方案二：

利用现场尿素配电中心电缆间，在原有107、207、307、407柜体正下方电缆间加装SHK-ZRD。

截断原有进线柜的电缆，将SHK-ZRD串入安装，107、207、307、407柜体内原有手车断路器作为后备开关，可由ZRD发信号跳闸。

根据现场量取尺寸，示意图如下。

侧视图

由上示意图，此方案具有可实施性，但会造成电缆间较为拥挤，必须截断电缆并重新连接，柜体为非标柜，亦不方便运维检修。

施工需要分站主母线停电检修，电缆的截断与连接施工周期较长。

方案三：

利用电缆夹层间南侧的空间，将4台SHK-ZRD柜体安装布置于此空间，截断原有进线柜的电缆将SHK-ZRD串入安装，107、207、307、407柜体内原有手车断路器作为后备开关，可由ZRD发信号跳闸。

根据现场量取尺寸，示意图如下。

俯视图

侧视图

由上示意图，此方案同样具有可实施性，但仍同样会造成电缆间较为拥挤，必须截断电缆并重新连接。

柜体为非标柜，亦不方便运维检修。

施工需要分站主母线停电检修，电缆的截断与连接施工周期较长。

方案四：

将尿素配电中心各分站原有107、207、307、407柜体退出，置换为SHK-ZRD，柜体原综保装置取消，后备开关由用户总站去各分站的出线断路器代替，可由ZRD发信号跳闸。

一次系统安装图如下（以尿素配电中心Ⅱ段207为例，其余同理）：

结构与尺寸（以下示意仅供参考，具体（相序及母排位置等）以设计图为准）

为方便并柜，SHK-ZRD柜宽度可减小少许。

此方案具有可实施性，置换柜体后亦方便运维检修，符合电力系统安全规范。

施工需要分站主母线停电检修，拆装每段主母排需2天时间。

5.SHK-ZRD母线残压保持装置安装效果

5.1限制分站母线短路电流

当发生短路故障时，SHK-ZRD装置中的换流器（换流开关即快速开关）在5ms左右快速开断，短路电流换流进入限流阻抗中，限制短路电流，短路电流幅值大大降低，保证了各分站出线开关安全正确的开断故障。

5.2保持母线电压

SHK-ZRD装置可在各分站发生短路故障6~16ms内，将10KV8#、10KV9#主母线残压保持在额定电压的90%以上，保证其他无故障支路敏感负载的正常工作。

5.3电缆热稳定

当发生短路故障时，SHK-ZRD投入限流阻抗，限制短路电流，短路电流幅值大大降低，同时短路电流热效应计算时间大大缩短（20ms以内），保证了各分站出线电缆的热稳定性。

6.SHK-ZRD母线残压保持装置选型

6.1负荷计算

根据现场负荷，尿素配电中心Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ段各分站最高总负荷约为25000KW，功率因数按照0.8，则最大负荷电流约为

，根据中电气设计中电气设备电流

，SHK-ZRD额定电流选取2500A；流经尿素配电中心Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ段各分站进线柜的最大短路电流39.14KA，SHK-ZRD额定短路开断电流选取50KA。

6.2建议设备型号：

上海合凯电力设备有限公司SHK-ZRD-3-10KV-2500A/50KA4台