基于機(jī)械快速開關(guān)的電壓暫降分級治理方案

摘要隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)自動化的發(fā)展，用電設(shè)備及生產(chǎn)過程對電壓暫降越發(fā)敏感，電壓暫降嚴(yán)重影響了現(xiàn)代工業(yè)園區(qū)企業(yè)的正常生產(chǎn)并造成重大經(jīng)濟(jì)損失?，F(xiàn)有的電壓暫降治理措施大多基于電力電子技術(shù)，治理設(shè)備造價高、損耗大、可靠性差、容量受限，且一般僅在局部單點(diǎn)實(shí)施，故難以適應(yīng)電壓等級高、用戶容量大、用電設(shè)備多的現(xiàn)代工業(yè)園區(qū)電壓暫降治理的需求。針對以上問題，在分析現(xiàn)有的電壓暫降治理措施的基礎(chǔ)上，提出了一種基于機(jī)械快速開關(guān)的電壓暫降分級治理方案。0?引言電壓暫降是指電力系統(tǒng)中某點(diǎn)工頻電壓方均根值突然降低至0.1p.u.～0.9p.u.，并在短暫持續(xù)10ms～1min后恢復(fù)正常的現(xiàn)象。在現(xiàn)代工業(yè)園區(qū)內(nèi)，以光電子、集成電路等半導(dǎo)體行業(yè)和整車制造、裝配等精密制造行業(yè)為代表的高端制造企業(yè)大量集中。企業(yè)大量用電設(shè)備包含可編程邏輯控制器、交流接觸器、繼電器、可調(diào)速驅(qū)動、直流電機(jī)驅(qū)動、變頻器等部件，其對電壓暫降極其敏感。電壓暫降已成為威脅現(xiàn)代工業(yè)園區(qū)設(shè)備安全運(yùn)行的重要因素，且用戶每年因電壓暫降問題造成的經(jīng)濟(jì)損失巨大：2011年國家發(fā)改委調(diào)查報(bào)告顯示，上海7個代表行業(yè)每年因電壓暫降問題造成的損失高達(dá)29.45億元人民幣；2016年6月至2017年6月期間，廈門國家火炬高技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)半導(dǎo)體制造行業(yè)重要用戶經(jīng)歷了近20次電壓暫降影響，企業(yè)自身統(tǒng)計(jì)經(jīng)濟(jì)損失近2億元。目前采用的電壓暫降治理措施主要分為2種：①通過系統(tǒng)優(yōu)化改造的方法降低發(fā)生電壓暫降問題的概率；②通過加裝電壓暫降抑制設(shè)備等方法減小電壓暫降的影響。第一種方法包括用地下電纜替代架空線、改變系統(tǒng)接線方式、優(yōu)化二次側(cè)保護(hù)裝置等技術(shù)措施，其缺點(diǎn)是改造成本高、工作量大。第二種方法包括不間斷電源（uninterruptiblepowersystem，UPS）、動態(tài)電壓恢復(fù)器（dynamicvoltagerestorer，DVR）、固態(tài)切換開關(guān)（solidstatetransferswitch，SSTS）等基于電力電子技術(shù)的治理設(shè)備。UPS的容量小，占用空間大，建設(shè)成本高、電池壽命短，且在線運(yùn)行電能損耗高。DVR控制策略的選擇依賴于負(fù)載的類型，較復(fù)雜，且不能對低于50%的電壓暫降進(jìn)行完全補(bǔ)償。SSTS可靠性低，建設(shè)成本較高，且在體積和損耗方面存在問題?，F(xiàn)代工業(yè)園區(qū)電壓等級高（110kV及以上）、用戶容量大（MW級）、敏感設(shè)備多，工業(yè)生產(chǎn)過程和運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，單獨(dú)采用以上任一方案均存在建設(shè)維護(hù)成本高、運(yùn)行可靠性差、損耗高等問題。近年來，基于渦流斥力原理的新型電磁斥力機(jī)構(gòu)機(jī)械快速開關(guān)（簡稱“機(jī)械快速開關(guān)”）逐漸發(fā)展成熟，因其速度性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性上的優(yōu)勢，被越來越多的應(yīng)用于電力系統(tǒng)故障限流、直流斷路器以及相控開關(guān)等諸多領(lǐng)域。這種機(jī)械快速開關(guān)分合閘速度達(dá)到毫秒級，能夠?qū)崿F(xiàn)“首波開斷”（1個周波以內(nèi)切除故障），與大功率電力電子器件相比，其造價較低、通態(tài)損耗較小，操動機(jī)構(gòu)簡單，可靠性高，更適用于大功率高壓應(yīng)用場景。針對現(xiàn)有方案存在的問題，本文以機(jī)械快速開關(guān)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)新型電壓暫降治理裝置，并應(yīng)用分級治理思想，依靠部署在各級的治理裝置和控制策略實(shí)現(xiàn)對電壓暫降的全面治理。1?機(jī)械快速開關(guān)及其關(guān)鍵技術(shù)1.1

基于電磁斥力的機(jī)械快速開關(guān)機(jī)械快速開關(guān)利用一種基于電磁斥力的新型快速操動機(jī)構(gòu)，因而具有分合閘速度快、可靠性高、造價較低、通態(tài)損耗較小等特點(diǎn)。其基本原理是：預(yù)先充電的電容器向分閘或合閘線圈放電，線圈中產(chǎn)生的脈沖電流在線圈周圍激發(fā)交變磁場，并在金屬盤（銅盤或鋁盤）上感應(yīng)出反向的渦流，渦流產(chǎn)生的磁場與線圈電流產(chǎn)生的磁場相互作用產(chǎn)生電磁斥力，帶動傳動桿以及觸頭運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)的快速分合閘操作，其結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1基于電磁斥力的機(jī)械快速開關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖開關(guān)在閉合狀態(tài)下，動靜觸頭之間會因流有電流而產(chǎn)生電磁斥力，為了維持閉合狀態(tài)，開關(guān)觸頭之間需要施加一定的合閘保持力。另外，開關(guān)在分?jǐn)酄顟B(tài)下，動靜觸頭之間需要保持一定的開距。為此，將一種具有非線性負(fù)荷特性的碟形彈簧安裝在操動機(jī)構(gòu)中。圖2所示為碟形彈簧負(fù)荷形變曲線，由于該彈簧具有與永磁機(jī)構(gòu)相似的雙穩(wěn)特性，因此在開關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上省去了復(fù)雜的鎖閂機(jī)構(gòu)。圖2蝶形彈簧負(fù)荷形變曲線示意圖儲能電容充放電回路的等效電路見圖3：T1為調(diào)壓器，T2為升壓變壓器；C為儲能電容；和分別為儲能電容的等效內(nèi)阻及內(nèi)部引線的電感；和分別為分合閘線圈的電感及等效電阻；為充電電阻；和分別為引線的電感及電阻；VD1為整流二極管；VD2為續(xù)流二極管，VT為晶閘管。儲能電容C在充電完成之后，便可通過晶閘管VT向分合閘線圈放電，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)的開斷與關(guān)合。在儲能電容兩端并聯(lián)了續(xù)流二極管VD2，其目的是防止放電電流對儲能電容C反向充電，同時起到提高放電效率的作用。圖3儲能電容充放電回路

1.2

人工過零為了解決交流電弧熄滅時間長的問題，運(yùn)用人工過零技術(shù)用以提高開關(guān)電器設(shè)備的開斷速度?；谌斯み^零法的開關(guān)電器設(shè)備示意見，其工作原理為：先分開主斷路器（CBm），待主開關(guān)電器設(shè)備電極分開至能夠承受恢復(fù)電壓時，再閉合換流開關(guān)（CB），換流電容（Cc）和換流電感（Lc）振蕩產(chǎn)生反向高頻振蕩電流（ic），強(qiáng)制電弧傳導(dǎo)回路電流（i1）即主電流（im）減小到零。2?電壓暫降綜合治理裝置基于機(jī)械快速開關(guān)設(shè)計(jì)公用電網(wǎng)級電源快速切換裝置（Ⅰ型）、園區(qū)電網(wǎng)級母線電壓保持裝置（Ⅱ型）、含儲能的用戶級電壓暫降綜合治理裝置（Ⅲ型）3套治理裝置。2.1基于機(jī)械快速開關(guān)的公用電網(wǎng)級電源快速切換裝置（I型）電源切換裝置由切換控制器、Ⅰ段電源進(jìn)線開關(guān)K1、Ⅱ段電源進(jìn)線開關(guān)K2組成。其工作原理見圖5，正常運(yùn)行時，Ⅰ段電源進(jìn)線開關(guān)K1處于合閘狀態(tài)，Ⅱ段開關(guān)K2處于分閘狀態(tài)，切換控制器實(shí)時檢測工備電源的電壓同期狀態(tài)。當(dāng)工作電源系統(tǒng)發(fā)生電壓暫降時，切換控制器控制K1跳閘，然后再合K2，實(shí)現(xiàn)15ms內(nèi)切換供電電源。圖5I型裝置原理圖2.2

基于機(jī)械快速開關(guān)的園區(qū)電網(wǎng)級母線電壓保持裝置（Ⅱ型）母線電壓保持裝置由傳統(tǒng)斷路器K1、母保開關(guān)K和母保電阻Z組成。其工作原理見圖6，正常工作時，母保開關(guān)K處于合閘狀態(tài)。當(dāng)發(fā)生電壓暫降時，Ⅱ型裝置判斷出故障后立即發(fā)出母保開關(guān)K分閘指令，將母保阻抗Z投入線路，補(bǔ)償本支路因短路而損失的阻抗，將本支路電流從短路值限制到額定電流以內(nèi)，從而維持了母線剩余電壓。圖6

Ⅱ型裝置原理圖2.3基于機(jī)械快速開關(guān)含儲能的用戶級電壓暫降綜合治理裝置（Ⅲ型）裝置由切換開關(guān)K和切換控制器組成，負(fù)載連接超級電容儲能裝置。其工作原理見圖7，電網(wǎng)正常情況下，敏感設(shè)備由電網(wǎng)供電，通過電網(wǎng)給超級電容充電并保持，同時逆變輸出與電網(wǎng)同步的AC400V或其他電壓等級的電源。當(dāng)發(fā)生短路時，快速切換開關(guān)控制器通過對故障進(jìn)行快速診斷，判斷故障是區(qū)內(nèi)或區(qū)外故障。若是區(qū)外故障并引起電壓暫降，則控制器在1ms內(nèi)立即發(fā)出切換指令，機(jī)械快速開關(guān)在3ms以內(nèi)將用電敏感設(shè)備從電網(wǎng)斷開，并切換至超級電容儲能，提供5s電壓支撐時間。圖7

Ⅲ型裝置原理圖3?電壓暫降分級治理方案3.1

分級治理思想現(xiàn)代工業(yè)園區(qū)涉及的電壓等級多，各電壓等級供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和主要用電設(shè)備對電壓暫降的耐受能力均有所不同?，F(xiàn)有的UPS、DVR、SSTS等電壓暫降治理方案，往往只在某電壓等級的供電系統(tǒng)局部位置安裝，若要將其應(yīng)用在企業(yè)每一電壓等級所有負(fù)荷上，所需治理設(shè)備數(shù)量多、體積大、造價高，基本不可能實(shí)施。例如，若在公共電網(wǎng)級（110kV）采用DVR技術(shù)做電壓支持，會因電壓等級高、容量要求大而使建設(shè)成本急劇升高。因此，本文提出電壓暫降分級治理思想，針對不同供電電壓等級電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和電壓暫降的影響特點(diǎn)，布置不同的電壓暫降治理裝置，經(jīng)濟(jì)、可靠的解決電壓暫降問題。由于對高可靠性的要求，現(xiàn)代工業(yè)園區(qū)企業(yè)公共電網(wǎng)級（110kV）一般有兩路電源進(jìn)線，一用一備，同時，整個企業(yè)內(nèi)且絕大多數(shù)用電設(shè)備都能耐受持續(xù)時間為15ms以內(nèi)的的電壓暫降。因此，在公用電網(wǎng)級采用基于快速機(jī)械開關(guān)的雙電源快速切換方案，在外部電網(wǎng)故障后15ms內(nèi)將供電切換至備用電源，可以保證該企業(yè)所有設(shè)備經(jīng)受的電壓暫降在15ms以內(nèi)。企業(yè)內(nèi)部中低壓配電網(wǎng)（35kV、10kV）接線復(fù)雜，且接在同一母線上的饋線眾多，所接負(fù)荷種類中有敏感負(fù)荷，也有容易發(fā)生故障的一般負(fù)荷。因此，在園區(qū)電網(wǎng)級采用棄少保多的母線電壓保持方案，當(dāng)母線的某一出線發(fā)生短路故障時，迅速隔離故障并投入母保阻抗限流，維持母線的電壓，從而保證接在此母線上的其他眾多饋線出線的敏感負(fù)荷不受影響。敏感負(fù)荷和精密制造工藝主要集中在380V電壓等級，工藝流程中電壓暫降最敏感設(shè)備宕機(jī)可能導(dǎo)致后續(xù)工序都被迫中斷。因此，在用戶設(shè)備級針對工藝流程中最敏感的關(guān)鍵設(shè)備采用含儲能的快切方案，故障時3ms內(nèi)將關(guān)鍵工藝設(shè)備供電切換到儲能電源，免受電壓暫降影響，保證整個生產(chǎn)過程正常進(jìn)行。3.2

方案實(shí)施結(jié)構(gòu)圖電壓暫降分級治理方案實(shí)施結(jié)構(gòu)見圖8：在企業(yè)兩路進(jìn)線電源端安裝雙電源快速切換裝置，實(shí)現(xiàn)15ms以內(nèi)的備用電源快速切換，避免企業(yè)內(nèi)部大多數(shù)負(fù)荷因外部電網(wǎng)故障遭受電壓暫降影響；在企業(yè)內(nèi)部關(guān)鍵母線的出線開關(guān)安裝母線殘壓保持裝置，當(dāng)此條出線發(fā)生故障時，通過機(jī)械快速開關(guān)進(jìn)行故障隔離，避免故障點(diǎn)對故障母線的影響，維持母線電壓；在企業(yè)內(nèi)部關(guān)鍵生產(chǎn)流程安裝含儲能的快切裝置，利用人工過零技術(shù)，實(shí)現(xiàn)故障時3ms內(nèi)將關(guān)鍵工藝設(shè)備供電切換到儲能電源，且能維持足夠的供電時間，等待暫降結(jié)束回切。圖8基于機(jī)械快速開關(guān)的分級電壓暫降治理方案結(jié)構(gòu)圖3.3

控制策略根據(jù)故障點(diǎn)的位置和類型，制定電壓暫降治理裝置的控制策略見表1。4分級治理方案實(shí)例4.1

實(shí)施用戶簡介國家級高新區(qū)廈門火炬高技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)內(nèi)某光電子企業(yè)，供電電壓等級高（110kV），用電容量大（4×63MVA），2016年6月至2017年6月期間共發(fā)生暫降事故14起，其工藝設(shè)備受影響較嚴(yán)重，停機(jī)1～2h，完全復(fù)電至正常工作需2～3天，類似一次事故損失達(dá)400萬～600萬元。4.2

具體實(shí)施方案將電壓暫降治分級理方案應(yīng)用于該企業(yè)，具體方案見圖9。圖9某企業(yè)電壓暫降分級治理方案實(shí)施結(jié)構(gòu)圖在Ⅰ段母線和Ⅱ段母線之間加裝基于機(jī)械快速開關(guān)的公用電網(wǎng)級電源快速切換裝置（Ⅰ型），解決Ⅰ段母線或Ⅱ段母線電壓暫降問題。當(dāng)1號110kV及以上線路發(fā)生短路故障，造成Ⅰ段母線電壓暫降，可實(shí)現(xiàn)15ms以內(nèi)將Ⅰ段母線快速切換至2號110kV線路，由此保證Ⅰ段母線及以下不受電壓暫降影響。同理，保證Ⅱ段母線電壓不受2號110kV線路故障導(dǎo)致的電壓暫降影響。在Ⅰ段母線加裝基于機(jī)械快速開關(guān)的園區(qū)電網(wǎng)級母線電壓保持裝置（Ⅱ型），解決Ⅰ段母線電壓暫降問題。當(dāng)10kV照明系統(tǒng)饋線發(fā)生短路，通過裝置Ⅱ型進(jìn)行快速故障隔離，在15ms內(nèi)切除故障點(diǎn)，防止其對故障母線的影響，維持Ⅰ段母線電壓。在曝光機(jī)（敏感設(shè)備）進(jìn)線處加裝基于機(jī)械快速開關(guān)含儲能的用戶級電壓暫降綜合治理裝置（Ⅲ型），解決曝光機(jī)電壓暫降問題。通過人工過零技術(shù)，實(shí)現(xiàn)故障時3ms內(nèi)將曝光機(jī)供電切換到儲能電源，且維持不低于5s的供電時間，等待電壓暫降結(jié)束回切，維持關(guān)鍵設(shè)備曝光機(jī)的供電。4.3

經(jīng)濟(jì)技術(shù)對比傳統(tǒng)的電壓暫降治理方案主要包括：在線式不間斷電源（UPS）、離線式應(yīng)急電源（UPS）、動態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR）和固態(tài)切換開關(guān)（SSTS）。針對供電電壓等級高（110kV），用電容量大（4×63MVA）的上述用戶，本方案與傳統(tǒng)方案的技術(shù)指標(biāo)對比如下：對電壓暫降持續(xù)時間的治理：在公共電網(wǎng)級，本方案雙電源快切時間為15ms，優(yōu)于SSTS方案（20ms）；在用戶設(shè)備級，本方案關(guān)鍵負(fù)荷供電切換時間為3ms，與DVR方案（2ms）相當(dāng)，優(yōu)于離線式UPS方案（10ms）。對電壓暫降幅值的治理：本方案可實(shí)現(xiàn)對任意電壓暫降幅值的100%補(bǔ)償，優(yōu)于DVR方案。在運(yùn)行損耗方面，本方案裝置運(yùn)行損耗為0，遠(yuǎn)優(yōu)于在線式和離線式UPS方案?？梢姳痉桨冈陔妷簳航抵卫硇Ч瓦\(yùn)行損耗等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)方案，技術(shù)指標(biāo)優(yōu)異。同時，由于不采用電力電子器件，在大容量高電壓應(yīng)用場合，具有可靠性高、維護(hù)簡單的特點(diǎn)，具有明顯技術(shù)優(yōu)勢。本方案與傳統(tǒng)方案的初期投資和后期運(yùn)維成本預(yù)算對比見表2。

可見本方案初始投資成本較低，且投資成本不會隨著電