丁 鹤
铜陵有色设计研究院有限责任公司机电加工工程室，安徽 铜陵 244000
随着我国社会经济的发展，对供配电系统电能质量的要求也逐步提高。在工业应用领域，当输配电系统中发生短路故障、同（异）步电动机启动、雷击、开关操作、变压器及电容器组的投切等事件时，都可能引起电压暂降。其中，同（异）步电动机启动是引起电压暂降的最主要原因，而电力系统短路容量是同（异）步电动机启动电压暂降最重要的一个影响因素。
1.1 定义
电力系统电压暂降可以引起短路故障，甚至影响敏感设备的正常运行。电压暂降是根据电压幅值方均根的变化定义的，电压暂降是指电压下降[1]，持续时间为半个周波到几秒。受电压暂降影响最大的设备有工业流程控制器、可编程序控制器（PLC）、可调速驱动器及机器人系统，电压暂降可能会损坏基于微处理器的数字控制设备的数据。
1.2 原因
电压暂降一般由电网和变电设施的故障或负荷突然出现大的变化（如大功率设备启动等）引起，在某些情况下，会出现2次甚至更多次的连续跌落或中断[2]。电压暂降的具体原因如下。
（1）自然原因：雷击、闪电、暴雨、大风及下雪等；
（2）电力系统原因：短路故障、大电机启动、线路切换、变压器和电容器投切、配电装置故障感应电机（大功率）启动等；
（3）不可预知的偶然事件：交通事故、建筑施工造成输电线损坏、人为操作失误及一些小动物进入配电室等。
1.3 持续时间
针对电压暂降的持续时间，SEMI中国信息控制标准技术委员会组织的电能质量专题小组做了实验，在全美洲22站点进行电能质量研究，共记录到1 076个电压暂降事件。其中，在绿色线上方的电压暂降的数量占总数的93%，仅有6个事件为断电且都在1 s以内，仅有3个事件超过2 s。
依据《工业与民用供配电设计手册（第四版）》[3]上册第478～479页的相关描述，电动机启动时，其端子电压应能保证被拖动机械要求的启动转矩，且在配电系统中引起的电压暂降不应妨碍其他用电设备的工作。即电动机启动时，配电母线上的电压应符合下列要求。
（1）在一般情况下，电动机频繁启动时，电压不应低于系统标称电压的90%；
电动机不频繁启动时，电压不宜低于系统标称电压的85%。
（2）配电母线上未接照明负荷或其他对电压下降敏感的负荷，且电动机不频繁启动时，电压不应低于系统标称电压的80%。
（3）配电母线上未接其他用电设备时，可按保证电动机的启动转矩的条件决定；
对于低压电动机，还应保证接触器线圈的电压不低于释放电压。
3.1 工程概况
笔者作为电气专业负责人于2019—2020年主持了铜陵有色金属集团股份有限公司金冠铜业铜冶炼渣资源综合利用项目施工图的相关电气专业设计工作，该工程的主要子项有渣包维修间、渣缓冷变电所、渣破碎及运输、磨浮工序、磨浮10 kV配变电所、脱水工序、脱水变电所、渣选矿循环水系统及厂区综合管网等。
3.1.1 系统接线
根据工程的工艺流程、车间划分、负荷大小及分布情况，在磨浮厂房东附跨设置1座磨浮10 kV配电所，采用单母线分段方式接线，两回10 kV电源分别引自“双闪”厂区110/10.5 kV总降压变电站不同段10 kV母线。正常情况下，10 kV配电所单母线分段运行；
当一回线路故障或检修时，由另一回线路带全部负荷。经校验，每回10 kV电源线路供电能力及对应总降所内出线开关供电容量均能满足该10 kV配电所全部负荷的用电需要[4]。
考虑到湿式溢流型球磨机容量较大（4 800 kW），其两回10 kV电源直接引自“双闪”厂区110/10.5 kV总降压变电站不同段10 kV母线[5]。
3.1.2 系统配置
该工程在磨浮厂房东附跨设有1座10/0.4 kV车间变电所，内设2台电力变压器，额定容量均为2 500 kVA，其10 kV电源分别引自磨浮10 kV配电所不同段10 kV母线，低压侧采用单母线分段方式接线。正常运行时，2台变压器分列运行，母联断开；
当一回10 kV电源或变压器故障或检修时，另一变压器能承担该变电所全部主要生产负荷，同时在该变电所低压侧设置电容器无功自动补偿装置。车间变电所为附设式布置，并与低压配电室合建。变压器采用SCB11节能型干式变压器，低压配电柜选用MNS型抽屉式低压开关柜，低压接地系统采用TN-S系统[6]。
3.2 参数设置
为了研究湿式溢流型球磨机同步电动机启动电压暂降，需要计算原始参数[7]。
（1）电动机额定功率：4 800 kW；
额定功率因数：0.9（超前）；
额定转速：200 r/min；
直接启动电流倍数：4倍；
额定电压：10 kV；
额定电流：321 A；
启动转矩倍数：0.42。
（2）系统预接负荷无功功率：3.77 Mvar；
最小运行方式下配电10 kV母线短路容量：120 MVA；
供配电系统基准短路容量：100 MVA。
（3）同步电动机数量：1台；
同步电动机供电电源电缆型号规格：ZR-YJV-8.7/10 kV-2（3×120）；
线路电抗：0.095 Ω/km；
供电距离：0.1 km。
3.3 同步电动机启动电压暂降的计算
依据《工业与民用供配电设计手册（第四版）》上册第482页表6.5-4的全压启动相关计算思路，进行同步电动机启动电压暂降计算：
（1）额定启动容量=4×4 800÷0.9×10-3=21.33 MVA；
（2）启动时启动回路的计算容量=1÷[1÷21.33+（0.095×0.1）÷2÷10.52）]=21.277 MVA；
（3）配电10 kV母线电压相对值=1.05×120÷（120+3.77+21.277）=0.868 7。
应业主单位生产运行要求，同步电动机在生产过程中需要频繁启动，其配电10 kV母线电压相对值在电动机频繁启动时不应低于系统标称电压的90%（0.9）[8]，而0.868 7＜0.9，故此台同步电动机在电力系统中不能全压启动，否则会给整个供配电系统及其他用电设备（如照明等敏感负荷）带来明显干扰，使同一供配电系统中相关照明灯具照度降低，导致系统中电子控制器不能正常工作，生产过程中断、服务器瘫痪、用户端数据丢失和出错，以及低压电动机接触器线圈的电压低于释放电压等电气故障。无论从安全还是经济方面，都会给用电企业造成巨大的经济损失和用电安全隐患，大大降低了电能质量，极大地增加了业主的电能使用成本。
根据上述分析，高压同步电动机采用安全合理的启动方式显得尤为重要。若供配电系统的外部供电电网短路容量不够大，就要从供电部门、用户与用电设备厂商等多方面考虑应对措施。
4.1 优化高压同步电动机的启动
4.1.1 现有启动方式的不足
采用变压器-电动机组启动、串联电抗器降压启动、自耦变压器降压启动及高压软启动等启动方式都可以有效降低同步电动机启动电流，从而明显减小同步电动机启动时的启动回路计算容量，使其频繁启动时配电10 kV母线电压相对值不低于系统标称电压的90%。虽然可以提高电能质量，且满足电力系统电压暂降相关的正常运行要求，保障供配电系统各用电设备的正常运行，但各种非全压启动方式增加了业主的用电成本。例如，需要新增采购同步电动机专用配电变压器、高压电抗器、自耦变压器及高压软启动装置等，从经济性考虑，不能当作最理想的启动方案。
4.1.2 启动优化：增加母线短路容量
为了满足经济全压启动的同步电动机安全使用要求，在企业相关10 kV供配电设备继电保护正确使用动作的前提下，笔者通过业主单位联系了该企业的相关供电部门。经业主单位同意，相关供电部门适当地增加了供电系统的短路容量，使最小运行方式下企业的同步电动机配电的10 kV母线短路容量增加到了180MVA。
此时，配电系统10 kV母线电压相对值为1.05×180÷（180+3.77+21.277）=0.921 7＞0.9，同步电动机配电的10 kV母线电压相对值在电动机频繁启动时可以大于系统标称电压的90%，使得此台同步电动机在电力系统中可以全压启动。
4.2 减少故障数量
可以通过减少故障数量解决电压暂降问题。为了减少故障数量，需要增加对电力系统的维护强度。例如，在架空线入地、架空线外加绝缘；
对剪树作业严加管理；
架设附加的屏蔽导线以提高绝缘水平；
增加维护和巡视的频率；
提高用电设备的抗电压暂降等干扰的能力等。
4.3 缩短故障清除时间
除了减少故障数量，也可以通过缩短故障清除时间来控制电压暂降问题。例如，采用有限流作用的熔断器和快速故障限流器、高速固态切换开关、快速电流断路器等装置；
通过缩小继电保护分级区域的方法，以牺牲选择性为代价来缩短故障清除时间；
采用速动后备保护等。
4.4 改变供电方式
为了改变供电方式，提高供电稳定性，可以在敏感负荷附近加设供电电源；
可以采用母线分段或多设配电站的方式来限制同一供电母线上的馈线数，以缩小故障的影响范围等。此外，需要选择合适的电动机启动方式，以确保电动机启动时造成的电压降在允许的范围内。
4.5 安装附加设备
可以在供电系统与用电设备的接口处安装附加设备，如不间断电源（UPS）、动态电压调节器（DVR）及配电型静止补偿器（DSTATCOM）等。常用的附加设备是UPS和DVR，具体分析如下。
4.5.1 UPS
UPS作为敏感负荷的备用电源，可有效清除系统电压骤降或瞬时中断对负荷的干扰。UPS的容量有限，一般不超过兆瓦级，对于提高大型敏感工业用户的供电质量有局限性。此外，UPS造价较高，在很大程度上制约了UPS的应用范围。
4.5.2 DVR
DVR是用来补偿电压暂降、提高下游敏感负荷供电质量的串联补偿装置，通常安装在电源与重要负荷的馈电线路之间。在正常供电状态下，DVR处于低损耗备用状态；
在供电电压发生突变时，DVR可在几毫秒内产生一个与电网同步的三相交流电压，该电压与源电网电压相串联，可以补偿故障电压与正常电压之差，从而让馈线电压恢复到正常值。
综上所述，各用电企业在实际条件允许的情况下，应该尽量用更大短路容量的供电电网对企业供电。这不仅可以使企业各供配电设备的继电保护正确动作，也可以避免或减少企业对于各用电设备（如电动机降压启动装置）的投入，极大地减少企业电能使用维护的相关费用，在一定程度上降低企业的运行经济成本，从而保证企业供配电系统长久、平稳、安全、可靠地运行。
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