隨著鋼鐵業(yè)的快速發(fā)展及改擴建,國內很多鋼鐵企業(yè)的供配電系統(tǒng)已存在著很大的安全隱患。近兩年發(fā)生較大電氣故障的案例就有幾十起,涉及到多家企業(yè),每次故障的間接損失都在1000萬元以上。
面臨種種慘痛教訓,目前各企業(yè)對電氣安全隱患都相當重視,均認識到電網的安全是企業(yè)發(fā)展的一項重要保障。某些設備故障,僅影響一個區(qū)域,而供配電系統(tǒng)故障,會造成全廠性停電。因此,防患于未然是當務之急。很多企業(yè)已經意識到電氣設備安全的重要性,并且投入大量資金完善電氣設備的監(jiān)測設施,卻是只治標不治本。
研究人員歸集、分析了各種電氣事故的根本原因,發(fā)現其主要集中在以下幾個方面:
一是鋼廠內部新增小型發(fā)電機組、改擴建項目,使得系統(tǒng)短路電流增加,原配置的斷路器開斷能力不夠,無法切斷故障時的短路電流,導致斷路器爆炸或著火。
二是繼電保護的保護定值有誤,配置不合理。由于系統(tǒng)的短路電流變化,而繼電保護定值沒有修改或增加新的保護功能,無法準確地切除故障點。
三是電纜發(fā)熱著火。系統(tǒng)短路電流增大,導致以前選擇的電纜熱穩(wěn)定不夠;電纜發(fā)生單相接地故障,沒有快速找到接地點,保護動作不及時;電纜敷設時沒有按照規(guī)范敷設,引起電纜正常運行時溫升較高,破壞了電纜的絕緣。
四是電能質量問題。供配電系統(tǒng)的諧波、電壓波動閃變、功率因數等電能質量指標惡化。諧波電流會引起電纜過熱、設備過電壓、計算機控制誤差等。
五是供配電系統(tǒng)的中性點接地方式不合理。
重視供配電系統(tǒng)的短路電流
短路電流是系統(tǒng)發(fā)生三相或兩相短路時,供電系統(tǒng)提供的很大電流。能夠提供短路電流的主要是供電設備及電動機,例如供電系統(tǒng)、發(fā)電機、同步電機、異步電動機。
為什么要關注短路電流?設計選擇斷路器(開關)、母線、電流互感器、電纜及繼電保護裝置等電氣設備時,很重要的一點就是要求這些設備在短路時,能夠可靠地將故障點快速切除,并且在發(fā)生故障時這些設備不能損壞。隨著國家電網的不斷發(fā)展,電網規(guī)模越來越強大,也就是供電系統(tǒng)的短路電流增加了,不是工程最初設計時的數據。
近年來各個鋼鐵企業(yè)開展節(jié)能減排工作,新建的小型發(fā)電機組不斷接入供配電網中,使供配電系統(tǒng)的短路電流發(fā)生變化。
總降變電所的主變運行方式也影響供配電系統(tǒng)的短路電流。例如,某鋼廠為了解決負荷平衡的問題,將總降的主變壓器并列運行,使10千伏側短路電流增大很多。
各工程設計單位在最初設計時,都須根據電力系統(tǒng)的短路電流,計算出供配電系統(tǒng)中各點的最大、最小短路電流。最大短路電流就是選擇斷路器、電流互感器、電纜等的關鍵參數,最小短路電流是校驗繼電保護靈敏度的關鍵參數。
如果供配電系統(tǒng)中的最大短路電流增加很多,超過了最初斷路器、電流互感器、電纜等的開斷能力或熱穩(wěn)定能力時,這些設備就存在安全隱患了,短路容易引起斷路器爆炸等事故。
發(fā)揮繼電保護的關鍵作用
繼電保護是在系統(tǒng)發(fā)生三相短路、兩相短路或用電設備內部故障時,能夠快速地將故障點切除,保證其他供電設備及用電設備不被損壞,以及非故障的供配電系統(tǒng)正常運行。
繼電保護的配置是設計單位在最初設計時考慮的,保護的方案須要考慮被保護設備的參數,以及供配電系統(tǒng)的短路電流。
當系統(tǒng)內接入發(fā)電機后,須對供配電網的保護裝置進行重新設計。例如,接入發(fā)電機的聯絡線是雙向電源,不同的短路點,流過聯絡線兩側斷路器的短路電流是不同的,因此聯絡線兩側斷路器的保護必須是雙向的。很多情況下,設計單位對發(fā)電廠外部的保護裝置都會忽略,如果這時聯絡線出現故障,繼電保護就不會動作,將使事故擴大。
供配電系統(tǒng)的短路電流變化后,須對供配電網的保護定值進行重新校核,必要時,應重新計算。實際上有相當一部分鋼鐵企業(yè),系統(tǒng)短路容量的變化而未及時調整原有設備的繼電保護,導致繼電保護拒動或誤動;在新建項目時往往只關注新建項目的繼電保護計算,而忽視上下級的配合,導致故障時越級跳閘,事故擴大。
正視諧波帶來的安全隱患
諧波電流是指高于50Hz頻率的電流,電弧爐、大型軋機、變頻器等均產生高次諧波。
諧波對連續(xù)軋機有影響,會造成電壓正弦波畸變,可能導致脈沖丟失或誤發(fā),引起軋機調節(jié)系統(tǒng)紊亂,軋機不能正常生產。高次諧波的存在,會導致晶閘管燒壞,快熔熔斷而影響生產。
諧波對異步電機的功率因數和最大轉矩都有影響,還可能引起附加損耗,噪音增大,嚴重時損壞絕緣。
諧波對電力電容器有影響。由于電容器的容抗和頻率成反比,電力電容器對諧波電壓最為敏感。諧波電壓加速電容器介質老化,介質損失系數tgδ增大,容易發(fā)生故障并縮短壽命。諧波電流易使電容器過負荷,出現不允許的溫升。電容器與電力系統(tǒng)還可能發(fā)生危險的諧振,此時電容器成倍地過負荷,響聲異常,熔斷器熔斷,使電容器無法運行,當在某一頻率下并聯電容器諧振時,則危及電氣設備的安全運行。
諧波對線路絕緣有影響。非正弦電壓使絕緣老化加速,泄漏電流增大,當出現高頻高振幅的諧波電壓分量時,可能引起放電并擊穿電纜,進而引起相間短路,使事故擴大。
諧波電壓使變壓器激磁電流增大,電磁噪聲增大,效率變低,并惡化其功率因數,影響變壓器壽命。
對諧波必須進行治理。這不單是為了避免供電局罰款,對我們自身的電氣設備也是有好處的。電能質量惡化會導致電纜(頭)事故、設備損壞、損耗增加、繼電保護誤動、功率因數不足或倒送罰款、電壓波動和閃變,而且電能質量引起的事故具有隱蔽性、隨機性,往往不易找到事故原因。因此,應對全廠供配電系統(tǒng)電能質量問題予以足夠的重視。
電纜緣何發(fā)生火災事故
前面所說的短路電流對電纜有影響,在選擇電纜時都要校驗短路熱穩(wěn)定,要求電纜必須能承受3秒的短路電流。如果該參數不滿足,在短路發(fā)生時,就會引起電纜著火。
諧波對電纜有影響,會造成電纜擊穿。
電力系統(tǒng)的接地方式,對電纜的絕緣也有不同要求。不接地系統(tǒng)在發(fā)生接地時,會產生過電壓,并且可以帶故障運行2小時。如果故障不能快速排出,會使故障擴大。
電纜敷設方式不對,也會影響電纜的壽命。正常規(guī)范要求動力電纜在敷設時,每根電纜之間必須留一定的距離,保證電纜的散熱。對于單芯電纜,有品字排列和一字排列,選擇電纜時就決定了電纜的排列方式。有些施工單位不注意圖紙要求,隨便布置,造成電纜發(fā)熱嚴重,加速電纜絕緣的老化,易引起電纜接地故障。
電纜故障點最多的是電纜頭,目前使用的電纜頭有兩種,分熱縮和冷縮。熱縮頭成本較低,但是對施工水平要求較高,因施工質量不好引起的事故率較高;冷縮頭的施工相對簡單,故障率比熱縮頭低,目前采用較多,選擇質量好的電纜頭非常必要。加強對電纜頭的監(jiān)視,也可以有效避免電纜故障。
如何排除供配電系統(tǒng)隱患
如何提前發(fā)現供配電系統(tǒng)存在的各種安全隱患,應該從以下方面診斷出影響鋼鐵企業(yè)電網安全的根本原因:
一是進行全廠供配電系統(tǒng)的短路電流分析。
二是根據短路電流對電氣設備進行校驗,采取措施保證電氣設備開斷能力和熱穩(wěn)定、動穩(wěn)定等參數符合短路要求。
三是根據短路電流對繼電保護進行全面校核,完善繼電保護裝置,確定新的保護定值,校驗保護的上下級配合是否合理。
四是對于新建的發(fā)電機須進行接入電網分析,保證在發(fā)電機接入后系統(tǒng)的短路電流及潮流分配均合理。
五是對整個供配電系統(tǒng)進行潮流分析,保證負荷分配合理,每臺主變的負載率均衡,避免出現有的主變過載而有的主變負荷率很低,避免為了負荷平衡將主變并列運行,增加短路電流負擔。
六是對系統(tǒng)的電能質量進行分析,采取措施減少諧波、無功沖擊等,保證功率因數在0.9以上,減少無功損耗。