楊麗茹1，張啟超1，鄒 濤1，馬 晴1，徐方維，郭 凱

(1.中國(guó)石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司輸氣管理處,四川 成都 610213；2.四川大學(xué)電氣工程學(xué)院,四川 成都 610065)

0 引 言

隨著中國(guó)能源形勢(shì)的不斷緊張和環(huán)境問(wèn)題的突出，天然氣長(zhǎng)距離輸氣管道工程越來(lái)越多[1]。壓氣站是天然氣長(zhǎng)距離輸氣管道工程的重要組成部分，通過(guò)站內(nèi)壓縮機(jī)組對(duì)天然氣加壓實(shí)現(xiàn)天然氣遠(yuǎn)距離輸送。一旦發(fā)生壓縮機(jī)組停機(jī)，將會(huì)造成管網(wǎng)壓力降低，影響管網(wǎng)的正常輸氣任務(wù)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至影響某一區(qū)域的穩(wěn)定[2-3]。

某壓氣站投產(chǎn)后，先后多次發(fā)生因電壓暫降(石化行業(yè)又稱(chēng)“晃電”)導(dǎo)致的壓縮機(jī)異常停機(jī)故障。其中，既有因高壓電網(wǎng)電壓暫降致使變頻器退出運(yùn)行導(dǎo)致壓縮機(jī)組停機(jī)，也有因低壓輔助系統(tǒng)設(shè)備遭受電壓暫降發(fā)生故障導(dǎo)致的壓縮機(jī)組停機(jī)。針對(duì)壓氣站壓縮機(jī)組電壓暫降問(wèn)題，現(xiàn)有研究主要集中于改變供電方式[4-5]、加裝補(bǔ)償設(shè)備[6-8]和改造用電設(shè)備[9-10]3個(gè)方面：1)改變供電方式是指通過(guò)輸電側(cè)進(jìn)行改造，減少壓氣站的電壓暫降頻次。文獻(xiàn)[4]分析了壓氣站變電站供電方式、運(yùn)行方式和負(fù)荷分配等對(duì)壓氣站供電可靠性的影響，提出了提高天然氣壓氣站供電系統(tǒng)可靠性的技術(shù)措施。文獻(xiàn)[5]提出了一種采用柔性直流配電技術(shù)供電的壓氣站供電方案，可以提高壓氣站供電系統(tǒng)的可靠性。但是柔性直流配電建設(shè)周期長(zhǎng)、投資較大，且對(duì)于現(xiàn)有壓氣站直流配電改造難度大，難以應(yīng)用于實(shí)際。2)加裝補(bǔ)償設(shè)備是指在壓氣站供電系統(tǒng)中合適位置安裝電壓暫降治理裝置緩解電壓暫降造成的影響。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了壓縮機(jī)組雙電源同期備自投裝置，發(fā)生電壓暫降時(shí)可以實(shí)現(xiàn)雙電源無(wú)縫切換。文獻(xiàn)[7]提出可以采用加裝快切裝置和動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償器(dynamic voltage restorer，DVR)來(lái)實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)組電壓暫降治理。文獻(xiàn)[8]提出可以加裝防晃電接觸器提升壓縮機(jī)組輔助系統(tǒng)的電壓暫降耐受能力。3)改造用電設(shè)備是指對(duì)壓縮機(jī)組的主要用電設(shè)備進(jìn)行改造，提升設(shè)備的電壓暫降耐受能力。文獻(xiàn)[9]提出采用Z源逆變器來(lái)提高壓縮機(jī)組變頻器的電壓暫降耐受能力。文獻(xiàn)[10]提出可以通過(guò)啟用變頻器低電壓穿越功能來(lái)維持電壓暫降期間壓縮機(jī)組的正常運(yùn)行。

現(xiàn)有文獻(xiàn)提出了一些壓氣站壓縮機(jī)組電壓暫降治理措施，但是沒(méi)有從壓氣站內(nèi)敏感設(shè)備電壓暫降耐受機(jī)理出發(fā)，分析壓氣站敏感設(shè)備及其連接關(guān)系與電壓暫降對(duì)壓氣站生產(chǎn)設(shè)備的影響。針對(duì)壓氣站電壓暫降特征水平與敏感設(shè)備耐受能力，下面提出合適的治理方案。

為了減少壓縮機(jī)組因電壓暫降停機(jī)次數(shù)，提高壓氣站電壓暫降治理水平，以某2個(gè)壓氣站為例，通過(guò)分析壓氣站電壓暫降特征水平與站內(nèi)敏感設(shè)備故障概率提出了壓氣站電壓暫降分級(jí)治理方案。首先，分析了壓氣站內(nèi)電壓暫降敏感設(shè)備類(lèi)型、分布與連接關(guān)系；然后，分析了敏感設(shè)備電壓暫降耐受機(jī)理，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)，基于核密度估計(jì)的方法擬合壓氣站的電壓暫降特征水平，結(jié)合敏感設(shè)備耐受能力，分析敏感設(shè)備對(duì)電壓暫降的兼容性；最后，根據(jù)壓氣站供用電設(shè)備特性提出有效的電壓暫降問(wèn)題分層分級(jí)治理方案。

1 壓氣站電壓暫降敏感設(shè)備及其連接關(guān)系分析

1.1 壓氣站供用電設(shè)備分析

1.1.1 壓氣站供電系統(tǒng)

壓氣站變電站主要為站內(nèi)壓縮機(jī)組、輔助系統(tǒng)、低壓配電設(shè)施提供動(dòng)力電源。以某2個(gè)壓氣站為例，分別記為T(mén)站與J站。T站電氣接線如圖1所示，35 kV變電站主要包含2條35 kV進(jìn)線回路和3臺(tái)容量為10 MVA有載調(diào)壓油浸式變壓器。

圖1 壓氣站變電站T站電氣接線

2條35 kV進(jìn)線通過(guò)3臺(tái)主變壓器降壓到3段10 kV母線。3段10 kV母線分別通過(guò)3條出線連接隔離變壓器，隔離變壓器二次側(cè)通過(guò)電纜接入變頻器，經(jīng)變頻器功率單元調(diào)制后引出6 kV饋線為電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力源，達(dá)到調(diào)頻變速的目的；另外10 kV I段和II段母線分別經(jīng)2臺(tái)廠區(qū)配電變壓器降壓到2段400 V母線，為站內(nèi)低壓電氣設(shè)備供電。

圖2 壓氣站變電站J站電氣接線

J站電氣接線如圖2所示，與T站供用電結(jié)構(gòu)相似，僅供電電壓等級(jí)不同，T站供電電壓等級(jí)為35 kV，J站供電電壓等級(jí)為110 kV。

1.1.2 壓氣站主要用電設(shè)備

2個(gè)壓氣站主要用電設(shè)備相同，主要包括6 kV電壓等級(jí)下的壓縮機(jī)組主系統(tǒng)設(shè)備和400 V電壓等級(jí)下的壓縮機(jī)組輔助設(shè)備。壓氣站主要用電設(shè)備如表1所示。主系統(tǒng)設(shè)備主要包括變頻裝置、壓縮機(jī)主電動(dòng)機(jī)；壓縮機(jī)組輔助設(shè)備主要包括空壓機(jī)系統(tǒng)、壓縮機(jī)主電動(dòng)機(jī)水冷系統(tǒng)、潤(rùn)滑油系統(tǒng)及后空冷機(jī)組。

表1 壓氣站主要用電設(shè)備

1.2 壓氣站敏感設(shè)備連接關(guān)系分析

1.2.1 壓氣站敏感設(shè)備分析

壓氣站壓縮機(jī)組使用到的電壓暫降敏感設(shè)備包括變頻器、可編程邏輯控制器(programmable logic controllers,PLC)、變頻電動(dòng)機(jī)、電磁閥和部分異步電動(dòng)機(jī)。當(dāng)壓氣站發(fā)生電壓暫降時(shí)，這些敏感設(shè)備會(huì)因電壓幅值的降低而停機(jī)或故障運(yùn)行。

1)變頻器

主系統(tǒng)變頻器的功率單元是變頻裝置實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速輸出的重要結(jié)構(gòu)，額定容量為8.5 MVA，設(shè)置有欠電壓保護(hù)。壓氣站變頻器結(jié)構(gòu)如圖3所示。當(dāng)壓氣站10 kV母線發(fā)生電壓暫降而使輸入電壓低于0.9倍額定值時(shí)，將引起變頻裝置的欠電壓保護(hù)動(dòng)作，使壓縮機(jī)組轉(zhuǎn)速下降或停機(jī)。

圖3 壓氣站變頻器結(jié)構(gòu)

2)PLC

PLC電源模塊遭受電壓暫降時(shí)，可能會(huì)使電源模塊輸出電壓減小或退出運(yùn)行，會(huì)發(fā)生輸入模塊、輸出模塊或 CPU 因電源供電不足而出現(xiàn)錯(cuò)誤或停止工作[11]。PLC電源模塊功能結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 PLC電源模塊結(jié)構(gòu)

發(fā)生電壓暫降時(shí)，輸入電壓減小，從而導(dǎo)致直流側(cè)的電容器C開(kāi)始放電，直流側(cè)電壓降低，當(dāng)?shù)陀诰S持直流穩(wěn)壓器正常運(yùn)行所需的最低電壓Umin時(shí)，使得PLC模塊出現(xiàn)錯(cuò)誤或停止工作。

設(shè)電源模塊暫降期間所連接的負(fù)載為恒定功率P，U0為電源模塊正常運(yùn)行時(shí)額定輸出電壓，Ut為暫降發(fā)生t秒后直流側(cè)電壓，則有

(1)

如果U0>Ut且Ut>Umin，則PLC仍可繼續(xù)正常運(yùn)行一段時(shí)間；當(dāng)Ut=Umin時(shí)，則PLC可繼續(xù)正常運(yùn)行的最大持續(xù)時(shí)間Tmax為

(2)

3)變頻電動(dòng)機(jī)

對(duì)于壓氣站內(nèi)一般的變頻驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，如工藝后空冷風(fēng)機(jī)和變頻水冷泵電動(dòng)機(jī)等，變頻調(diào)速器(variable-frequency devices,VFD)基本結(jié)構(gòu)如圖5所示，VFD由整流器、直流耦合環(huán)節(jié)、逆變器構(gòu)成。當(dāng)發(fā)生電壓暫降時(shí)，輸入端電壓突然降低，使得直流電容放電，觸發(fā)欠電壓保護(hù)跳閘。此外，電壓暫降發(fā)生后直流電容充電也可能會(huì)瞬時(shí)過(guò)電流保護(hù)，導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)。VFD 保護(hù)措施主要包括欠壓保護(hù)和過(guò)流保護(hù)[11]。

圖5 VFD基本結(jié)構(gòu)

4)電磁閥

電壓暫降會(huì)導(dǎo)致電磁閥的電磁線圈磁能不足而脫扣，使得電磁閥誤動(dòng)作。電磁閥的結(jié)構(gòu)原理如圖6所示，主要由動(dòng)鐵芯、閥體、電磁線圈和恢復(fù)力彈簧組成。電磁線圈通電時(shí)，吸引動(dòng)鐵芯動(dòng)作帶動(dòng)閥芯至相應(yīng)位置，控制氣體通過(guò)；電磁線圈斷電時(shí)，磁力消失，閥芯在恢復(fù)彈簧彈力的作用下復(fù)位，電磁閥關(guān)閉。電磁線圈雖然具有一定的磁儲(chǔ)能作用，但在電壓暫降期間，如果持續(xù)時(shí)間稍長(zhǎng)，將使得電磁線圈提供的電磁力減小，不能抵消恢復(fù)彈簧彈力，從而導(dǎo)致電磁閥關(guān)閉。

圖6 直動(dòng)式電磁閥基本結(jié)構(gòu)

小氣隙時(shí)接觸器內(nèi)瞬時(shí)電磁力可以表示為[12]

(3)

式中：Φ為瞬時(shí)磁通量；μ為空間磁導(dǎo)率；S為磁極的橫截面積。因此瞬時(shí)電磁力與瞬時(shí)磁通的平方值有關(guān)。設(shè)電磁線圈脫離所需的最小電磁力為Fm。此時(shí)瞬時(shí)磁通為

Φm=2μSFm

(4)

假定線圈自感是恒定的且對(duì)磁通占據(jù)主導(dǎo)地位，將Φm對(duì)時(shí)間進(jìn)行微分，并與線圈的總匝數(shù)N相乘可近似獲得使電磁閥保持連通狀態(tài)的最小電壓Umin為

(5)

5)異步電動(dòng)機(jī)

雖然異步電動(dòng)機(jī)通常對(duì)電壓暫降不敏感，但因電壓暫降產(chǎn)生的許多其他因素會(huì)使電動(dòng)機(jī)停運(yùn)，如轉(zhuǎn)矩振蕩、機(jī)械涌流等，導(dǎo)致生產(chǎn)過(guò)程中斷。

1.2.2 敏感設(shè)備連接關(guān)系分析

壓氣站內(nèi)用電設(shè)備的電壓暫降耐受特性與設(shè)備間邏輯連接關(guān)系有關(guān)。合理刻畫(huà)壓縮機(jī)組生產(chǎn)過(guò)程下設(shè)備間的邏輯關(guān)系，是準(zhǔn)確描述和分析壓縮機(jī)組生產(chǎn)過(guò)程對(duì)電壓暫降耐受特性的前提。

1)主系統(tǒng)

在變頻驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)運(yùn)行這一過(guò)程中，隔離變壓器、變頻器功率單元與壓縮機(jī)主電動(dòng)機(jī)構(gòu)成邏輯串聯(lián)關(guān)系，變頻器與壓縮機(jī)主電動(dòng)機(jī)對(duì)電壓暫降的響應(yīng)存在先后次序。變頻器驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)主電動(dòng)機(jī)過(guò)程如圖7所示。

圖7 變頻器驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)主電動(dòng)機(jī)過(guò)程

2)輔助系統(tǒng)

以壓氣站輔助系統(tǒng)中的水冷系統(tǒng)為例，站內(nèi)的3套變頻裝置均配有水冷系統(tǒng)，水冷系統(tǒng)的電源分別由相應(yīng)壓縮機(jī)1UMDS柜提供，額定電壓為380 V。變頻水冷系統(tǒng)組成設(shè)備如圖8所示。變頻水冷過(guò)程的完成包括了2臺(tái)循環(huán)泵電動(dòng)機(jī)、1個(gè)電磁閥、2個(gè)電動(dòng)閥和6臺(tái)水冷風(fēng)機(jī)。當(dāng)發(fā)生電壓暫降時(shí)，交流接觸器、電動(dòng)閥、電磁閥與水冷風(fēng)機(jī)均同時(shí)受到電壓暫降的影響，因此構(gòu)成并聯(lián)邏輯關(guān)系，任一設(shè)備的故障均會(huì)使變頻水冷系統(tǒng)受到干擾甚至過(guò)程中斷；2臺(tái)電動(dòng)機(jī)經(jīng)交流接觸器接入電源，只有當(dāng)接觸器因電壓暫降失效跳閘時(shí)，電動(dòng)機(jī)的供電才會(huì)中斷，因此交流接觸器與循環(huán)泵驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、交流接觸器與補(bǔ)水泵電動(dòng)機(jī)構(gòu)成邏輯串聯(lián)關(guān)系。

圖8 變頻水冷系統(tǒng)組成設(shè)備

2 壓氣站的電壓暫降特征水平與敏感設(shè)備兼容性分析

2.1 壓氣站的電壓暫降特征水平分析

根據(jù)壓氣站內(nèi)電壓波動(dòng)事件的記錄信息，得到壓氣站電壓暫降事件的頻次、持續(xù)時(shí)間、幅值的分布特點(diǎn)以及對(duì)壓縮機(jī)組運(yùn)行的影響，是針對(duì)性治理電壓暫降問(wèn)題的關(guān)鍵步驟之一。壓氣站T站和J站一年內(nèi)的電壓暫降特征分布分別如圖9和圖10所示。

圖9 壓氣站T站10 kV母線電壓暫降頻次

根據(jù)監(jiān)測(cè)得到的電壓暫降特征分布，基于核密度估計(jì)的方法對(duì)電壓暫降特征分布進(jìn)行擬合，得到壓氣站接入點(diǎn)電壓暫降特征概率分布。

圖10 壓氣站J站10 kV母線電壓暫降頻次

設(shè)Ui和Ti分別為壓氣站第i次電壓暫降的幅值和持續(xù)時(shí)間，則壓氣站電壓暫降的幅值和持續(xù)時(shí)間的概率密度函數(shù)f(U)和f(T)為：

(6)

(7)

式中：h為帶寬；n為監(jiān)測(cè)到的電壓暫降次數(shù)；K(x)為高斯核函數(shù)。

(8)

當(dāng)采用高斯核函數(shù)時(shí)，使核密度估計(jì)結(jié)果與未知密度函數(shù)最接近的最優(yōu)帶寬為

h=1.06σn-0.2

(9)

式中，σ為電壓暫降樣本幅值或持續(xù)時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)差[13]。

分別對(duì)一年內(nèi)壓氣站T站的8次和J站的14次電壓暫降樣本進(jìn)行處理，壓氣站10 kV母線電壓暫降特征概率分布如圖11所示。

圖11 壓氣站10 kV母線電壓暫降特征概率分布

如圖11所示，T站的電壓暫降幅值大多分布在0.5～0.6倍額定值，持續(xù)時(shí)間大多分布在50～200 ms；J站電壓暫降事件的暫降幅值分布在0.5～0.9倍額定值區(qū)間，多數(shù)電壓暫降事件分布在20～200 ms區(qū)間。相較于J站，T站的電壓暫降較為嚴(yán)重，所發(fā)生電壓暫降多為深度暫降，且發(fā)生過(guò)空壓機(jī)、潤(rùn)滑油泵電機(jī)等低壓用電設(shè)備停機(jī)的情況。造成這一情況的原因，主要為T(mén)站的供電電壓等級(jí)為35 kV,接入?yún)^(qū)域配電網(wǎng)系統(tǒng)；而J站供電電壓等級(jí)為110 kV，且為專(zhuān)線供電，上游變電站為220 kV主網(wǎng)變電站，短路故障發(fā)生概率小。因此，J站電壓暫降水平要優(yōu)于T站。

2.2 敏感設(shè)備兼容性分析

根據(jù)2.1節(jié)獲得的電壓暫降特征水平分析壓氣站內(nèi)電壓暫降敏感設(shè)備的兼容性。評(píng)估電壓暫降對(duì)各用電設(shè)備的影響，確定電壓暫降發(fā)生時(shí)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的變化情況，為電壓暫降治理方案制定提供各設(shè)備的補(bǔ)償裕度。

2.2.1 壓氣站敏感設(shè)備耐受能力

壓氣站變頻驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)置有變頻器輸入欠電壓保護(hù)，閾值為0.9 pu，其耐受特性曲線如圖12所示，當(dāng)壓氣站10 kV母線因電壓暫降導(dǎo)致變頻器輸入電壓低于此閾值時(shí)，壓縮機(jī)組將降低轉(zhuǎn)速或聯(lián)鎖停機(jī)。

圖12 壓氣站主變頻器電壓耐受曲線

對(duì)于壓縮機(jī)組輔助系統(tǒng)敏感設(shè)備而言，不同于主變頻器的閉鎖條件設(shè)置，這些低壓敏感設(shè)備的耐受曲線上存在不確定區(qū)域，當(dāng)電壓暫降事件處于不確定區(qū)域時(shí)，其耐受特性將存在模糊性，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的改變情況將以概率形式出現(xiàn)。并且由于輔助系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)不夠全面，而輔助系統(tǒng)設(shè)備停機(jī)也會(huì)影響壓縮機(jī)組的正常運(yùn)行，因此需要評(píng)估輔助系統(tǒng)設(shè)備電壓暫降的影響程度，確定輔助系統(tǒng)設(shè)備電壓暫降治理范圍。

將輔助系統(tǒng)敏感設(shè)備耐受曲線的不確定區(qū)域劃分為3個(gè)子區(qū)域，如圖13所示，提出2個(gè)假設(shè):1)發(fā)生電壓暫降時(shí)，暫降幅值和暫降持續(xù)時(shí)間是兩個(gè)獨(dú)立的隨機(jī)變量；2)發(fā)生電壓暫降時(shí),暫降幅值或持續(xù)時(shí)間若位于限值之外，設(shè)備故障率僅與另一個(gè)因素有關(guān)。

在圖13中，Umax和Umin分別為電壓暫降幅值耐受范圍的最大值和最小值；Tmax和Tmin分別為電壓暫降持續(xù)時(shí)間耐受范圍的最大值和最小值。電壓暫降敏感設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)在耐受曲線上可分為正常運(yùn)行區(qū)域、故障區(qū)域和不確定區(qū)域。曲線1的外部區(qū)域(U>Umax,TTmax)為設(shè)備故障區(qū)域；曲線1和曲線2之間為設(shè)備運(yùn)行不確定區(qū)域，包括A區(qū)域(UminTmax)3個(gè)部分。

圖13 敏感設(shè)備耐受曲線

根據(jù)同類(lèi)型設(shè)備的耐受特性測(cè)試結(jié)果，壓縮機(jī)組輔助系統(tǒng)主要敏感設(shè)備的耐受范圍限值Umax、Umin、Tmax和Tmin見(jiàn)表2。

表2 壓氣站敏感設(shè)備的耐受范圍限值

2.2.2 壓氣站敏感設(shè)備故障概率

對(duì)于敏感設(shè)備，故障率取決于電壓暫降能量損失的大小。因此參考能量損失公式[14]，按暫降所處不確定區(qū)域，敏感設(shè)備故障率P可計(jì)算為：

(10)

(11)

(12)

綜上所述，故障率的計(jì)算步驟為：1)根據(jù)暫降的幅值和持續(xù)時(shí)間，確定暫降位于哪個(gè)區(qū)域；2)當(dāng)暫降處于正常運(yùn)行區(qū)域或故障區(qū)域時(shí)，故障率分別為0或1；3)若暫降處于不確定區(qū)域，則需根據(jù)式(10)、式(11)或式(12)計(jì)算相應(yīng)的故障率。

根據(jù)壓氣站電壓暫降監(jiān)測(cè)結(jié)果，2個(gè)站輔助系統(tǒng)敏感設(shè)備年故障次數(shù)如圖14所示。

圖14 敏感設(shè)備年故障次數(shù)

對(duì)于壓氣站T站，由于電壓暫降幅值較低，對(duì)設(shè)備造成的影響較為嚴(yán)重，因此，需要對(duì)輔助系統(tǒng)敏感設(shè)備中的PLC、變頻電動(dòng)機(jī)和電磁閥均采用相應(yīng)的治理措施，同時(shí)需要在400 V母線上加裝電壓暫降治理裝置，對(duì)整個(gè)輔助系統(tǒng)進(jìn)行治理。而對(duì)于J站，則僅需針對(duì)PLC設(shè)備進(jìn)行治理，由于PLC設(shè)備容量較小，故可采用不間斷電源(uninterruptible power supply，UPS)進(jìn)行電壓暫降治理。

3 壓氣站的電壓暫降治理措施

3.1 案例分析

以2020年6月18日壓氣站T站發(fā)生的一次因電壓暫降導(dǎo)致壓縮機(jī)組停機(jī)的事件為例。由于壓氣站變電站上游的110 kV變電站母線電壓波動(dòng)，電壓暫降經(jīng)35 kV進(jìn)線2傳導(dǎo)至壓氣站變電站T站。

圖15 壓氣站電壓暫降影響范圍

壓氣站電壓暫降影響范圍如圖15所示。由于電壓暫降在變壓器中的單向傳遞特性[17]，即電壓暫降只能從高壓側(cè)傳導(dǎo)至低壓側(cè)，無(wú)法反向傳導(dǎo)，因此35 kVⅡ段母線電壓暫降經(jīng)過(guò)站內(nèi)2號(hào)、3號(hào)主變壓器，同時(shí)使10 kVⅡ段、Ⅲ段母線發(fā)生電壓暫降，電壓幅值跌落至0.6 pu左右，并持續(xù)了大約23個(gè)周波。2號(hào)變頻器與3號(hào)變頻器均因電壓暫降觸發(fā)了輸入欠電壓保護(hù)。2號(hào)變頻器報(bào)警未停機(jī)，3號(hào)變頻器因此次電壓暫降報(bào)警并停機(jī)，同時(shí)引起了站內(nèi)400 VⅠ段、Ⅱ段母線電壓暫降。雖然，400 VⅠ段母線暫降，但是無(wú)法通過(guò)1號(hào)廠用變壓器傳導(dǎo)至10 kVⅠ段側(cè)。

此次暫降造成3號(hào)壓縮機(jī)組輔助設(shè)備中2號(hào)潤(rùn)滑油泵電動(dòng)機(jī)停機(jī)，3臺(tái)后空冷風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)和3臺(tái)空壓機(jī)停機(jī)。10 kVⅡ段、Ⅲ段母線電壓波動(dòng)情況見(jiàn)圖16，10 kVⅠ段母線運(yùn)行正常。

圖16 10 kVⅡ段、Ⅲ段母線電壓波動(dòng)情況

此次電壓暫降事件造成了壓氣站主系統(tǒng)變頻器停機(jī)，輔助系統(tǒng)中大面積設(shè)備停機(jī)，從停機(jī)至恢復(fù)正常運(yùn)行耗時(shí)2 h，嚴(yán)重影響了壓氣站的正常輸氣任務(wù)。

3.2 壓氣站電壓暫降分層分級(jí)治理方案

為了有效地治理壓氣站電壓暫降問(wèn)題，根據(jù)壓氣站電壓暫降水平，提出壓氣站電壓暫降分層分級(jí)治理方案，如圖17所示，方案包括場(chǎng)站級(jí)治理、主系統(tǒng)級(jí)變頻器治理和輔助系統(tǒng)級(jí)治理3個(gè)部分。

圖17 壓氣站電壓暫降分層分級(jí)治理方案

場(chǎng)站級(jí)治理通常采用快切裝置，即在10 kV母線側(cè)加裝固態(tài)切換開(kāi)關(guān)裝置(solid state transfer switch，SSTS)來(lái)實(shí)現(xiàn)；主系統(tǒng)級(jí)變頻器治理采用更改變頻器閉鎖條件實(shí)現(xiàn)；輔助系統(tǒng)級(jí)治理采用加裝電壓暫降治理裝置實(shí)現(xiàn)。

3.3 加裝固態(tài)切換開(kāi)關(guān)裝置

由于壓氣站均采用兩回獨(dú)立進(jìn)線供電，當(dāng)其中一回進(jìn)線發(fā)生電壓暫降時(shí)，可通過(guò)SSTS切換裝置切換至另一回進(jìn)線。基于晶閘管投切控制的SSTS能快速地將敏感負(fù)荷由故障常用電源切換至備用電源，并在故障恢復(fù)時(shí)將負(fù)荷切換回常用電源[16]。

如3.1節(jié)中的案例所示，由于進(jìn)線2的影響，壓氣站10 kVⅡ段、Ⅲ段母線發(fā)生電壓暫降，但10 kVⅠ段母線運(yùn)行正常。因此，可以通過(guò)SSTS切換裝置將10 kVⅡ段、Ⅲ段母線切換至進(jìn)線1。

SSTS安裝后正常運(yùn)行時(shí)斷路器位置如圖18所示。正常運(yùn)行時(shí)，10 kV母線各自的斷路器閉合，Ⅰ 段和 Ⅱ 段母線間的04母聯(lián)斷路器斷開(kāi)。當(dāng)35 kV Ⅱ 段母線發(fā)生電壓暫降時(shí)，35 kV Ⅱ 段母線發(fā)生電壓暫降時(shí)開(kāi)關(guān)位置如圖19所示，10 kV Ⅱ段、Ⅲ段母線02、03斷路器斷開(kāi)，Ⅰ段和Ⅱ段母線間的04母聯(lián)斷路器閉合，10 kV Ⅱ段和Ⅲ段母線切換至進(jìn)線1供電。

圖18 正常運(yùn)行時(shí)斷路器位置

圖19 35 kV Ⅱ段母線發(fā)生電壓暫降時(shí)斷路器位置

對(duì)壓縮機(jī)組進(jìn)行建模仿真以驗(yàn)證治理方案的有效性，電壓暫降幅值設(shè)置為0.6 pu，持續(xù)時(shí)間為400 ms。通過(guò)分析安裝SSTS前后暫降期間的壓縮機(jī)組轉(zhuǎn)速變化情況仿真驗(yàn)證治理方案的有效性，治理前后壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速rw如圖20所示。

根據(jù)圖20所示，安裝SSTS后壓縮機(jī)組轉(zhuǎn)速可以維持在一個(gè)較為穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)安裝SSTS可以保護(hù)壓縮機(jī)組主系統(tǒng)不受電壓暫降影響。

圖20 治理前后壓縮機(jī)組轉(zhuǎn)速

3.4 更改變頻器閉鎖條件

由于壓縮機(jī)組主系統(tǒng)變頻器功率較大，無(wú)法通過(guò)儲(chǔ)能類(lèi)電壓暫降治理裝置進(jìn)行治理。并且，通常電壓暫降的持續(xù)時(shí)間較短，而變頻器具有一定的低電壓穿越能力，在發(fā)生幅值較高的電壓暫降時(shí)，可以適當(dāng)減小變頻器的輸出功率，使壓縮機(jī)組轉(zhuǎn)速下降。由于存在壓縮機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，此時(shí)能量由電動(dòng)機(jī)反饋至變頻器直流母線上，使直流母線電壓維持在正常工作范圍內(nèi)不致變頻器跳閘，電網(wǎng)電壓恢復(fù)后變頻器也恢復(fù)至正常運(yùn)行狀態(tài)。

電壓暫降設(shè)置與圖20相同，調(diào)整變頻器的閉鎖條件前后的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速rw如圖21所示。

圖21 調(diào)整變頻器的閉鎖條件后壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速

由圖21可知，調(diào)整變頻器的閉鎖條件后，壓縮機(jī)組轉(zhuǎn)速雖然在電壓暫降期間仍有波動(dòng)，但相較于原閉鎖條件，轉(zhuǎn)速可以維持在一個(gè)較為穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。

3.5 輔助系統(tǒng)加裝電壓暫降治理裝置

輔助系統(tǒng)中的敏感設(shè)備由于功率較小，且輔助設(shè)備停機(jī)也會(huì)對(duì)壓縮機(jī)組正常運(yùn)行造成影響，因此，可采用在400 V母線上安裝電壓暫降治理裝置來(lái)維持供電穩(wěn)定。由于DVR具有響應(yīng)快、效率高的特點(diǎn)，是目前較為常用的電壓暫降治理裝置[18]。因此，可以在壓氣站400 V母線上串聯(lián)DVR，在電網(wǎng)發(fā)生電壓暫降時(shí)，DVR將自動(dòng)輸出一個(gè)差值電壓，來(lái)補(bǔ)償電網(wǎng)電壓的降落，確保輔助系統(tǒng)負(fù)荷供電穩(wěn)定。

3.6 其他措施

此外，還可通過(guò)對(duì)電網(wǎng)側(cè)進(jìn)行改造，包括更換電纜供電、定期清理架空線附近異物、定期清洗絕緣子降低污閃率、定期進(jìn)行設(shè)備檢修降低設(shè)備故障率和配電網(wǎng)小電阻接地改造等來(lái)減少電壓暫降發(fā)生，從而緩解電壓暫降對(duì)壓氣站的影響。

4 結(jié) 論

上面分析了2個(gè)壓氣站的電壓暫降特征水平與敏感設(shè)備故障概率，并提出了有效的電壓暫降分級(jí)治理方案。所提分級(jí)方案針對(duì)壓氣站不同電壓等級(jí)用電設(shè)備，可以改善壓氣站電能質(zhì)量水平，緩解電壓暫降對(duì)壓氣站生產(chǎn)運(yùn)行的影響。