大高炉风机备用电源自动投入装置的设计与实现
收稿日期 :2005 - 07 - 01
作者简介 :夏军(1969 —) ,男 ,湖南沅江人 ,本科 ,工程师 ,研究方向 :继电保护( E - mail :xjn000088 @vip. sina. com) 。
文章编号 :1003 - 6199(2005) 03 - 0033 - 03
大高炉风机备用电源自动投入装置的设计与实现
夏 军
(涟源钢铁集团有限公司 ,湖南 娄底 417009)
摘 要 :高炉电动鼓风机是大高炉生产的一个至关重要的环节。需要以同步电动机安全为前提 ,并保
证其连续运行。而当断电时 ,同步电动机通过备用电源自投 ,实现连续正常运行的是可行的。本文在详细
论述此原理的基础上 ,介绍了一项具体应用实例的设计思路与实现方法。
关键词 :高炉风机 ;断电失步 ;微机保护 ;备用电源自动投入
中图分类号 : TM762 ; TM341 文献标识码 :A
The Design and Implementation of Reserve Power Source Automatic
Connection Devices on Fans of Blast Furnace
XIA J un
(Lianyuan Iron &Steel Group Co. ,L TD LouDi 417009 ,China)
Abstract :Fans of blast furnace is one of the most important devices in Iron &Steel industry. On the premise of safety guaran2
tee ,it is important to keep the working continuity of synchronous motors. In case of poweroff ,it is available to ensure synchronous
motors’s working continuity by means of using reserve power source automatic connection device. In this paper ,it introduce the
design and implement of a practical system on the basis of analysis on this principle.
Key words :fans of blast furnace ;power break out - of - step ;microprocessor based protection ;backup powerbzt
1 引言
高炉电动鼓风机是高炉生产的一个至关重要的环节 ,
电动鼓风机的安全可靠运行将直接影响着高炉的安全可靠
运行。大高炉在生产过程中 ,炉料由大电动风机所鼓的风
吹起 ,悬浮在炉膛内进行燃烧熔化 ,一旦大电动风机因电源
消失停机 ,炉料全部塌下 ,会将大高炉的所有风口堵死 ,甚
至危及整个高炉 ,需半个月才能恢复生产。同时 ,风管内的
空气倒流 ,可能损坏风机 ,最严重的将导致爆炸 ,造成不可
想象的事故 ,在钢铁行业是特大型事故。由此可见 ,鼓风机
的安全可靠供电是非常重要的。
本文从同步电机的断电失步入手 ,分析了同步电动机
通过备用电源自投 ,实现连续正常运行的条件和方法 ,并着
重介绍一应用事例。
2 电源断电时同步电动机的过渡过程
“断电”在此处并非指电机电源的永久消失 ,而是同步
电机的供电电源短时中断 ,此后 ,同步电机转子自然堕走 ,
当电源重新恢复瞬间 ,电机很可能已经脱落同步 ,从而使得
电机遭受强烈的难以承受的非同期冲击。此类故障称为断
电失步。一般同步电机在失去电源 0. 3～0. 5s 后边会引起
失步 ,即便采用了一般的备用电源自投装置(因自动装置动
作时间一般都大于 0. 5s) 。在电源重新恢复瞬间 ,由于电
源电压向量与励磁电势向量之间的功率角有变化 ,致使同
步电机受到非同期冲击 ,非同期电流峰值可高达电机出口
三相短路电流的 1. 4～1. 8 倍 ,非同期转矩最高可能达到电
机额定转矩的 20～30 倍。在这样大的冲击电流和冲击转
矩作用下 ,同步电机及所转动的设备将遭到破坏。
同步电机在电流突然中断后 ,将由电动机运行工况变
为发电机运行工况维持母线电压 ,这一电压的频率随同步
电机转速的下降而逐渐降低。由断电后的行为特征可知 ,
断电失步的主要标志为 :
1) 电动机转为发电机运行 ,功角δ由滞后变为超前 ,电
机发送有功功率 ;
2) 电机转速和定子电压频率同步下降。
功角由正常运行时的滞后状态逐渐减小 ,直至跨越零
度进入超前状态 ,是电动机断电后的一个显著特征。转速
及频率的降低在电机负重载时反应快 ,负轻载时反应慢 ;有
功功率的逆向反应灵敏 ,但当电机负载过重时 ,可能由于断
第 24 卷第 3 期
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计 算 技 术 与 自 动 化
Computing Technology and Automation
Vol124 ,No13
Sep. 2 0 0 5
电后电机制动过快而不能有所反映。所以可以考虑 ,选择
功角减小过零作为断电失步保护的启动元件 ,并以有功功
率逆向及转速过低作为闭锁。
3 同步电动机断电失步仿真
本文中关于同步电动机的失步仿真是借助了 MAT2
LAB 仿真软件中 POWER SYSTEM BLOCKET 工具箱来
完成的 ,设计出来的仿真模型如图 1 所示 :
图 1 同步电动机断电失步的仿真模型
3. 1 模块介绍
1) Synchronons Machine :同步电动机模块
2) Network :三相电压源模块
3) load :负载
4) Vf step :励磁电压源模块
5) Pm :同步电动机所带的负载
3. 2 断电的仿真
在第 5 秒钟时让三相断路器断开 ,在第 5. 2 秒钟时让
三相断路器重新合闸 ,此时令 Vf 等于正常运行时的励磁
电压。再利用 Matlab 中的 plot 画图语句画出各输出波形
图 i - abc、wm ,分别为下图所示 :
图 2 机端三相电流波形
图中波形与上一节分析一致。从图中可以看出 ,5 秒
以前已进入了同步运行阶段 ,从第 5 秒钟开始发生失步 ,从
5s 到 6s 这段时间内 ,电机经历了一个从失步再到同步的过
程。基于这一点 ,要保证同步电机在断电的情况下连续运
行 ,可以采用备用电源自投装置 ,但是要确保电源备自投在
尽可能短的时间内完成所有动作。从而要求备自投装置、
开关动作时间尽可能短。当然 ,对同步电动机进行自投 ,还
有其它条件也是我们必须考虑的。例如 ,同步电动机及机
组能否承受因备用自投造成的电流、机械冲击。
所以 ,当电源短暂中断 ,如果备用电源自投装置 (bzt)
动作时 ,同步电动机失步不跳闸 ,允许它承受一定程度的非
同期冲击 ,就可以保持电动机运行的连续性。对于同步电
动机来说 ,只要能合理解决在电源中断期间快速切除发电
状态 ,使母线电压快速衰减 ,使备用电源自投装置快速可靠
地动作 ,并且避免同步电动机的非同期冲击。在电源恢复
后通过对同步电动机进行带载的失步再整步 ,保持同步电
动机的连续运行 ,不停机、不卸载 ,并在短时间内自动恢复
同步电动机的正常运行。这就是同步电动机的“断电失步
保护及带载自动再整步”。这对提高电网供电的可靠性和
生产的连续性将具有重大意义。
图 3 转子转速波形
4 应用事例
某钢铁集团公司的 2200m3 高压鼓风机为 32MW 同步
电动机 ,其系统如图 :
图 4 系统原理示意图
图中鼓风机 M 采用的是西门子设备 ,其机组可以承受
因备自投及自接启动带来的冲击 ,且同步电动机的转速不
会下降到亚同步转速 ,电机端电压的幅值、相位、频率基本
维持不变。鼓风机的 7UM62 多功能电机保护单元中的矢
量跳变功能检测到突变电流导致的电压相角跳变到一定值
时 ,发出启动信号 ,其判断时间在 40ms 左右。
43 计算技术与自动化 2005 年 9 月
4. 1 自投的启动条件
1) 电动机的数字自动控制系统 M1 实时采集同步电动
机的电流、电压、转速等模拟量 ,并将之变换成数字量 ,通过
数字逻辑运算判别同步电动机的运行状态 ,当电机电源消
失时 ,M1 检测到电机出现逆功率或矢量跳转 ,立即发出启
动备自投信号。其判断时间在 40ms 左右。
2) 备自投装置在检测到主供电源进线电路失压低于
30 %Ue (由于同步电动机的存在 ,除非在出口断路 ,这种概
率很小) 、或主供进线开关跳闸、或收到线路侧保护动作发
出的远跳信号中的任何一个 ,也启动自备投。
4. 2 逻辑判断
1) 备自投装置接收到从 M1 来的启动信号 ,其备自投
装置没有闭锁 ,立刻输出一个展宽 300ms 的脉冲去跳主供
进线断路器 (CB1 或 CB2) ,并合上与备用电源联络的母线
开关断路器 (CB3) 。
2) 备自投装置检测到上述 2) 的条件 ,同时检测到由备
用电源进线断路器在合位且其线路有压 (大于 70 %Ue) ,并
且备自投装置没有备闭锁 ,立刻输出一个个展宽 300ms 的
脉冲跳主供进线断路器 (CB1 或 CB2) ,并合上与备用电源
联络的母线开关断路器(CB3) 。
3) 闭锁条件 :
A、备自投转换开关退出 ;
B、变压器差动保护动作出口 (1TA、8TA、3TA 纵差或
4TA、7TA、6TA) ;
C、变压器后备保护(2TA、5TA) 方向过流动作 ;
D、电动机自控系统 M1(M2) 出错 ;
E、备自投装置已动作一次。
当以上条件任何一个满足 ,且没有进行复位 ,备自投装
置被闭锁不能动作出口。其逻辑如下图 :
图 5 备自投动作逻辑图
4. 3 执行过程
1) 主供电源的进线断路器接收到备自投装置的跳闸命
令立即跳闸。
2) 母线开关接收到备自投装置的跳闸命令 ,并且检测
到主供电源的进线断路器已跳开 ,立即合上母联断路器。
由于备自投采用数字技术 ,其检测判断过程非常迅速 ,
并通过合理选型 ,选择快速动作的断路器 ,所以完成整个备
自投过程的时间在 180ms 内。装置的硬件原理框图如下 :
图 6 硬件原理框图
经试验 ,本装置自投成功率达 100 %。通过多次模拟
测试结果 ,得出从启动备自投装置到出口跳开原电源进线
开关、合上备用电源的母联开关共计时不超过 145ms ,加上
检测启动装置的时间 ,全过程不超过 180ms ,完全满足要
求。
同时 ,利用光电扫描仪对主供电源与备用电源的电压
幅值、相位、频率进行检查、参数一致 ,满足备投要求。
在 2004 年度四次系统事故中 ,自投装置都成功地将电
动风机自投到备用电源上 ,风机正常运动 ,为涟钢避免了巨
大的经济损失。
5 结论
本文在对同步电动机断电失步的运行特性进行了认真
的分析的基础上 ,对其进行了断电失步仿真。然后介绍了
国内第一套大功率同步电动机加速备自投设备的设计思路
和工作模式。该保护装置功能完善、性能价格比合理 ,具有
良好的推广前景。
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53第 24 卷第 3 期 夏 军 :大高炉风机备用电源自动投入装置的设计与实现
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