冶金企業(yè)6～35 k V供配電系統(tǒng)消弧柜的應(yīng)用

李 新

1 引言

目前，冶金企業(yè)6～35 kV供配電系統(tǒng)普遍采用中性點不接地的運行方式?，F(xiàn)有的運行規(guī)程規(guī)定：“3～35 kV中性點非直接接地的電網(wǎng)，發(fā)生單相接地故障時，允許繼續(xù)運行兩小時”。如果發(fā)生單相接地故障為弧光接地，則會在系統(tǒng)中產(chǎn)生最高值達3～3.5倍相電壓的過電壓，這樣高的過電壓如果持續(xù)作用于電網(wǎng)，使系統(tǒng)中的電壓互感器發(fā)生飽和，激發(fā)鐵磁諧振，造成互感器燒毀或?qū)е卤芾灼鞅?；在健全相的絕緣薄弱環(huán)節(jié)造成絕緣對地擊穿，將會引發(fā)相間短路的重大事故，危及電網(wǎng)及其供電設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。

2 過電壓治理現(xiàn)狀

中性點不接地系統(tǒng)過電壓的治理是公司供電系統(tǒng)需要解決的問題，但因過電壓產(chǎn)生因素較多、機理復雜，一直沒有能徹底解決。隨著公司電力系統(tǒng)的逐漸增容與發(fā)展，電力電纜的使用量急劇增加，6～35 kV系統(tǒng)中的各種過電壓發(fā)生的幾率也越來越高。公司供電系統(tǒng)現(xiàn)有110 kV變電站13個，降壓至6 kV、10 kV、35 kV三個電壓等級向各個配電區(qū)域供電，大多數(shù)采用電纜線路。公司自2002年開始逐漸淘汰中性點經(jīng)消弧線圈接地的方式，而陸續(xù)采用消弧消諧柜來抑制系統(tǒng)過電壓，當系統(tǒng)產(chǎn)生弧光接地時由消弧消諧柜控制器經(jīng)過邏輯判斷，將故障相通過高壓真空接觸器吸合接地，弧光接地轉(zhuǎn)化為金屬性接地，起到抑制系統(tǒng)過電壓的作用。

目前系統(tǒng)投入運行的消弧消諧裝置主要有4個生產(chǎn)廠家，共計48套。從近年運行狀況和抑制過電壓情況來看，消弧消諧裝置存在的問題較多，在系統(tǒng)過電壓時不能有效抑制過電壓，多次導致事故擴大，不能保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

3 消弧消諧運行情況

隨著公司生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，6～35 kV系統(tǒng)各站所對地容流不斷增加，目前軋鋼區(qū)域部分站所接地電容電流已接近140 A，煉鐵區(qū)域部分站所10 kV系統(tǒng)對地容流已超過50 A，其他區(qū)域站所接地容流已接近50 A。當接地電流大于30 A時，故障產(chǎn)生的電弧往往不能自熄，造成弧光接地過電壓概率增大，對系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行構(gòu)成威脅?，F(xiàn)公司6～35 kV供配電系統(tǒng)內(nèi)使用的消弧消諧柜，運行年限最長的已運行13年，現(xiàn)已有10套消弧消諧控制裝置功能喪失、采樣值誤差較大或存在缺陷，弧光接地故障時消弧消諧柜動作準確率低，存在拒動或誤動的現(xiàn)象，導致事故擴大。

動作情況見表1。

表1 動作情況統(tǒng)計表

4 消弧消諧存在的主要問題

4.1 消弧消諧裝置正確動作率低，系統(tǒng)過電壓持續(xù)時間長。根據(jù)近年來消弧消諧動作情況來看，正確動作率不到50%。大多數(shù)站所的消弧消諧裝置已使用10年以上，反應(yīng)遲緩，總出口時間長達700 ms左右。在系統(tǒng)發(fā)生弧光接地故障時，動作時間過長，不能在4個周波內(nèi)迅速將弧光接地轉(zhuǎn)化為金屬性接地，4個周波后其過電壓可達到3.5～5倍的相電壓，導致電壓互感器嚴重過載，輕者致使熔斷器熔斷，重者將造成互感器燒毀，由于弧光接地過電壓持續(xù)時間較長，能量超過避雷器的承載能力，也可導致避雷器爆炸。

4.2 消弧裝置采樣值誤差大或不同程度存在缺陷。在系統(tǒng)發(fā)生弧光接地時消弧裝置由于存在缺陷，不能正常投入，系統(tǒng)抑制過電壓的能力不足，起不到抑制弧光過電壓的作用，可能導致系統(tǒng)大面積停電和設(shè)備損壞。如2014年5月27日的選燒區(qū)域變電所下級站發(fā)生電纜擊穿單相接地，由于消弧裝置存在缺陷未動作，系統(tǒng)過電壓引起總降變電所10 kV 1#電壓互感器燒損短路，Ⅰ段母線失壓的事故；2014年9月17日的軋鋼區(qū)域變電所10 kVⅢ段系統(tǒng)下級站水泵電機本體A相接地，由于消弧裝置沒有正常投入，系統(tǒng)過電壓造成下級開關(guān)站內(nèi)7個配出開路過電壓保護器炸裂事故，影響了公司正常生產(chǎn)秩序，造成了巨大經(jīng)濟損失。

4.3 消弧裝置控制器動作邏輯的不合理、不適用，在系統(tǒng)發(fā)生接地故障時存在事故擴大的風險。部分消弧裝置動作邏輯為：當系統(tǒng)發(fā)生弧光接地后，在第一次檢測到弧光接地時，裝置投故障相真空接觸器，保持6～7 s，使故障點充分去游離，絕緣強度恢復，然后釋放真空接觸器，裝置繼續(xù)檢測系統(tǒng)三相電壓；如真空接觸器釋放后，系統(tǒng)出現(xiàn)弧光復燃現(xiàn)象，則再次閉合故障相真空接觸器，再保持7～8 s的時間后釋放，如系統(tǒng)恢復正常，則裝置恢復系統(tǒng)檢測狀態(tài)；如第二次真空接觸器釋放后系統(tǒng)再次出現(xiàn)弧光接地現(xiàn)象，則裝置第三次投入故障相真空接觸器并保持閉鎖，同時發(fā)出接地故障報警信號。此動作邏輯適用于架空線路較多的配電區(qū)域，架空線路多發(fā)生接地后絕緣有自恢復能力。而對于冶金企業(yè)配電系統(tǒng)大多數(shù)采用電纜線路，電纜發(fā)生接地故障后往往是永久性故障，消弧裝置反復動作，往往會加劇電纜絕緣損壞而發(fā)展為相間短路故障，造成對系統(tǒng)的沖擊。當系統(tǒng)容流越大，此動作方式風險會越大。

4.4 消弧柜內(nèi)配置的一次高壓限流熔斷器物理特性差，設(shè)計制造工藝達不到使用要求；熔斷器額定電流沒有根據(jù)系統(tǒng)最大容流認真進行核算，選擇不當，故障時不能滿足快速準確動作的要求，在1～2 ms之內(nèi)不能實現(xiàn)快速截流，并退出裝置，造成異地兩相短路時不能可靠開斷，導致事故的發(fā)生和擴大。

5 消弧柜存在問題的整改建議

公司6～35 kV供配電系統(tǒng)過電壓治理中消弧柜存在的問題，需要逐步優(yōu)化完善，建議如下：

5.1 對不能滿足使用要求的消弧柜進行改造，完善功能，縮短消弧控制裝置及真空接觸器出口動作時間，保證在系統(tǒng)發(fā)生弧光接地故障時，過電壓倍數(shù)還沒有達到峰值前就可靠地動作，迅速將弧光接地轉(zhuǎn)化為金屬接地，使故障點的電弧立即熄滅，消除弧光接地過電壓，確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

5.2 對消弧柜存在的隱患缺陷，要引起高度重視，加大缺陷整改力度，制定整改計劃，根據(jù)各站所實際運行情況，分區(qū)域保證總降站所各系統(tǒng)要有一套完好的消弧柜正確投入，確保在系統(tǒng)弧光接地時消弧裝置正確動作，有效抑制弧光過電壓。

5.3 現(xiàn)系統(tǒng)中零序功率方向保護與消弧消諧裝置時間配合上有可能會出現(xiàn)“搶動”現(xiàn)象的問題。主要是零序保護裝置動作至斷路器分閘時間約60 ms左右,而消弧消諧裝置動作至真空接觸器合閘時間也在60 ms左右，每次發(fā)生弧光接地故障時，兩者不能有效配合，有時零序保護先動，有時消弧消諧裝置先動，建議對現(xiàn)有消弧消諧裝置增加動作延時設(shè)置，可根據(jù)實際需要和零序保護動作時間進行配合。

5.4 當消弧消諧控制器檢測到系統(tǒng)弧光接地后，真空接觸器立即動作吸合轉(zhuǎn)化為金屬接地，消弧柜需具備兩種復位模式：自動復位和手動復位。自動復位經(jīng)8～10 s延時打開，如弧光接地故障仍然存在，真空接觸器將再次動作吸合后不再進行自動復位，且自動復位功能可投退；手動復位需滿足遠方后臺復位和就地復位兩種模式。

5.5 為了便于運行人員的操作及監(jiān)控，需將消弧裝置的所有告警、動作等運行信息通過RS485接口與本站所的微機監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠傳，并完善GPS對時功能，保證動作時間的一致性。

5.6 在新建項目技術(shù)交流設(shè)計時，要把好技術(shù)關(guān)，提出具體的選型設(shè)計要求，并根據(jù)公司6～35 kV電網(wǎng)系統(tǒng)各站所實際電容電流的大小，科學合理地選擇消弧消諧柜各元器件的參數(shù)配置及型號。

6 結(jié)束語

目前公司供配電系統(tǒng)對過電壓治理方面還沒有系統(tǒng)完整的保護方案，因此在系統(tǒng)過電壓時經(jīng)常發(fā)生電壓互感器、干式變壓器燒毀，電纜放炮、電動機絕緣擊穿、避雷器炸裂等事故。此類事故發(fā)生的原因，除了與系統(tǒng)中安裝的過電壓保護裝置的性能有關(guān)外，供配電系統(tǒng)本身的復雜性對過電壓裝置的選擇有著重要的影響，對于不同的系統(tǒng)，選擇過電壓保護時需考慮系統(tǒng)輸電線路的類型、輸配電線路的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、負荷的性質(zhì)和系統(tǒng)的接地方式。針對冶金企業(yè)復雜的供配電系統(tǒng)，很難以孤立的使用某種或幾種過電壓保護裝置來全面抑制各種類型的系統(tǒng)過電壓，且系統(tǒng)中采用多種不同廠家生產(chǎn)的過電壓保護產(chǎn)品，因保護特性不能相互匹配，造成無法徹底有效地抑制系統(tǒng)過電壓。近幾年來，冶金、煤炭、石油、化工及供電等企業(yè)在提高電網(wǎng)和企業(yè)內(nèi)部電網(wǎng)過電壓治理方面雖取得了一些成功經(jīng)驗，但還需要進一步學習交流，結(jié)合本企業(yè)供配電系統(tǒng)實際運行特點，制定一套完整的系統(tǒng)過電壓治理方案，以提高電網(wǎng)運行的安全性和供電的可靠性。

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