配網(wǎng)綜合故障管控系統(tǒng)在鋼鐵行業(yè)應(yīng)用及展望

彭光云 童雪燕 解曉峰

摘要：本文通過(guò)消弧裝置在廠內(nèi)實(shí)際應(yīng)用效果，分析了消弧線圈及其選線裝置在鋼鐵公司使用效果不佳的原因。同時(shí)對(duì)配網(wǎng)綜合故障管控系統(tǒng)快速熄弧及準(zhǔn)確選線以及“高壓閃絡(luò)法”快速查找故障點(diǎn)進(jìn)行了原理介紹及實(shí)際案例效果展示。

關(guān)鍵詞：故障管控系統(tǒng);無(wú)線組網(wǎng)選線;高壓閃絡(luò)法;快速開關(guān)技術(shù);快速識(shí)別技術(shù)

1項(xiàng)目背景

公司集煉鐵、煉鋼、軋鋼、煉焦、發(fā)電為一體，主要產(chǎn)品有連鑄方坯等系列產(chǎn)品，以及氧氣、冶金焦炭等化工產(chǎn)品。供電系統(tǒng)由 110kV 和 35kV 變電站各一座構(gòu)成。從變電站到各車間6kV 電纜線路 78 條，線路全長(zhǎng)約 70km。以交朕單芯和三芯電纜為主，電纜最大截面積以 3×1×800mm2 和 3×300mm2 為主，導(dǎo)致系統(tǒng)電容電流近 90A。

2009 年，在 110kV 變電站安裝自動(dòng)調(diào)容補(bǔ)償消弧線圈和小電流接地選線裝置各一套。設(shè)備安裝后電纜接地弧光有所減少，但弧光熄滅非常難。每次接地故障發(fā)生時(shí)電纜橋架仍然有電纜燃燒、火勢(shì)難于控制等。而只能通過(guò)人工逐一停電接地信號(hào)消失才能確定故障線路，才能進(jìn)行滅火操作。小電流接地選線器投運(yùn)后選線不準(zhǔn)長(zhǎng)期處于無(wú)用狀態(tài)。

2消弧線圈小電流接地選線裝置在德勝鋼鐵使用效果不佳原因分析

根據(jù)多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于電容電流超過(guò) 30A 的 3～10kV 架空電網(wǎng)，可以采用消弧線圈接地方式【1】。架空電網(wǎng)的電弧電流主要表現(xiàn)為工頻電流，高頻電流幅值很小且衰減很快，所以消弧線圈對(duì)架空線路能起到一定消弧效果。

隨著網(wǎng)架結(jié)構(gòu)改變，企業(yè)電網(wǎng)普遍使用交聯(lián)聚乙烯電纜線路。使得非瞬時(shí)性單相接地故障幾率大大增加，由于消弧線圈只能消除瞬時(shí)性單相接地故障。當(dāng)電纜線路發(fā)生非瞬時(shí)性單相接地故障時(shí)，電弧電流不但有工頻分量還有高頻分量而且高頻分量的幅值是工頻分量的 25～50 倍。傳統(tǒng)的消弧線圈不能快速消除弧光過(guò)電壓，電纜電網(wǎng)中的穩(wěn)態(tài)電流、高頻電流提高、高頻電流作用時(shí)間延長(zhǎng)都導(dǎo)致接地電弧釋放熱量的增加，以及高頻電流增大帶來(lái)的弧光接地過(guò)電壓提高，使得故障發(fā)展大大加快，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了維持運(yùn)行 2 小時(shí)的要求，往往是來(lái)不及選出故障線路、來(lái)不及完成轉(zhuǎn)移負(fù)荷的倒閘操作，就發(fā)生了被迫跳閘事故，甚至使故障接地點(diǎn)很快燒毀并迅速發(fā)展成相間短路故障，致使故障擴(kuò)大，并由此導(dǎo)致重要生產(chǎn)設(shè)備的停運(yùn)。德勝鋼鐵使用的小電流接地選線存在一次選出多條線路，選線的準(zhǔn)確率極低，使得我們對(duì)小電流接地選線的結(jié)果失去信心。

針對(duì)公司配電網(wǎng)電纜故障頻發(fā)，接地電弧光燃燒時(shí)間長(zhǎng)而無(wú)法快速控制，接地故障線路選線不準(zhǔn)等問(wèn)題的長(zhǎng)期困繞。我們對(duì)十年來(lái)公司使用的消弧線圈及其選線裝置使用效果的總結(jié)是消弧線圈不適合電纜電網(wǎng)系統(tǒng)。

3解決問(wèn)題的優(yōu)化方案

經(jīng)過(guò)近年來(lái)對(duì)電力行業(yè)相關(guān)新技術(shù)的深入學(xué)習(xí)，最后，決定選用上海合凱電氣科技有限公司的配網(wǎng)綜合故障管控系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱 SHK-ZGKS），解決公司 6kV 配電網(wǎng)存在的選線不準(zhǔn)及弧光不易熄滅的問(wèn)題，并將該技術(shù)的應(yīng)用總結(jié)如下：

4SHK-ZGKS 主要技術(shù)特點(diǎn)

4.1快速熄弧

SHK-ZGKS 系統(tǒng)接地元件采用分相控制的渦流驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的快速開關(guān)，額定電流最小為 1250A，滿足了系統(tǒng)對(duì)地電容電流較大時(shí)接地需求?？焖匍_關(guān)的分閘時(shí)間≤5ms，合閘時(shí)間≤10ms，滿足 快速熄弧及短路故障快速處理的要求。

如圖 1 所示，SHK-ZGKS 主要由分相控制快速開關(guān) JZ（可以重復(fù)使用）、微機(jī)綜合控制器ZK、無(wú)線組網(wǎng)選線裝置 WLS2 組成;隔離開關(guān) GN、抗飽和電壓互感器 YH、高壓限流熔斷器 RD、大能容吸收器 LEP、半導(dǎo)體自限流抑制器 SIDR 及電壓監(jiān)測(cè)控制器 YK 等組成。

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，裝置面板顯示系統(tǒng)運(yùn)行電壓、開口三角電壓以及裝置運(yùn)行狀態(tài);

系統(tǒng)發(fā)生單相弧光故障時(shí)，裝置在 20ms 之內(nèi)迅速將故障相弧光接地，轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的金屬接地，完成熄弧和限壓功能，防止過(guò)電壓損害系統(tǒng)絕緣，保證系統(tǒng)運(yùn)行安全;當(dāng)電網(wǎng)有其它相出現(xiàn)弧光接地時(shí)，管控系統(tǒng)在 10ms 內(nèi)快速切除故障回路，避免事故擴(kuò)大。解決系統(tǒng)中弧光接地過(guò)電壓不能有效快速熄滅進(jìn)而引發(fā)兩相或三相短路故障的現(xiàn)象。同時(shí)裝置中的微機(jī)綜合控制器報(bào)警并通過(guò) 485 接口通訊上傳云端服務(wù)器，并以微信方式下發(fā)到相關(guān)人員的手機(jī)。

4.2快速準(zhǔn)確選線

SHK-ZGKS 能夠快速熄弧，有效控制了故障的發(fā)展，給轉(zhuǎn)移負(fù)荷的倒閘操作留出了充裕的時(shí)間。但倒閘操作的前提是故障線路已被確定，這就需要解決快速準(zhǔn)確選線問(wèn)題。SHK-ZGKS 配套的無(wú)線組網(wǎng)選線（SHK-WLS2）主要采用了“阻抗瞬變法”和“最大增量法”相結(jié)合的高科技算法，在此基礎(chǔ)上，使用“多重判據(jù)模糊推論綜合選線”方法，綜合“首半波基波比幅比相法”、“最大增量法”、“智能高次諧波法”、“基波有功功率比較法”等 8 種選線方法針對(duì)不同狀況進(jìn)行選線判定，巧妙地解決了諧波干擾、電磁環(huán)境、高頻大電流，可以在各種惡劣環(huán)境下實(shí)現(xiàn)快速而準(zhǔn)確地選出故障回路，且支持多種通訊規(guī)約，能與變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交換。

該裝置能夠在接地后 100ms 內(nèi)選出總站內(nèi)地接地線路，同時(shí)分站也選擇本站接地線路，并且分站和總站之間通過(guò) GSM 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換（如圖 3 所示），總站和分站數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集綜合比較得出最終選線結(jié)果，不但保證了信號(hào)不受距離和其他因素影響，同時(shí)保證了信號(hào)的準(zhǔn)確性。能適合不同情況的接地選線，大大提高了選線的準(zhǔn)確率，SHK-WLS2 目前在德勝公司的準(zhǔn)確率為 100。同時(shí)通過(guò)云平臺(tái)和手機(jī) APP 將故障信息及時(shí)發(fā)送至移動(dòng)手持設(shè)備提醒用戶。

5.“高壓閃絡(luò)法”查找電纜故障點(diǎn)

圖 4 為高壓閃絡(luò)法電纜故障測(cè)試【2】連接示意圖，按圖 4 電源接上后，實(shí)驗(yàn)變壓器 PT 對(duì)電容器 C 充電。當(dāng)電壓高到一定數(shù)值時(shí)，球間隙 J 被擊穿，電容器 C 上的電壓通過(guò)球間隙的短路電弧直接加到電纜的測(cè)量端，這個(gè)沖擊電波沿電纜向故障點(diǎn)傳播。只要電壓的峰值足夠大，故障點(diǎn)就會(huì)因電離而放電。故障點(diǎn)放電所產(chǎn)生的短路電弧使沿電纜送去的電壓波反射回去。因此，電壓波就在電纜端頭和故障點(diǎn)之間來(lái)回反射。借助于電纜故障測(cè)試儀主機(jī)觀察到來(lái)回反射的電壓波形。同時(shí)，人工在電纜橋架下也能聽到故障點(diǎn)明顯的放電聲音。為避免電纜被損壞，經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)電壓升到 7kV 就能看到明顯的返回波，并且在電纜橋架附近聽到故障點(diǎn)發(fā)出清淅的放電聲音。如果是埋地（電纜溝）電纜需要借助放電診斷器聽到故障點(diǎn)的放電聲響。通過(guò)此種方法就可以準(zhǔn)確地找出故障點(diǎn)。

6.優(yōu)化改造方案實(shí)際應(yīng)用效果

6.1優(yōu)化方案的一次主接線圖

如圖 5 所示德勝鋼鐵公司于 2020 年 4 月在 110kV 變電站的總降 6kV 系統(tǒng)加裝了 2 套配網(wǎng)

綜合故障管控系統(tǒng)（SHK-ZGKS，含總站型無(wú)線組網(wǎng)選線 SHK-WLS2），在二級(jí)變電所加裝了 2 臺(tái)無(wú)線組網(wǎng)選線裝置（SHK-WLS2）。裝置自運(yùn)行以來(lái)至今解決了系統(tǒng)多次弧光接地故障，且每次都能快速準(zhǔn)確地選出故障回路?，F(xiàn)以 2020 年 8 月 25 日云南德勝鋼鐵 110kV 變電站制氧 I 回電纜線路 C 相接地故障進(jìn)行應(yīng)用效果說(shuō)明。

6.2管控系統(tǒng)（編號(hào) ZG015）報(bào)警信息

報(bào)警項(xiàng)目：云南德勝鋼鐵 ZG015 管控系統(tǒng);

報(bào)警設(shè)備：110kV 變電站管控柜（云南德勝 2#ZGKS）報(bào)警類型：C 相弧光接地

報(bào)警時(shí)間：2020 年 8 月 25 日 07：23：06（如圖 6 所示）報(bào)警設(shè)備：110kV 變電站選線裝置（云南德勝 3#WLS2）報(bào)警類型：制氧 I 回（678）

報(bào)警時(shí)間：2020 年 8 月 25 日 07：23：06。

6.3管控系統(tǒng)（編號(hào) ZG015）實(shí)際錄波圖

6.4管控系統(tǒng)（編號(hào) ZG015）動(dòng)作分析

2020 年 8 月 25 日 07：23：06，2號(hào)管控系統(tǒng)檢測(cè)到 110kV 變電站 6kV 配電系統(tǒng) C 相接地，2號(hào)管控系統(tǒng)控制故障相（C 相）快速接地開關(guān)合閘，故障相直接接地，從而熄滅電弧，健全相（A、B相）相電壓升到線電壓【3】，并且電壓穩(wěn)定。同時(shí)，3#分站選線裝置（WLS2）進(jìn)入采集選線狀態(tài)，選線結(jié)果：2020 年 8 月 25 日 07：23：06，110kV 變電站制氧 I（678）電纜線路 C 相接地故障。經(jīng)過(guò)生產(chǎn)指揮中心停電確認(rèn)，故障線路選線準(zhǔn)確。

6.5電纜故障點(diǎn)找查及搶修

應(yīng)用“高壓閃絡(luò)法”查找故障點(diǎn)：在電纜兩端做好電纜試驗(yàn)的安全措施后，在配電室開關(guān)柜的電纜頭上連接好高壓閃絡(luò)法試驗(yàn)設(shè)備，對(duì)故障相電纜進(jìn)行加升壓試驗(yàn)，電壓升壓至 7kV 時(shí)球隙放電電壓注入故障電纜，維持電壓不到 5 分鐘，巡線員報(bào)告聽到電纜橋架內(nèi)有明顯的放電聲音，做好安全措施后人員進(jìn)一步靠近放電部分，經(jīng)過(guò)兩次確認(rèn)故障點(diǎn)已經(jīng)確定，停止試驗(yàn)后對(duì)放電位置并做好標(biāo)識(shí)電纜故障點(diǎn)重新制作電纜頭檢修后，電纜恢復(fù)正常運(yùn)行。經(jīng)過(guò)幾次事故后的準(zhǔn)確判斷及有效控制，另外，通過(guò)創(chuàng)新電纜故障點(diǎn)的查找方法，檢修效率大大提高。將故障帶來(lái)的損失降到最低，公司領(lǐng)導(dǎo)給予高度評(píng)價(jià)。

7.結(jié)語(yǔ)

配網(wǎng)綜合故障管控系統(tǒng)自安裝以來(lái)，經(jīng)過(guò)多次電纜故障檢驗(yàn)證明，能快速判斷出故障類型和故障相，接地故障快速準(zhǔn)確動(dòng)作、快速熄滅電弧，整個(gè)接地過(guò)程電纜橋架內(nèi)未發(fā)生明火，該裝置有效遏制多根電纜燃燒事故，降低事故損失率;選線裝置快速準(zhǔn)確選出故障回路，堅(jiān)定線路停電操作的信心;高壓閃絡(luò)法檢測(cè)【4】電纜故障點(diǎn)簡(jiǎn)單實(shí)用安全高效快速。解決了德勝公司網(wǎng)架結(jié)構(gòu)不合理，提升了公司電網(wǎng)的安全運(yùn)行環(huán)境。因此從技術(shù)成熟度、經(jīng)濟(jì)效益、節(jié)能效果以及運(yùn)行可靠性等綜合指標(biāo)，SHK-ZGKS 管控系統(tǒng)在解決企業(yè)單相故障及選線不準(zhǔn)的優(yōu)化方案上值得推廣和應(yīng)用。

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