淺談氧化鋁廠10 kV單相接地故障整體解決方案

劉雙玖

(貴陽鋁鎂設計研究院有限公司,貴州 貴陽 550081)

利用中性點非有效形式進行10 kV中壓系統(tǒng)的接地(即小電流接地系統(tǒng))是國內配電網(wǎng)常用的方式,這個方式也是大部分氧化鋁廠的選擇。氧化鋁廠由大量10 kV高壓電機和變壓器組成,大量的電纜敷設導致中壓系統(tǒng)電容電流較高。因此,在進行系統(tǒng)設計時,有效提高小電流接地系統(tǒng)特別是對于電容電流較大的系統(tǒng)的可靠性尤為重要-這是因為由大量電纜組成的中壓電力系統(tǒng)其常見的故障是單相接地故障,當小電流接地系統(tǒng)單相接地故障發(fā)生時,電壓會因故障相被接地而降到0,非故障相的電壓反而會上升至線電壓。但是系統(tǒng)三相線電壓在這種故障情況下還是可以保持對稱運行幾個小時,確保用電設備的持續(xù)供電需求,提高了供電的安全性和可靠性。鑒于此,相較于大電流接地方式一旦故障就馬上跳閘的情況,小電流接地方式的運用更加具有優(yōu)勢。但是如果在中性點非有效接地系統(tǒng)發(fā)生瞬時或永久的單相接地后,倘若沒辦法快速精準的確定故障回路的話,那么小電流接地方式的優(yōu)勢就會不復存在,而且也可能因此造成其他衍生事故。如此一來,系統(tǒng)運行的安全性就會驟降,甚至會給供電系統(tǒng)的設備和工作人員帶來安全隱患。根據(jù)以上分析情況,對于中壓系統(tǒng)而言,安全性和可靠性是必須予以解決的兩個重要問題。

1 單相接地故障處理的現(xiàn)狀

10 kV中壓系統(tǒng)中的設備或者線路產(chǎn)生單相接地故障時,氧化鋁廠最常用的處理辦法是觸點消弧法和消弧線圈補償法,而且這兩種故障處理辦法都是獨立應用的,主要是根據(jù)系統(tǒng)中單相接地故障的性質和可能產(chǎn)生的后果選擇故障處理辦法。因此,這兩個方式都存在一定的弊端。在瞬時性的單相接地故障中,如果選擇消弧線圈補償法來處理故障,就會發(fā)現(xiàn)消弧線圈的電流不能馬上突變,使得消弧線圈初期的暫態(tài)過程比較長。如此一來,瞬時性的單相接地故障就沒辦法馬上處理好,很容易使得故障不斷增加;在弧光接地故障中,消弧線圈無法補償高頻接地電容電流,只能補償工頻或中頻接地電容電流。由此可以看出,消弧線圈的補償效果并不是太好。在永久性的接地故障中,消弧線圈更是沒辦法實現(xiàn)全補償,這樣故障點會因為無恒定殘流流過而導致諧振。在電纜支路發(fā)生單相接地故障時,故障點雖然只有很小的殘流流過,但是其絕緣作用已經(jīng)喪失,故障相電壓會在恢復上升的過程中再次擊穿故障點,最終導致相間短路事故的產(chǎn)生。觸點消弧法的界定如下:當系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時,控制系統(tǒng)接到啟動信號,直接啟動閉合真空斷路器或真空接觸器,把故障相直接與大地短接,人為造成金屬性接地,采取這種接地方式可以保護故障回路特別是電纜回路的安全。然而,對于瞬時性的接地故障,啟動真空接觸器或斷路器，會把瞬時性的接地故障變?yōu)橛谰眯缘慕拥毓收?。當故障恢復真空接觸器或斷路器打開的瞬間,又容易引起操作過電壓,即弧光接地過電壓,有可能造成故障點被再次擊穿,導致事故進一步惡化。

在現(xiàn)代化氧化鋁廠綜合自動化系統(tǒng)中,故障錄波裝置主要記錄工頻的故障波形,對中頻或高頻故障波形、暫態(tài)過電壓下的高頻電流信號等均無記錄。當前市場中大部分產(chǎn)品均采用電壓互感器記錄電壓故障波形,這主要是由于電壓互感器的鐵芯電磁感應頻譜不寬造成的。通常只有幾十到幾千赫茲針對十千赫茲以下的低頻率效果比較顯著,而中高壓電力系統(tǒng)中出現(xiàn)的大氣過電壓的波頭較陡(us級別),所以使用電壓互感器作為采樣信號裝置,一般只能真實記錄幾千赫茲以下的波形,對于過電壓及雷電的真實波形無法進行反應操作。因此,在外部操作過電壓及雷電過高電壓產(chǎn)生時,如果高電壓設備被燒毀或者因其他因素遭到損壞,那么其故障錄波裝置無法對電壓和電流值進行記錄。如此一來,其故障原因就無法找到,故障就沒辦法及時處理解決。

2 解決方案

為了提高中壓配電系統(tǒng)的供電可靠性,通常希望能夠快速檢測到單相接地故障信號,進而精準快速隔離并排除故障。因此,結合目前氧化鋁廠10 kV中壓系統(tǒng)單相接地故障處理的現(xiàn)狀,應廣泛利用單相接地故障選線裝置。該裝置基于可控脈沖電流選線的故障選線方法,以實現(xiàn)較高的選線精準度。同時,基于弧光過電壓轉移的故障處理方法來提高故障處理的時效性。一旦10 kV中壓系統(tǒng)單相接地故障,裝置可以選線選到各個高壓配電室的每一臺開關柜,同時對故障全過程的暫態(tài)過電壓波形進行記錄,對事故責任的認定和未來事故的預防提供科學、可靠的數(shù)據(jù)。

安裝設備數(shù)量要根據(jù)10 kV系統(tǒng)主接線及運行方式確定。例如,某氧化鋁廠10 kV主接線采用單母線分段,正常分段運行,單相接地故障處理系統(tǒng)在10 kV總配電需要安裝兩套單相接地故障管理裝置,具體所需設備如下:

(1)在10 kV配電室配置單相接地故障管理裝置,柜體采用800 mm×1500 mm×2300 mm (寬×深×高)柜型,共4臺,具體元器件參見圖1;

(2)對于每個出線回路,應該配置專用零序電流互感器和脈沖信號采集單元,采用光纖進行有效連接。這樣就不需要多層次選線,直接一次性直接選線至負荷末端,從根本上解決了中性點非有效接地系統(tǒng)的故障選線難題;

(3)設置后臺操作機一套,這樣在處理單相接地故障時會更加快速準確;

(4)對于傳輸距離大于1 km的遠距離信號傳輸,必須配置光纖通訊。

3 該配置方案達到的效果

(1)選線準確:可以選到各分廠各個配電室的每一臺10 kV開關柜;

(2)單相接地故障處理功能靈活,不重要負荷可直接設定跳閘,重要負荷僅報警,人工倒負荷;

(3)可以減少停電時間,降低停電頻次;

(4)可實現(xiàn)快速處理單相接地故障,最大程度地避免因單相接地引起兩相或三相短路,引起繼電保護跳閘造成事故擴大,以防給生產(chǎn)和系統(tǒng)安全運行帶來巨大經(jīng)濟損失,繼而減輕生產(chǎn)人員運行及檢修工作量;

(5)系統(tǒng)中發(fā)生的操作過電壓、感應雷擊過電壓、諧波畸變過電壓高頻部分、弧光過電壓高幅值高頻部分會得到有效抑制,這樣可以保護系統(tǒng)弱絕緣設備,例如電纜、電壓互感器、電機等;

(6)裝置在處理接地故障時具有精準、快速的優(yōu)勢。當系統(tǒng)發(fā)生單相弧光接地故障時,在兩個周波內,裝置會把弧光接地轉換成直接金屬接地,將短路點流過中性導體的電弧電流快速降為0。如此一來,線電壓會高于故障點過電壓,促使弧光熄滅,最大可能地防止間隙性弧光接地故障的發(fā)展。

4 單相接地故障管理系統(tǒng)選線與故障處理

4.1 單相接地故障管理系統(tǒng)-選線功能

單相接地故障管理系統(tǒng)選線與故障處理系統(tǒng)圖參見圖1。在中性點依次串聯(lián)一臺隔離開關、熔斷器和接地變壓器(Z型接線),然后并聯(lián)一臺消弧線圈和可控硅后接地。當系統(tǒng)正常運行時,接地變壓器的中性點電壓會有很小的偏移電壓或者偏移電壓為0,這個時候可控硅是不通導的。而當系統(tǒng)中有一支線路發(fā)生單相接地故障,在20 ms內主控制器就會檢測到接地信號,判斷接地相,然后就會觸發(fā)可控硅通導。故障線路就會流過一個可控的強脈沖零序電流信號,然后被一個脈沖式零序電流互感器采集,選線信號采集單元把采集到的模擬信號轉換成數(shù)字信號后再傳輸?shù)街骺刂破鳌Ｖ骺刂破髋袛喙收暇€路、故障類型及故障時間等。

圖1 單相接地故障管理系統(tǒng)與故障處理系統(tǒng)圖

可控脈沖電流選線具有如下主要技術特點:

(1)對于脈沖電流的大小可以進行有效控制。根據(jù)10 kV系統(tǒng)運行情況,接地變壓器的短路阻抗的阻值大小均可以進行調整,這樣高壓可控硅是否導通或者導通時間的長短,利用相控技術進行控制。調節(jié)可控硅相控角的開度來實現(xiàn)短路脈沖電流大小。

(2)在時間上,脈沖電流是可以提前預見的。通過主控器對系統(tǒng)的運行進行實時檢測,在單相接地故障發(fā)生時,通過控制高壓可控硅關斷和導通,使得短路脈沖電流得以提前預見,這樣電流信號才更容易被采集單元接收。

(3)脈沖電流波形具有特征真實、準確的特點。主要是利用了脈沖電流提取技術,這樣可以將可控硅瞬時導通產(chǎn)生的脈沖電流非常準確完整的提取出來,提高了選線的抗干擾性。如此一來,即使高阻接地,對于選線的準確性也不會有什么影響。

(4)脈沖式選線信號采集單元。設計特殊的零序電流互感器,它的抗飽和性能被提升了很多,且因采集單元把零序電流互感器采集到的模擬信號轉換成數(shù)字信號后傳輸,這樣抗干擾性也大幅度提升。

4.2 單相接地故障管理系統(tǒng)-故障處理功能

將目前已經(jīng)成熟穩(wěn)定的消弧線圈和觸點消弧技術進行整合,形成了優(yōu)勢互補、互相配合、互為保護,提供了更為靈活、有效、安全的處理手段。消弧線圈對觸點消弧的工作提供了可靠保護,解決了觸點消弧與熔絲的配合問題,使觸點消弧可以有效工作;觸點消弧提供了最直接有效的消弧手段,使消弧線圈不用長期工作,成本大幅降低。配電PT柜中的專用過電壓吸收器限制弧光過電壓峰值,解決了觸點消弧動作前過電壓保護的“死區(qū)”問題,同時也有利于熄弧。

當發(fā)生單相接地故障時,迅速啟動脈沖式消弧線圈和觸點消弧。當脈沖式消弧線圈穩(wěn)定工作并實現(xiàn)補償后,退出觸點消弧。此時若故障消失,則判斷故障為臨時性接地故障,退出脈沖式消弧線圈。若故障依然存在,則再次閉合真空接觸器。由于脈沖式消弧線圈可以有效限制觸點消弧的真空接觸器開斷引起的操作電壓,進行故障電流的轉移,讓系統(tǒng)可以穩(wěn)定的運行1～2 h。根據(jù)單相接地故障的不同性質,以及不同負載的重要程度,可以選擇不同的故障處理功能,這樣可以讓消弧線圈和觸點消弧在更好的保護彼此的同時,快速有效的處理單相接地故障。

5 結 語

文中通過對中性點非有效接地故障原理和單相接地故障處理的現(xiàn)狀進行分析,提出了系統(tǒng)選線和處理方案。可以有效提高中壓系統(tǒng)單相接地故障時檢測和處理故障的效率,減少中壓系統(tǒng)單相接地故障對供電系統(tǒng)造成的危害,進而提高供電可靠性和安全性。