熱電廠(chǎng)35 kV供電系統(tǒng)小電流接地選線(xiàn)系統(tǒng)更新改造研究

廖勤文　郭程

摘 要：首先介紹了熱電廠(chǎng)35 kV供電系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀，對(duì)小電流接地選線(xiàn)系統(tǒng)更新改造的必要性進(jìn)行了闡述，隨后結(jié)合接地選線(xiàn)保護(hù)裝置的線(xiàn)路選擇原理，制定了小電流接地選線(xiàn)系統(tǒng)的更新改造方案，最后分析了小電流接地選線(xiàn)系統(tǒng)更新改造后的實(shí)際運(yùn)行效果。

關(guān)鍵詞：35 kV供電系統(tǒng)；小電流接地選線(xiàn)；選線(xiàn)原理；更新改造

中圖分類(lèi)號(hào)：TM64? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2023）13-0081-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.13.021

0? ? 引言

中鋁山東有限公司熱電廠(chǎng)主要擔(dān)負(fù)著中鋁山東企業(yè)氧化鋁、化學(xué)品氧化鋁生產(chǎn)用汽和用電的供應(yīng)任務(wù)，是中鋁山東有限公司實(shí)現(xiàn)鋁、熱、電聯(lián)合發(fā)展，能源綜合利用的能源生產(chǎn)單位。熱電廠(chǎng)主要通過(guò)35 kV系統(tǒng)向生產(chǎn)單位供電，當(dāng)35 kV供電系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障時(shí)，及時(shí)排查判斷出故障線(xiàn)路進(jìn)行隔離，確保供電可靠性尤為重要。歷年來(lái)，由于35 kV供電系統(tǒng)部分線(xiàn)路接地故障，原有的小電流接地選線(xiàn)系統(tǒng)無(wú)法第一時(shí)間判別消除，造成線(xiàn)路拉弧著火導(dǎo)致生產(chǎn)單位停電停產(chǎn)的事故已多次發(fā)生，給生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)帶來(lái)了嚴(yán)重?fù)p失。為快速判斷處理35 kV供電系統(tǒng)中的接地故障，避免事故擴(kuò)大造成大面積停電，有必要對(duì)熱電廠(chǎng)35 kV配電室內(nèi)的小電流接地選線(xiàn)系統(tǒng)進(jìn)行更新改造，以縮短單相接地故障發(fā)生時(shí)接地線(xiàn)路的判斷選線(xiàn)時(shí)間。

1? ? 熱電廠(chǎng)35 kV系統(tǒng)運(yùn)行方式及中性點(diǎn)接地方式

熱電廠(chǎng)35 kV供電系統(tǒng)是全公司的主干電網(wǎng)，運(yùn)行方式如圖1所示，采用單母線(xiàn)四分段運(yùn)行，35 kV Ⅰ、Ⅱ段母線(xiàn)并列運(yùn)行，35 kV Ⅲ、Ⅳ段母線(xiàn)并列運(yùn)行，電源進(jìn)線(xiàn)分別取自4臺(tái)主變35 kV側(cè)，所帶負(fù)荷共有11回出線(xiàn)，分別送至二鋁35 kV站、廠(chǎng)東35 kV站、廠(chǎng)北35 kV站、南變35 kV站，將廠(chǎng)內(nèi)發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能通過(guò)高壓電力電纜輸送到生產(chǎn)單位周邊的變電所中，供生產(chǎn)單位使用，此外還有兩回備用線(xiàn)路。

熱電廠(chǎng)35 kV供電系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地方式為經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地，消弧線(xiàn)圈采用了3套思源電氣股份有限公司生產(chǎn)的XHK-Ⅱ-ZP+型消弧線(xiàn)圈自動(dòng)調(diào)諧及接地選線(xiàn)成套裝置，其中1#、2#消弧裝置并列運(yùn)行接入35 kV Ⅰ、Ⅱ段母線(xiàn)，3#消弧裝置接入35 kV Ⅲ、Ⅳ段母線(xiàn)，分別投運(yùn)。

2? ? 更新改造的必要性

2.1? ? 單相接地故障的危害

熱電廠(chǎng)35 kV供電系統(tǒng)中最常見(jiàn)的故障是線(xiàn)路單相接地故障，由于發(fā)生接地故障時(shí)系統(tǒng)中存在消弧線(xiàn)圈的補(bǔ)償電流，接地電流相對(duì)較小，雖然按照相關(guān)規(guī)定是允許在2 h內(nèi)繼續(xù)運(yùn)行的[1-2]，但是接地故障發(fā)生時(shí)未接地相對(duì)地的穩(wěn)態(tài)電壓會(huì)從相電壓升高，可能達(dá)到線(xiàn)電壓，此時(shí)對(duì)電纜絕緣是極大的考驗(yàn)[2-3]。若判斷隔離故障線(xiàn)路不及時(shí)，35 kV線(xiàn)路單相接地故障會(huì)逐漸發(fā)展成兩相短路或者弧光接地等故障，繼而引發(fā)更加惡劣的事故，造成極大的損失[3]。從實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)看，當(dāng)35 kV出線(xiàn)發(fā)生單相接地故障后引發(fā)其他事故的時(shí)間是短于規(guī)定的2 h的，所以亟需提高接地故障時(shí)故障線(xiàn)路選擇與隔離的速度。

2.2? ? 舊系統(tǒng)存在的問(wèn)題

雖然熱電廠(chǎng)35 kV配電室內(nèi)原安裝的XHK-Ⅱ-ZP+型消弧線(xiàn)圈自動(dòng)調(diào)諧及接地選線(xiàn)成套裝置配置有單相接地故障選線(xiàn)功能，但該裝置對(duì)發(fā)生接地故障的線(xiàn)路并不能做出準(zhǔn)確判斷，仍需要操作人員采用“人工拉路”方式對(duì)35 kV出線(xiàn)進(jìn)行逐個(gè)停電排查。2018年的兩次接地故障記錄如表1所示。

經(jīng)思源電氣公司技術(shù)人員到場(chǎng)檢查，發(fā)現(xiàn)選線(xiàn)不準(zhǔn)確的主要原因是：1）35 kV供電系統(tǒng)中存在較多諧波，對(duì)裝置采集判斷造成干擾；2）未配置并聯(lián)中電阻選線(xiàn)功能，采用準(zhǔn)確性不高的普通選線(xiàn)功能；3）為了保證在生產(chǎn)單位不停電的情況下處理單相接地故障，運(yùn)行人員會(huì)將35 kV Ⅱ、Ⅲ段母聯(lián)開(kāi)關(guān)合閘，便于倒閘操作轉(zhuǎn)移負(fù)荷，但35 kV Ⅱ、Ⅲ段母聯(lián)開(kāi)關(guān)的分合閘造成了3套消弧線(xiàn)圈運(yùn)行方式頻繁改變，補(bǔ)償電流不斷調(diào)整，干擾了裝置判斷選線(xiàn)。

2.3? ? “人工拉路”查找方法缺點(diǎn)

因原有小電流接地選線(xiàn)系統(tǒng)準(zhǔn)確率不高，只能由運(yùn)行人員與電力調(diào)度溝通，采用“人工拉路”的辦法從不重要線(xiàn)路至重要線(xiàn)路逐個(gè)回路停電來(lái)排查故障線(xiàn)路。雖然“人工拉路”能夠十分準(zhǔn)確地找出故障線(xiàn)路，但要逐條線(xiàn)路停電，直到拉到故障電纜，排查時(shí)間很長(zhǎng)，并且排查過(guò)程中為避免影響生產(chǎn)，運(yùn)行人員需要頻繁地倒閘操作將負(fù)荷遷移至備用線(xiàn)路上，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還增大了事故擴(kuò)大和誤操作發(fā)生的可能性。同時(shí)“人工拉路”排查過(guò)程中，線(xiàn)路斷路器每一次分合閘都會(huì)縮短設(shè)備的使用壽命，并且會(huì)對(duì)35 kV供電系統(tǒng)構(gòu)成沖擊，極易造成操作過(guò)電壓或者諧振過(guò)電壓等[4]。

2.4? ? 更新改造對(duì)策

針對(duì)原有小電流接地選線(xiàn)系統(tǒng)準(zhǔn)確率不高的現(xiàn)狀，熱電廠(chǎng)決定對(duì)小電流接地選線(xiàn)系統(tǒng)進(jìn)行更新改造，比對(duì)市場(chǎng)上多款接地故障選線(xiàn)裝置后，在35 kV配電室新增一套山東科匯電力自動(dòng)化股份有限公司生產(chǎn)的XP-300接地故障選線(xiàn)保護(hù)裝置，改造小電流接地系統(tǒng)二次回路，將35 kV供電系統(tǒng)中的各項(xiàng)參數(shù)接入系統(tǒng)。

3? ? 小電流接地系統(tǒng)選線(xiàn)判據(jù)

3.1? ? XHK-Ⅱ-ZP+型消弧線(xiàn)圈自動(dòng)調(diào)諧及選線(xiàn)成套裝置

XHK-Ⅱ-ZP+型消弧線(xiàn)圈自動(dòng)調(diào)諧及選線(xiàn)成套裝置可選配并聯(lián)中電阻選線(xiàn)功能，采用并聯(lián)中電阻法進(jìn)行選線(xiàn)，但在實(shí)際安裝時(shí)沒(méi)有選配并聯(lián)中電阻箱，而是采用多種選線(xiàn)算法進(jìn)行表決的綜合選線(xiàn)方法，包括人工智能、零序阻抗變化、五次諧波等。在經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地系統(tǒng)中，發(fā)生接地故障時(shí)流過(guò)故障線(xiàn)路上的穩(wěn)態(tài)電流會(huì)在補(bǔ)償電流的作用下特別小，實(shí)踐證明這些利用穩(wěn)態(tài)信號(hào)的故障選線(xiàn)功能實(shí)用效果并不準(zhǔn)確。

3.2? ? XP-300接地故障選線(xiàn)保護(hù)裝置

XP-300接地故障選線(xiàn)保護(hù)裝置采用了利用暫態(tài)信息的電力線(xiàn)路故障檢測(cè)技術(shù)。對(duì)接地故障暫態(tài)信號(hào)進(jìn)行分析，在特定頻段（Selected Frequency Band，SFB）內(nèi)，發(fā)生接地故障的線(xiàn)路上零序電流的幅值最大，非故障線(xiàn)路和故障線(xiàn)路的零序電流極性、零序電流和無(wú)功功率的方向均相反[5-6]。XP-300接地故障選線(xiàn)保護(hù)裝置采用SFB分量，綜合暫態(tài)零序電流群體比較法、暫態(tài)無(wú)功功率方向法、有功功率方向法等選線(xiàn)方法，在經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地系統(tǒng)中以故障時(shí)的暫態(tài)信號(hào)為基礎(chǔ)，以有功分量作為補(bǔ)充。

1）暫態(tài)零序電流群體比較法：在正常運(yùn)行時(shí)，三相電流基本平衡，零序電流幅值較小，一旦發(fā)生單相接地故障，故障相就會(huì)疊加容性電流，導(dǎo)致故障相電流幅值增大，此時(shí)故障線(xiàn)路零序電流最大，非故障線(xiàn)路的零序電流波動(dòng)較小[7]。并且故障線(xiàn)路中的暫態(tài)零序電流由故障點(diǎn)流向母線(xiàn)側(cè)，而在非故障線(xiàn)路中，暫態(tài)零序電流由母線(xiàn)側(cè)流向故障點(diǎn)。為此，綜合對(duì)比母線(xiàn)所有出線(xiàn)的零序電流幅值與極性，就可判斷故障線(xiàn)路。

2）暫態(tài)無(wú)功功率方向法：比較零序電流與零序電壓的極性關(guān)系，識(shí)別接地故障的方向，利用故障線(xiàn)路和非故障線(xiàn)路上的暫態(tài)零序電流或無(wú)功功率方向相反的特點(diǎn)來(lái)選線(xiàn)[7]。

3）有功功率方向法：在經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地系統(tǒng)中，消弧線(xiàn)圈的有功損耗和阻尼電阻會(huì)產(chǎn)生有功分量，故可利用故障線(xiàn)路和非故障線(xiàn)路的有功功率方向相反的特點(diǎn)來(lái)選線(xiàn)[5]。

4? ? 更新改造實(shí)施方案

4.1? ? 信號(hào)的采集

XP-300接地故障選線(xiàn)裝置需在現(xiàn)場(chǎng)采集母線(xiàn)電壓與零序電壓、線(xiàn)路零序電流、母聯(lián)開(kāi)關(guān)分合閘狀態(tài)等信號(hào)。

1）四個(gè)母線(xiàn)電壓分別由四個(gè)母線(xiàn)PT柜獲取，取每段A、B、C三相電壓值。

2）四個(gè)零序電壓分別由四個(gè)母線(xiàn)PT柜的開(kāi)口三角獲取。

3）零序電流的獲取有兩種方法：一種是通過(guò)獨(dú)立的零序電流互感器測(cè)量獲取，適用于電力電纜；另一種是通過(guò)三相電流互感器合成獲取，可用于電力電纜和架空線(xiàn)。熱電廠(chǎng)35 kV供電系統(tǒng)中所有出線(xiàn)均采用電力電纜，故選擇方法一通過(guò)獨(dú)立的零序電流互感器測(cè)量獲取線(xiàn)路零序電流。

4）三個(gè)母聯(lián)開(kāi)關(guān)分合閘狀態(tài)分別由三個(gè)母聯(lián)開(kāi)關(guān)柜獲取。

4.2? ? 零序電流互感器的正確使用

1）在線(xiàn)路上安裝零序電流互感器過(guò)程中，存在電纜金屬屏蔽層接地線(xiàn)要不要從零序電流互感器穿過(guò)的問(wèn)題。當(dāng)零序電流互感器安裝在電纜終端頭接地點(diǎn)的上方時(shí)，電纜外殼的接地電流還沒(méi)有穿過(guò)零序電流互感器，此時(shí)電纜接地線(xiàn)就應(yīng)該不穿過(guò)零序電流互感器而直接接地；當(dāng)零序電流互感器安裝在電纜終端頭接地點(diǎn)的下方時(shí)，電纜外殼的接地電流已經(jīng)流過(guò)了零序電流互感器，那么就要把接地線(xiàn)返回，并穿過(guò)零序互感器再接地[3，8-9]。

2）開(kāi)合式零序電流互感器，接口安裝完畢后，一定要恢復(fù)良好的閉合狀態(tài)，以免引起磁路不閉合而不能正常工作。

3）雖然要求所有線(xiàn)路零序電流互感器應(yīng)采用同一廠(chǎng)家、同一型號(hào)、極性與特性一致的產(chǎn)品，但是35 kV供電系統(tǒng)中部分線(xiàn)路已經(jīng)安裝了零序電流互感器，并且35 kV線(xiàn)路不能同時(shí)停電安裝，只能逐個(gè)在線(xiàn)路停電檢修時(shí)安裝。原有的部分零序電流互感器型號(hào)較舊，使用時(shí)間長(zhǎng)，老化嚴(yán)重，變比不準(zhǔn)確，故在線(xiàn)路停電檢修時(shí)更換為新零序電流互感器。

4）所有線(xiàn)路上的零序電流互感器安裝結(jié)束后，需對(duì)零序電流互感器進(jìn)行全面檢查，檢查二次線(xiàn)圈是否開(kāi)路，有一端是否可靠接地，并使用繼電保護(hù)測(cè)試儀試驗(yàn)零序電流互感器的極性和變比，確保工作正常。

4.3? ? 接地故障選線(xiàn)裝置定值配置

1）配置16個(gè)電壓通道，分別是四段母線(xiàn)三相電壓及零序電壓，三相電壓PT變比均為35 000/100，零序電壓PT變比均為20 207/100；

2）配置11個(gè)零序電流通道，分別是11條35 kV出線(xiàn)的零序電流，CT變比均為50/1；

3）配置3個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入，分別為3個(gè)母線(xiàn)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)分合閘狀態(tài)；

4）設(shè)定故障選線(xiàn)啟動(dòng)定值30 V，故障選線(xiàn)恢復(fù)電壓定值24 V，永久故障時(shí)間閾值3 000 ms，零序電壓有效值啟動(dòng)門(mén)檻定值5 V，零序電壓突變量啟動(dòng)門(mén)檻定值7.1 V，電流啟動(dòng)不選用。

5? ? 更新改造效果

自小電流接地選線(xiàn)系統(tǒng)更新改造完成后，2021年至2022年間熱電廠(chǎng)35 kV供電系統(tǒng)共發(fā)生單相接地故障7次，接地選線(xiàn)保護(hù)裝置均能在極短時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到接地故障的發(fā)生，立刻發(fā)出告警信號(hào)，選出故障線(xiàn)路、故障相提示運(yùn)行人員，選線(xiàn)結(jié)果準(zhǔn)確率達(dá)100%。相關(guān)接地故障記錄如表2所示。

另外，在運(yùn)行人員將35 kV Ⅱ、Ⅲ段母聯(lián)開(kāi)關(guān)合閘，系統(tǒng)運(yùn)行方式發(fā)生改變的情況下，更新改造后的小電流接地選線(xiàn)系統(tǒng)仍能再次準(zhǔn)確選出故障線(xiàn)路、故障相，選線(xiàn)結(jié)果與合閘前一致。實(shí)踐證明，更新改造后的小電流接地選線(xiàn)系統(tǒng)適用于熱電廠(chǎng)35 kV供電系統(tǒng)的接線(xiàn)方式，通過(guò)分析接地故障發(fā)生時(shí)的暫態(tài)信號(hào)，降低了消弧線(xiàn)圈補(bǔ)償電流的干擾，精準(zhǔn)度大幅提高，此次小電流接地選線(xiàn)系統(tǒng)更新改造取得了良好的效果。

6? ? 結(jié)束語(yǔ)

熱電廠(chǎng)小電流接地選線(xiàn)系統(tǒng)更新改造后，在35 kV供電系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，可以精準(zhǔn)、快速地選出接地故障線(xiàn)路，有效縮短單相接地故障的故障選線(xiàn)時(shí)間，提高接地故障處理效率，避免了調(diào)度人員誤切非故障線(xiàn)路，防止事故的擴(kuò)大，為公司生產(chǎn)安全和電力供應(yīng)提供了強(qiáng)有力的保障。

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收稿日期：2023-05-15

作者簡(jiǎn)介：廖勤文（1996—），男，江西贛州人，助理工程師，研究方向：電力系統(tǒng)運(yùn)行與維護(hù)。

郭程（1976—），男，山東淄博人，工程師，研究方向：電力系統(tǒng)運(yùn)行與維護(hù)。