昆鋼四總降35kV系統(tǒng)單相接地故障的危害及 整改措施

婁攀

昆明工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南昆明，650302

0 引言

昆鋼本部供電系統(tǒng)35kV及以下電壓等級(jí)較多，因各變電站建設(shè)時(shí)期、裝備技術(shù)水平及運(yùn)行需要的差異，本部供電系統(tǒng)各變電站35kV系統(tǒng)均采用中性點(diǎn)不接地運(yùn)行方式，該系統(tǒng)的特點(diǎn)是中性點(diǎn)是懸浮不固定的，當(dāng)三相系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)平衡，則電源中性點(diǎn)與用電設(shè)備中性點(diǎn)的電位平衡相等[1]。作為從事供電系統(tǒng)調(diào)度管理的調(diào)度員，必須掌握各種電壓等級(jí)系統(tǒng)接地方式的原理、運(yùn)行狀況及特點(diǎn)，才能更好地掌握各種系統(tǒng)正常時(shí)的操作方法和故障時(shí)的事故處理辦法。

1 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

在中性點(diǎn)不接地的系統(tǒng)中，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相金屬性接地時(shí)，系統(tǒng)的三相對(duì)稱關(guān)系并未破壞，僅中性點(diǎn)及各相對(duì)地電壓發(fā)生變化，非故障相對(duì)地電壓升高倍至線電壓，但系統(tǒng)中各相間的電壓仍然相等并且相位仍然不變。所以，中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，相對(duì)地的絕緣水平應(yīng)根據(jù)線電壓來設(shè)計(jì)。

如系統(tǒng)發(fā)生A相單相金屬性接地，中性點(diǎn)電位由零變至A相電壓，B、C相對(duì)地電位發(fā)生變化，上升至線電壓，但各相間的線電壓仍然相等并且相位仍然不變，接地點(diǎn)的電流IDL=IB+IC，為系統(tǒng)對(duì)地的工頻電容電流。故規(guī)程規(guī)定“中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，仍可以帶電運(yùn)行2小時(shí)”，從而提高了供電可靠性，并為查找、處理故障提供了時(shí)間。多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，此運(yùn)行方式對(duì)提高供電可靠性、減少停電事故非常有效。這種運(yùn)行方式減少了因?yàn)閱蜗嘟拥厥股a(chǎn)設(shè)備被迫突然停電的情況，避免了停電給企業(yè)帶來的經(jīng)濟(jì)損失，增加了企業(yè)用電的可靠性[2]。

2 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的缺點(diǎn)

在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，接地點(diǎn)通過的電流為電容性的，其大小為原來相對(duì)地電容電流的3倍，這種電容電流不易熄滅，可能在接地點(diǎn)引起“弧光接地”，周期性地熄滅和重新發(fā)生電弧。間歇性弧光接地的過電壓是設(shè)備絕緣的主要隱患。當(dāng)發(fā)生單相間歇性弧光接地時(shí)，非故障相將產(chǎn)生高于額定電壓很多倍的過電壓，而如果接地電流在電壓接近最大值時(shí)發(fā)生擊穿，過電壓將會(huì)更高。如果這時(shí)系統(tǒng)中接入的電磁式電壓互感器的激磁電抗與線路的對(duì)地容抗達(dá)到某種匹配時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相弧光間隙接地過電壓，則容易引發(fā)系統(tǒng)諧振過電壓，諧振過電壓輕則燒壞電壓互感器的熔斷器或損壞電壓互感器，重則造成系統(tǒng)發(fā)生短路停電的事故。特別是以電纜線路為主的供電網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)對(duì)地電容不斷增加，故障點(diǎn)的電容電流將增大，由于電纜線路的相間絕緣為硬性的絕緣，相間距離較短，電弧燃燒時(shí)將直接破壞相間絕緣，以致幾分鐘內(nèi)就會(huì)形成相間短路事故[3]。

3 通用型消弧消諧裝置YTX的基本功能

本裝置主要適用于電纜線路為主的電網(wǎng)、電纜與架空線路的混合電網(wǎng)。正常運(yùn)行時(shí)，本裝置承擔(dān)PT柜功能；同時(shí)裝置還具有系統(tǒng)斷線故障報(bào)警、系統(tǒng)金屬接地故障報(bào)警、系統(tǒng)弧光接地故障動(dòng)作、系統(tǒng)低電壓故障報(bào)警、系統(tǒng)過電壓故障報(bào)警、系統(tǒng)諧振故障動(dòng)作等故障處理功能，以及對(duì)動(dòng)作時(shí)的時(shí)間、故障性質(zhì)、故障相別、三相電壓、開口電壓、對(duì)地電容電流等故障的信息記錄。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相弧光接地故障時(shí)，裝置在兩個(gè)周波內(nèi)把弧光接地轉(zhuǎn)換成金屬性接地，并將電弧電流減為零，從而使弧光熄滅，這時(shí)微機(jī)控制器面板顯示故障性質(zhì)（弧光接地）、相別、動(dòng)作時(shí)間、對(duì)地電容電流等，同時(shí)輸出無源接點(diǎn)信號(hào)，并將系統(tǒng)中的過電壓限制在倍的相電壓之內(nèi)，可有效避免由此引發(fā)的相間短路、避雷器爆炸及電纜放炮等事故，最大可能地防止間隙性弧光接地故障的發(fā)展。當(dāng)發(fā)生金屬性接地時(shí)，微機(jī)控制器（YTM）顯示屏顯示并記錄金屬接地故障、接地時(shí)的三相電壓值、接地時(shí)間、接地報(bào)警儲(chǔ)存信號(hào)等信息。當(dāng)發(fā)生PT單相斷線時(shí)，微機(jī)控制器顯示屏可顯示PT斷線故障、三相電壓值、開口電壓值，同時(shí)提供報(bào)警信號(hào)。裝置微機(jī)控制器具有母線弧光接地動(dòng)作功能。微機(jī)控制器通過對(duì)系統(tǒng)電壓進(jìn)行采集、計(jì)算、分析，準(zhǔn)確判斷母線弧光接地相別，并驅(qū)動(dòng)消弧回路實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)弧光接地的保護(hù)作用，同時(shí)微機(jī)控制器保存弧光接地時(shí)母線電壓、開口三角電壓、系統(tǒng)對(duì)地電容電流等參數(shù)，便于動(dòng)作后分析。同時(shí)微機(jī)控制器具用CANBUS、RS485通信接口，可接入電氣監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遙信、遙測、遙控、遙設(shè)功能，采用國家標(biāo)準(zhǔn)通信規(guī)約，確保裝置與整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)兼容。

4 改造前四總降35kV系統(tǒng)的運(yùn)行情況

四總降的35kV系統(tǒng)出線少，共6回分別供35kV三總降壓站、35kV高線變電站和35kV制氧降壓站，但都為架空線路，系統(tǒng)電容電流較小，故都采用了中性點(diǎn)不接地的運(yùn)行方式。在這種方式下，發(fā)生單相接地故障時(shí)，線電壓仍然保持對(duì)稱性，對(duì)用戶影響不大。其次，35kV出線架空線路多，容易因樹木等原因發(fā)生一些瞬時(shí)性的接地故障，但很快又能夠自行消失，多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，此運(yùn)行方式對(duì)提高供電可靠性、減少停電事故非常有效。但隨著25MW和18MW余熱發(fā)電機(jī)組電纜并入四總降35kV系統(tǒng)運(yùn)行，特別是三煉鋼3臺(tái)精煉爐接入四總降35kV系統(tǒng)運(yùn)行后，因其出線電纜質(zhì)量問題多次發(fā)生絕緣擊穿接地事故，系統(tǒng)接地后因弧光過電壓導(dǎo)致25MW發(fā)電機(jī)組和18MW發(fā)電機(jī)組電纜和電壓互感器多次發(fā)生絕緣擊穿的次生事故[4]。為減輕弧光過電壓造成的危害，減少過電壓造成電纜線路絕緣擊穿起火的設(shè)備事故，在針對(duì)四總降35kV供電系統(tǒng)發(fā)生多次過電壓情況進(jìn)行分析和研究后，擬采取消弧及過電壓保護(hù)裝置，來確保昆鋼供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

5 加裝消弧及過電壓保護(hù)裝置

為了解決四總降35kV系統(tǒng)因弧光接地過電壓導(dǎo)致?lián)p傷電纜的事故，決定在四總降35kV系統(tǒng)加裝消弧及過電壓保護(hù)裝置，使不穩(wěn)定的弧光間歇性接地變?yōu)橹苯拥慕饘傩越拥?，從而避免弧光接地。在四總?5kVⅠ段和Ⅱ段母線分別加裝了一套消弧及過電壓保護(hù)裝置，開關(guān)編號(hào)分別為397#和398#，接于35kVⅠ段母線隔離刀閘為3971#，接于35kV Ⅲ-1段母線隔離刀閘為3973#；接于35kVⅡ段母線隔離刀閘為3982#，接于35kV Ⅲ-2段母線隔離刀閘為3983#，消弧及過電壓保護(hù)裝置主要由以下部分組成。

5.1 35kV消弧柜系統(tǒng)接線圖

消弧及過電壓保護(hù)裝置接線圖如圖1所示。

圖1 消弧及過電壓保護(hù)裝置接線圖

5.2 數(shù)碼消弧控制器ZK

數(shù)碼消弧控制器ZK是本裝置的核心部分，它根據(jù)專用電壓互感器PT提供的A、B、C三相電壓和開口三角電壓的信號(hào)，來分別判斷系統(tǒng)接地故障的相別和故障類型，按照消弧裝置預(yù)先設(shè)定的控制方式，分別控制高壓真空接觸器JZ的動(dòng)作程序。

5.3 專用的電壓互感器PT

在35kV消諧柜的操作面板上，安裝有A、B、C三相相電壓表及線電壓表，電壓表接于電壓互感器的二次測量繞組，與電壓轉(zhuǎn)換開關(guān)配合，用于監(jiān)測系統(tǒng)的電壓。電壓互感器輔助二次繞組，接成開口三角形接線，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，開口三角形接線的兩端電壓△U，立即由低電位變成高電位，使控制器ZK投入工作。

5.4 分相控制真空接觸器JZ（A、B、C）

分相控制真空接觸器一端經(jīng)高壓限流熔斷器組件FUR分別接35kV三相母線，另一端直接接地。處于運(yùn)行時(shí)，JZ均處于斷開位置，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地時(shí)，受控制器ZK的控制而使JZ合閘。JZ的作用是當(dāng)35kV系統(tǒng)發(fā)生弧光接地時(shí)，分相控制真空接觸器合閘后使不穩(wěn)定的弧光間隙性接地轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘傩灾苯咏拥?，從而保護(hù)系統(tǒng)不受過電壓危害而導(dǎo)致?lián)p壞設(shè)備。同時(shí)，接觸器操作回路三相相互閉鎖，當(dāng)其中任一相合閘接地時(shí)，另外兩相就不會(huì)再動(dòng)作[5]。

5.5 高壓限流熔斷器組件FUR

高壓限流熔斷器組件FUR是裝置的后備保護(hù)器件，它用來防止裝置故障造成的誤判斷兩相或三相JZ合閘，進(jìn)而導(dǎo)致的相間短路事故。

5.6 三相組合式過電壓保護(hù)器TBP

三相組合式過電壓保護(hù)器TBP是一種高容量的氧化鋅過電壓保護(hù)器，它采用四星形接線，用于保護(hù)系統(tǒng)的相間及對(duì)地過電壓保護(hù)，是本裝置中限制各種過電壓的核心元件，在高壓真空接觸器JZ未動(dòng)作之前將過電壓限制在安全范圍之內(nèi)。

5.7 零序電流互感器CT及接地電流表

在三相JZ的接地回路中，接有零序電流互感器CT，零序電流互感器CT的二次接有電流表，電流表安裝在控制面板上，當(dāng)任一相JZ合閘時(shí)，就有接地電流流過電流互感器，并可在電流表上顯示出接地電流的大小。

5.8 智能操控裝置

在裝置操作面板上，安裝一臺(tái)“智能操控裝置”，裝置上示意兩把隔離刀閘連接的母線，顯示刀閘的分、合閘運(yùn)行狀態(tài)，顯示A、B、C三相的帶電情況，以及顯示A、B、C三相真空接觸器分、合閘的運(yùn)行狀態(tài)。

6 四總降35kV加裝消弧裝置后，查找接地故障案例分析

改造完成后，四總降35kV I段曾發(fā)生A相接地故障（當(dāng)時(shí)四總降運(yùn)行2#和3#主變）。當(dāng)時(shí)，四總降反映35kV I段接地，電壓指示為：Ua=0、Ub=37kV、Uc=37kV，線電壓不變，同時(shí)397#消弧柜A相動(dòng)作，A相接地電流為10A。三總降、高線變均反映35kVⅠ段母線發(fā)生單相接地故障。電調(diào)室值班員分別通知三總降斷開供3#精煉爐的363#開關(guān)、高線變斷開供1#精煉爐357#開關(guān)后，四總降消弧裝置397#開關(guān)均不能復(fù)位，說明接地故障仍存在。通知四總降投1#備用變壓器，將25MW發(fā)電機(jī)（359#線路）轉(zhuǎn)由35kV Ⅲ-1段供電后，四總降397#消弧柜復(fù)位成功，35kV I段接地消除，接地故障轉(zhuǎn)移至35kV Ⅲ-1段，通知25MW發(fā)電機(jī)解列后，四總降斷開359#線路，接地消除。經(jīng)查，故障原因?yàn)?5MW發(fā)電機(jī)電纜在熱電車間圍墻邊電纜A相絕緣擊穿引起系統(tǒng)接地故障，因397#消弧裝置成功動(dòng)作，未發(fā)生過電壓造成次生事故。

7 存在的不足及整改措施

（1）新增消弧裝置后，四總降35kV系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，事故處理方法與原來有了本質(zhì)的不同。即系統(tǒng)發(fā)生一點(diǎn)接地故障后，消弧裝置動(dòng)作形成第二個(gè)接地點(diǎn)，在采取拉路法每次斷開某條出線后，必須通知四總降值班員對(duì)消弧裝置進(jìn)行手動(dòng)復(fù)位，依據(jù)復(fù)位成功與否及值班人員對(duì)消弧裝置實(shí)際接地情況的準(zhǔn)確判斷決定下一步的事故處理方案。這就必須加強(qiáng)電力調(diào)度員和四總降運(yùn)行值班人員對(duì)消弧裝置原理的學(xué)習(xí)，掌握正常運(yùn)行和事故處理中消弧裝置的操作要領(lǐng)。特別對(duì)電力調(diào)度員來說，必須掌握不同運(yùn)行方式下查找接地故障的方法，心中有清晰的思路，確保接地事故處理迅速、準(zhǔn)確，避免事故處理中發(fā)生誤操作、誤調(diào)度事故。通過對(duì)調(diào)度員和運(yùn)行人員的反復(fù)培訓(xùn)，近幾年來共處理了四總降35kV系統(tǒng)三十幾次單相接地故障事故，未發(fā)生倒閘操作和調(diào)度失誤[6]。

（2）四總降值班室內(nèi)無消弧裝置分、合閘位置指示，一旦消弧柜內(nèi)保險(xiǎn)熔斷等原因造成數(shù)碼消弧控制器無法顯示真空接觸器分、合閘指示時(shí)，難以判斷真空接觸器是否在合閘位置，造成無法判斷接地故障是系統(tǒng)本身故障還是消弧柜真空接觸器合閘后形成的接地故障，延誤了事故處理時(shí)間。針對(duì)此問題，已在四總降值班室增加了消弧裝置真空接觸器分、合閘位置指示，使值班人員在系統(tǒng)接地后盡快掌握真空接觸器動(dòng)作情況，有效提高了判斷事故性質(zhì)的準(zhǔn)確性。

（3）中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生接地故障后，對(duì)出線不多的變（配）電站2小時(shí)的時(shí)間一般能通過拉路法查找出故障線路。當(dāng)出線較多時(shí)，因下級(jí)站點(diǎn)減負(fù)荷需要時(shí)間，2小時(shí)的時(shí)間是很倉促的，倉促的時(shí)間內(nèi)完成眾多的調(diào)令及操作，可能影響調(diào)令及操作的正確率。故障存在的時(shí)間越長，造成事故擴(kuò)大的概率越高。故在出線較多的變（配）電站，不宜選用中性點(diǎn)不接地的運(yùn)行方式。

8 結(jié)語

四總降35kV系統(tǒng)加裝消弧及過電壓保護(hù)裝置后，較好地解決了該系統(tǒng)經(jīng)常發(fā)生的瞬間接地導(dǎo)致弧光過電壓、造成電纜線路絕緣擊穿著火等故障，進(jìn)一步提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性。但對(duì)于運(yùn)行值班員和調(diào)度管理人員來說，新增消弧裝置后，四總降35kV系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，事故處理的原則跟老方法有了較大區(qū)別，必須加強(qiáng)對(duì)消弧裝置原理的學(xué)習(xí)，掌握正常運(yùn)行和事故處理中消弧裝置的操作要領(lǐng)，迅速、準(zhǔn)確地處理接地事故，避免事故處理中發(fā)生誤操作、誤調(diào)度，確保昆鋼供電系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。