劉新泉 劉雪芹
關(guān)于泵站工程應(yīng)用故障相接地法消弧裝置的探討
劉新泉 劉雪芹
目前我國110kV及以上電網(wǎng)中性點(diǎn)一般采用大電流接地方式,當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí),非故障相對(duì)地電壓不會(huì)升高,所以可降低設(shè)備的絕緣水平,降低造價(jià);但此時(shí)故障電流大,需要迅速切除故障部分,從而使供電可靠性差。因此在實(shí)際運(yùn)行中,為降低單相接地電流,部分變壓器中性點(diǎn)也采用不接地方式。6~35kV電網(wǎng)中性點(diǎn)一般采用小電流接地方式,當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí),非故障相對(duì)地電壓升高至線電壓,不會(huì)危害正常電氣設(shè)備的絕緣。由于故障電流小,系統(tǒng)三相電壓仍然對(duì)稱不影響對(duì)設(shè)備的正常供電,因此不會(huì)造成供電中斷。
泵站工程供電電源的電壓等級(jí)是根據(jù)其負(fù)荷等級(jí)、裝機(jī)容量和輸電距離決定的,如南水北調(diào)東線工程,泵站年運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、裝機(jī)容量大、輸電距離遠(yuǎn),供電電源一般采用 35kV和110kV兩種電壓等級(jí)供電,泵站設(shè)置1~2臺(tái)主變壓器。當(dāng)采用35kV電壓供電時(shí)變壓器中性點(diǎn)為不接地運(yùn)行方式,采用110kV電壓供電時(shí)變壓器設(shè)有中性點(diǎn)接地組合裝置,該裝置由隔離開關(guān)、放電間隙和氧化鋅避雷器等設(shè)備組成。電網(wǎng)系統(tǒng)中的變壓器中性點(diǎn)接地的數(shù)目和地點(diǎn)由供電公司調(diào)度部門按繼電保護(hù)的要求設(shè)置,一般情況下客戶端變壓器運(yùn)行時(shí)隔離開關(guān)為斷開狀態(tài)(即不接地運(yùn)行方式),受上級(jí)調(diào)度時(shí)隔離開關(guān)合閘中性點(diǎn)接地運(yùn)行。對(duì)于城市防洪排澇用的中小型泵站或者農(nóng)村排灌站大多采用10kV電源供電,有的泵站雖裝設(shè)10kV電機(jī),由于裝機(jī)容量小、輸電距離短,一般采用10kV直配電的方式供電。因此,泵站工程大都采用中性點(diǎn)不接地的運(yùn)行方式。
對(duì)于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng),當(dāng)發(fā)生單相金屬性接地故障時(shí),非故障相對(duì)地電壓會(huì)升高到正常相電壓的倍。由于故障點(diǎn)電流較小,且此時(shí)系統(tǒng)的三相電壓仍然對(duì)稱,不會(huì)影響對(duì)設(shè)備的正常供電,一般允許繼續(xù)帶故障短時(shí)運(yùn)行。但是,如果另一相又發(fā)生接地故障就形成兩相接地短路,會(huì)產(chǎn)生很大的短路電流而損壞線路和設(shè)備。國家規(guī)程規(guī)定,在發(fā)生單相接地故障后允許短時(shí)間帶故障運(yùn)行2h。因此,當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)必須及時(shí)找到故障線路予以切除,防止故障進(jìn)一步擴(kuò)大。為了找出故障線路,供電部門運(yùn)行人員一般采用試?yán)ɑ蛐‰娏鹘拥剡x線法確定故障線路。
以上是發(fā)生單相金屬性接地故障時(shí)的危害和處理方法,如果發(fā)生了間歇性單相弧光接地,則會(huì)產(chǎn)生很高的弧光過電壓,非故障相的過電壓幅值可高達(dá)正常相電壓的3.5倍,嚴(yán)重威脅電氣設(shè)備的絕緣,甚至造成絕緣擊穿,進(jìn)而發(fā)展成相間短路故障。近些年市場(chǎng)上推出了一種采用故障相接地法的消弧裝置,其原理是,當(dāng)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí),將故障相接地,強(qiáng)行導(dǎo)致故障相對(duì)地電壓為零,從而實(shí)現(xiàn)消弧。
該消弧裝置是一種具有消弧、消諧及過電壓保護(hù)功能的裝置,市場(chǎng)上出現(xiàn)的消弧裝置一般結(jié)合電壓互感器柜實(shí)現(xiàn)該功能,其原理接線見圖1所示。開關(guān)柜中三個(gè)分相控制的高壓真空接觸器KA、KB、KC平時(shí)處于分?jǐn)酄顟B(tài),電壓互感器PT二次側(cè)輸出的三相電壓正常,零序電壓幾乎為零。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生弧光接地時(shí),微機(jī)控制器WZK根據(jù)采集的零序電壓和三相電壓進(jìn)行計(jì)算分析,判斷接地故障的相別及弧光接地類型,發(fā)出指令使故障相的真空接觸器合閘,把系統(tǒng)由不穩(wěn)定的弧光接地故障變?yōu)榉€(wěn)定的金屬性接地故障,故障相的對(duì)地電壓降為零,原接地故障點(diǎn)的弧光熄滅,避免了弧光過電壓的產(chǎn)生,而其他兩相的對(duì)地電壓則限制在線電壓的水平上。真空接觸器閉合數(shù)秒后,微機(jī)控制器令故障相的真空接觸器斷開,若斷開后再無弧光接地故障現(xiàn)象,說明這一接地故障是暫時(shí)性的,系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行;若斷開后再次出現(xiàn)弧光接地故障,則認(rèn)定這一故障為永久性弧光接地,此時(shí)微機(jī)控制器再次發(fā)出指令使故障相的真空接觸器合閘,并發(fā)出報(bào)警信號(hào),提示故障發(fā)生的相別,以便通知運(yùn)行人員排除故障。
圖1 消弧裝置接線圖
隨著城市的規(guī)劃和發(fā)展需要,城郊區(qū)10~35kV配電網(wǎng)由原來的架空線路為主逐漸被電纜線路所取代,從近些年已建和在建的水利工程看,許多泵站供電線路采用了電纜線路。與架空線路不同,電纜線路的絕緣水平低,對(duì)弧光接地過電壓的承受能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于架空線路,一旦發(fā)生擊穿其絕緣很難恢復(fù),而且故障發(fā)展迅速,如果不及時(shí)斷開故障線路,將會(huì)發(fā)生相間短路事故并引起火災(zāi)。
在電纜線路為主的配電網(wǎng)中采用不接地或經(jīng)消弧線圈接地方式,因單相接地過電壓燒壞設(shè)備的事故概率大大增加,因此采用故障相接地法的消弧裝置有了應(yīng)用機(jī)會(huì)。從工作原理上分析,采用故障相接地法的消弧裝置具有一定可行性,與傳統(tǒng)的中性點(diǎn)安裝消弧線圈接地相比,該裝置具有造價(jià)低、占地面積小、安裝方便、維護(hù)量小等優(yōu)點(diǎn),所以逐漸被冶金、石化、煤炭、鋼鐵及電力等行業(yè)接受和使用,水利行業(yè)有一些泵站工程特別是直配電工程也使用了該消弧裝置。
消弧裝置應(yīng)用之初得到了供電部門的許可,在實(shí)際運(yùn)行中也確實(shí)發(fā)揮了作用,避免了一部分事故發(fā)生。如蘇北某泵站在建成投運(yùn)后不久發(fā)生了一起因供電線路單相接地、消弧裝置動(dòng)作報(bào)警、運(yùn)行人員及時(shí)排查切除故障線路的案例,避免了事故擴(kuò)大。
采用故障相接地法的消弧裝置對(duì)線路發(fā)生的單相接地能夠進(jìn)行保護(hù),但其消弧工作原理具有一定局限性,下面就存在問題和適用場(chǎng)合進(jìn)行分析。配電系統(tǒng)消弧裝置接線見圖2所示。
1.使用多臺(tái)消弧裝置會(huì)造成多點(diǎn)接地假象
對(duì)于單個(gè)泵站工程而言,該裝置能起到消弧保護(hù)作用,但對(duì)于電力系統(tǒng),面對(duì)的是無數(shù)個(gè)用電客戶,如果在配電網(wǎng)中多個(gè)客戶端變電所裝設(shè)消弧裝置,將會(huì)造成多點(diǎn)接地的假象。如圖2所示,客戶端1、2、3母線裝設(shè)了消弧裝置,當(dāng)配電網(wǎng)任一出線發(fā)生弧光接地(如客戶端1供電線路單相接地),客戶端1、2、3微機(jī)控制器WZK均同時(shí)采集到電壓變化,由于各消弧裝置生產(chǎn)廠家不一、控制器建模不同,3臺(tái)消弧裝置都有動(dòng)作的可能性(即消弧裝置動(dòng)作具有隨機(jī)性、無選擇性),多臺(tái)消弧裝置動(dòng)作后弧光隨即消失,此時(shí)系統(tǒng)的故障相上呈現(xiàn)出多個(gè)金屬性接地點(diǎn),造成了多點(diǎn)接地的假象,采用小電流接地選線法無法判斷故障線路,采用試?yán)ń拥噩F(xiàn)象不會(huì)消失,按規(guī)程規(guī)定,超過2h故障未能排除,總降變電所母線必須停電,就會(huì)造成大面積停電。
2.判相錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致事故擴(kuò)大
當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生弧光接地時(shí),控制器根據(jù)采集的電壓信號(hào)進(jìn)行計(jì)算,根據(jù)預(yù)先建立的仿真模型進(jìn)行分析,判斷接地故障的相別,但故障相判斷不能做到100%的準(zhǔn)確。由于配電網(wǎng)接線的復(fù)雜性和運(yùn)行方式的靈活性,當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)表現(xiàn)出的穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)故障特征不盡相同,控制器仿真模型不能涵蓋所有的故障特征。如圖1所示,當(dāng)客戶端1供電線路發(fā)生A相接地時(shí),此時(shí)應(yīng)將故障相A相接地,但控制器若判相錯(cuò)誤使B相接地就會(huì)形成相間短路導(dǎo)致事故擴(kuò)大,客戶端1母線就會(huì)因跳閘而停電,對(duì)于一些對(duì)供電可靠性要求特別高的行業(yè)就會(huì)造成停產(chǎn),甚至產(chǎn)品報(bào)廢導(dǎo)致重大損失。為了防止判相錯(cuò)誤,消弧裝置每相設(shè)置高壓熔斷器,避免相間短路。但熔斷器開斷電流能力較低(這也是制約熔斷器廣泛使用的原因),發(fā)生短路時(shí)一旦不能正確開斷,電弧在熔管中產(chǎn)生大量熱量,造成熔斷器爆炸,因此存在嚴(yán)重的安全隱患。
3.使用消弧裝置會(huì)損壞電氣設(shè)備
對(duì)于10kV直配電方式供電的泵站,電機(jī)是直接連接在10kV配電網(wǎng)上運(yùn)行的,一旦電機(jī)定子繞組發(fā)生單相接地,消弧裝置動(dòng)作會(huì)短接一部分定子繞組,被短接的這部分繞組切割磁力線產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì),相當(dāng)于故障相接地后消弧裝置短接了一個(gè)電源。由于直配電供電省去了變壓器變壓這個(gè)環(huán)節(jié),缺少了變壓器這部分阻抗,產(chǎn)生的短路電流可達(dá)幾千安乃至幾十千安,會(huì)燒壞電機(jī)繞組和定子線槽,損傷電機(jī)。因此,直配電泵站工程不能使用消弧裝置。
對(duì)于一些安裝了變壓器的小型泵站,由于變壓器容量較小,一般采用高壓熔斷器或負(fù)荷開關(guān)進(jìn)行保護(hù)。如果變壓器繞組發(fā)生單相接地,油浸變壓器的拉弧會(huì)自愈,熔斷器或負(fù)荷開關(guān)會(huì)開斷,不會(huì)造成事故。但采用了消弧裝置動(dòng)作后,與上述電機(jī)繞組被短接的情況相似,短接的這部分繞組產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì),相當(dāng)于變壓器內(nèi)部發(fā)生匝間短路,從而損壞變壓器繞組絕緣造成事故。因此,采用故障相接地法的消弧裝置只能用于線路消弧。
圖2 配電系統(tǒng)消弧裝置接線圖
綜上可以看出,如果多個(gè)客戶端變電所裝設(shè)采用故障相接地法的消弧裝置,在系統(tǒng)發(fā)生單相弧光接地時(shí)會(huì)造成多點(diǎn)接地的人為假象,且動(dòng)作不具有選擇性,退出也是隨機(jī)的,無法真正找到故障點(diǎn),而且會(huì)損壞設(shè)備并導(dǎo)致事故擴(kuò)大,消弧裝置失去了其本來的作用。采用故障相接地法的消弧裝置對(duì)線路發(fā)生的單相接地能夠進(jìn)行消弧,但是由于其消弧工作原理和元器件的選用決定了其應(yīng)用具有一定局限性,會(huì)對(duì)安全供電產(chǎn)生危害,甚至造成大面積停電,應(yīng)予謹(jǐn)慎、合理使用。
因此供電部門提出,今后新建的客戶變電所工程不應(yīng)采用經(jīng)消弧裝置接地方式。供電部門要求,在總降變電所中同一臺(tái)變壓器下、同一電壓等級(jí)中只允許設(shè)有一臺(tái)消弧裝置,客戶變電所不再使用消弧裝置。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相弧光接地時(shí)保證只有一臺(tái)消弧裝置動(dòng)作,只有這樣才能在解決弧光接地過電壓的同時(shí)又不會(huì)給運(yùn)行維護(hù)工作及系統(tǒng)的安全帶來隱患
(作者單位:江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 225217)