劉雙玖

(貴陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司,貴州 貴陽 550081)

利用中性點(diǎn)非有效形式進(jìn)行10 kV中壓系統(tǒng)的接地(即小電流接地系統(tǒng))是國內(nèi)配電網(wǎng)常用的方式,這個(gè)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(jī)和變壓器組成,大量的電纜敷設(shè)導(dǎo)致中壓系統(tǒng)電容電流較高。因此,在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),有效提高小電流接地系統(tǒng)特別是對(duì)于電容電流較大的系統(tǒng)的可靠性尤為重要-這是因?yàn)橛纱罅侩娎|組成的中壓電力系統(tǒng)其常見的故障是單相接地故障,當(dāng)小電流接地系統(tǒng)單相接地故障發(fā)生時(shí),電壓會(huì)因故障相被接地而降到0,非故障相的電壓反而會(huì)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(duì)稱運(yùn)行幾個(gè)小時(shí),確保用電設(shè)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(yùn)用更加具有優(yōu)勢(shì)。但是如果在中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)發(fā)生瞬時(shí)或永久的單相接地后,倘若沒辦法快速精準(zhǔn)的確定故障回路的話,那么小電流接地方式的優(yōu)勢(shì)就會(huì)不復(fù)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(yùn)行的安全性就會(huì)驟降,甚至?xí)o供電系統(tǒng)的設(shè)備和工作人員帶來安全隱患。根據(jù)以上分析情況,對(duì)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(gè)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(shè)備或者線路產(chǎn)生單相接地故障時(shí),氧化鋁廠最常用的處理辦法是觸點(diǎn)消弧法和消弧線圈補(bǔ)償法,而且這兩種故障處理辦法都是獨(dú)立應(yīng)用的,主要是根據(jù)系統(tǒng)中單相接地故障的性質(zhì)和可能產(chǎn)生的后果選擇故障處理辦法。因此,這兩個(gè)方式都存在一定的弊端。在瞬時(shí)性的單相接地故障中,如果選擇消弧線圈補(bǔ)償法來處理故障,就會(huì)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(shí)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(bǔ)償高頻接地電容電流,只能補(bǔ)償工頻或中頻接地電容電流。由此可以看出,消弧線圈的補(bǔ)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(shí)現(xiàn)全補(bǔ)償,這樣故障點(diǎn)會(huì)因?yàn)闊o恒定殘流流過而導(dǎo)致諧振。在電纜支路發(fā)生單相接地故障時(shí),故障點(diǎn)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(huì)在恢復(fù)上升的過程中再次擊穿故障點(diǎn),最終導(dǎo)致相間短路事故的產(chǎn)生。觸點(diǎn)消弧法的界定如下:當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí),控制系統(tǒng)接到啟動(dòng)信號(hào),直接啟動(dòng)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(hù)故障回路特別是電纜回路的安全。然而,對(duì)于瞬時(shí)性的接地故障,啟動(dòng)真空接觸器或斷路器，會(huì)把瞬時(shí)性的接地故障變?yōu)橛谰眯缘慕拥毓收?。?dāng)故障恢復(fù)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(diǎn)被再次擊穿,導(dǎo)致事故進(jìn)一步惡化。

在現(xiàn)代化氧化鋁廠綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中,故障錄波裝置主要記錄工頻的故障波形,對(duì)中頻或高頻故障波形、暫態(tài)過電壓下的高頻電流信號(hào)等均無記錄。當(dāng)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(yīng)頻譜不寬造成的。通常只有幾十到幾千赫茲針對(duì)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(jí)別),所以使用電壓互感器作為采樣信號(hào)裝置,一般只能真實(shí)記錄幾千赫茲以下的波形,對(duì)于過電壓及雷電的真實(shí)波形無法進(jìn)行反應(yīng)操作。因此,在外部操作過電壓及雷電過高電壓產(chǎn)生時(shí),如果高電壓設(shè)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(duì)電壓和電流值進(jìn)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(shí)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(cè)到單相接地故障信號(hào),進(jìn)而精準(zhǔn)快速隔離并排除故障。因此,結(jié)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(yīng)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(shí)現(xiàn)較高的選線精準(zhǔn)度。同時(shí),基于弧光過電壓轉(zhuǎn)移的故障處理方法來提高故障處理的時(shí)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(gè)高壓配電室的每一臺(tái)開關(guān)柜,同時(shí)對(duì)故障全過程的暫態(tài)過電壓波形進(jìn)行記錄,對(duì)事故責(zé)任的認(rèn)定和未來事故的預(yù)防提供科學(xué)、可靠的數(shù)據(jù)。

安裝設(shè)備數(shù)量要根據(jù)10 kV系統(tǒng)主接線及運(yùn)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(yùn)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(shè)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(tái),具體元器件參見圖1;

(2)對(duì)于每個(gè)出線回路,應(yīng)該配置專用零序電流互感器和脈沖信號(hào)采集單元,采用光纖進(jìn)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(fù)荷末端,從根本上解決了中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)的故障選線難題;

(3)設(shè)置后臺(tái)操作機(jī)一套,這樣在處理單相接地故障時(shí)會(huì)更加快速準(zhǔn)確;

(4)對(duì)于傳輸距離大于1 km的遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸,必須配置光纖通訊。

3 該配置方案達(dá)到的效果

(1)選線準(zhǔn)確:可以選到各分廠各個(gè)配電室的每一臺(tái)10 kV開關(guān)柜;

(2)單相接地故障處理功能靈活,不重要負(fù)荷可直接設(shè)定跳閘,重要負(fù)荷僅報(bào)警,人工倒負(fù)荷;

(3)可以減少停電時(shí)間,降低停電頻次;

(4)可實(shí)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(hù)跳閘造成事故擴(kuò)大,以防給生產(chǎn)和系統(tǒng)安全運(yùn)行帶來巨大經(jīng)濟(jì)損失,繼而減輕生產(chǎn)人員運(yùn)行及檢修工作量;

(5)系統(tǒng)中發(fā)生的操作過電壓、感應(yīng)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(huì)得到有效抑制,這樣可以保護(hù)系統(tǒng)弱絕緣設(shè)備,例如電纜、電壓互感器、電機(jī)等;

(6)裝置在處理接地故障時(shí)具有精準(zhǔn)、快速的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相弧光接地故障時(shí),在兩個(gè)周波內(nèi),裝置會(huì)把弧光接地轉(zhuǎn)換成直接金屬接地,將短路點(diǎn)流過中性導(dǎo)體的電弧電流快速降為0。如此一來,線電壓會(huì)高于故障點(diǎn)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(diǎn)依次串聯(lián)一臺(tái)隔離開關(guān)、熔斷器和接地變壓器(Z型接線),然后并聯(lián)一臺(tái)消弧線圈和可控硅后接地。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),接地變壓器的中性點(diǎn)電壓會(huì)有很小的偏移電壓或者偏移電壓為0,這個(gè)時(shí)候可控硅是不通導(dǎo)的。而當(dāng)系統(tǒng)中有一支線路發(fā)生單相接地故障,在20 ms內(nèi)主控制器就會(huì)檢測(cè)到接地信號(hào),判斷接地相,然后就會(huì)觸發(fā)可控硅通導(dǎo)。故障線路就會(huì)流過一個(gè)可控的強(qiáng)脈沖零序電流信號(hào),然后被一個(gè)脈沖式零序電流互感器采集,選線信號(hào)采集單元把采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)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(shí)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(shù)特點(diǎn):

(1)對(duì)于脈沖電流的大小可以進(jìn)行有效控制。根據(jù)10 kV系統(tǒng)運(yùn)行情況,接地變壓器的短路阻抗的阻值大小均可以進(jìn)行調(diào)整,這樣高壓可控硅是否導(dǎo)通或者導(dǎo)通時(shí)間的長短,利用相控技術(shù)進(jìn)行控制。調(diào)節(jié)可控硅相控角的開度來實(shí)現(xiàn)短路脈沖電流大小。

(2)在時(shí)間上,脈沖電流是可以提前預(yù)見的。通過主控器對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè),在單相接地故障發(fā)生時(shí),通過控制高壓可控硅關(guān)斷和導(dǎo)通,使得短路脈沖電流得以提前預(yù)見,這樣電流信號(hào)才更容易被采集單元接收。

(3)脈沖電流波形具有特征真實(shí)、準(zhǔn)確的特點(diǎn)。主要是利用了脈沖電流提取技術(shù),這樣可以將可控硅瞬時(shí)導(dǎo)通產(chǎn)生的脈沖電流非常準(zhǔn)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(duì)于選線的準(zhǔn)確性也不會(huì)有什么影響。

(4)脈沖式選線信號(hào)采集單元。設(shè)計(jì)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(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)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(diǎn)消弧技術(shù)進(jìn)行整合,形成了優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、互相配合、互為保護(hù),提供了更為靈活、有效、安全的處理手段。消弧線圈對(duì)觸點(diǎn)消弧的工作提供了可靠保護(hù),解決了觸點(diǎn)消弧與熔絲的配合問題,使觸點(diǎn)消弧可以有效工作;觸點(diǎn)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(diǎn)消弧動(dòng)作前過電壓保護(hù)的“死區(qū)”問題,同時(shí)也有利于熄弧。

當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí),迅速啟動(dòng)脈沖式消弧線圈和觸點(diǎn)消弧。當(dāng)脈沖式消弧線圈穩(wěn)定工作并實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償后,退出觸點(diǎn)消弧。此時(shí)若故障消失,則判斷故障為臨時(shí)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(diǎn)消弧的真空接觸器開斷引起的操作電壓,進(jìn)行故障電流的轉(zhuǎn)移,讓系統(tǒng)可以穩(wěn)定的運(yùn)行1～2 h。根據(jù)單相接地故障的不同性質(zhì),以及不同負(fù)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(diǎn)消弧在更好的保護(hù)彼此的同時(shí),快速有效的處理單相接地故障。

5 結(jié) 語

文中通過對(duì)中性點(diǎn)非有效接地故障原理和單相接地故障處理的現(xiàn)狀進(jìn)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(shí)檢測(cè)和處理故障的效率,減少中壓系統(tǒng)單相接地故障對(duì)供電系統(tǒng)造成的危害,進(jìn)而提高供電可靠性和安全性。