冶金企业6～35kV供配电系统消弧柜的应用.pdf

冶金动力 METALLURGICAL POWER 2015 年第11 期 总 第 189 期 冶金企业 6～35 kV 供配电系统消弧柜的应用 李新 （酒钢集团能源中心供电分厂， 甘肃嘉峪关735100） 【摘要】冶金企业现 6～35 kV 供配电系统中性点普遍采用不接地方式， 随着电网不断扩大和电缆出线 的增多， 系统对地电容电流急剧增加， 如果系统发生过电压， 很容易引发相间短路的造成重大事故。为此， 企业 6～35 kV 供配电系统大多采用消弧柜消弧方式， 对电网中出现的过电压进行限制， 以提高电网运行的安全性 和供电的可靠性。 【关键词】中性点不接地； 过电压； 消弧消谐 【中图分类号】TM862【文献标识码】B【文章编号】1006-6764201511-0004-02 Application of Arc Suppression Ark in the 635 kV Power Supply System of Metallurgical Enterprises LI Xin （The Power Supply Plant of Energy Center of JISCO, Jiayuguan, Gansu 735100, China） 【Abstract】The 635 kV power supply and distribution system of metallurgical enterpris- es generally adopts ungrounded mood at the neutral point. With the expansion of power grid and increase of cable outlets, the earth capacity and earth current of the system have in- creased dramatically, so if overvoltage happens in the system it is easy to cause major acci- dent of short circuit between phases. Therefore, the 635 kV power systems mostly adopt arc suppression ark to limit overvoltage in power grid and improve the safety of power grid opera- tion and reliability of power supply. 【Keywords】neutral point grounding; overvoltage; arc suppression harmonic elimination 1引言 目前，冶金企业 6～35 kV 供配电系统普遍采 用中性点不接地的运行方式。 现有的运行规程规定 “3～35 kV 中性点非直接接地的电网，发生单相接 地故障时， 允许继续运行两小时” 。如果发生单相接 地故障为弧光接地，则会在系统中产生最高值达 3～3.5 倍相电压的过电压，这样高的过电压如果持 续作用于电网， 使系统中的电压互感器发生饱和， 激 发铁磁谐振， 造成互感器烧毁或导致避雷器爆炸； 在 健全相的绝缘薄弱环节造成绝缘对地击穿，将会引 发相间短路的重大事故，危及电网及其供电设备的 安全稳定运行。 2过电压治理现状 中性点不接地系统过电压的治理是公司供电系 统需要解决的问题， 但因过电压产生因素较多、 机理 复杂， 一直没有能彻底解决。 随着公司电力系统的逐 渐增容与发展，电力电缆的使用量急剧增加， 6～35 kV 系统中的各种过电压发生的几率也越来越高。 公 司供电系统现有 110 kV 变电站 13 个，降压至 6 kV、 10 kV、 35 kV 三个电压等级向各个配电区域供 电， 大多数采用电缆线路。公司自 2002 年开始逐渐 淘汰中性点经消弧线圈接地的方式，而陆续采用消 弧消谐柜来抑制系统过电压，当系统产生弧光接地 时由消弧消谐柜控制器经过逻辑判断，将故障相通 过高压真空接触器吸合接地，弧光接地转化为金属 性接地， 起到抑制系统过电压的作用。 目前系统投入运行的消弧消谐装置主要有 4 个 生产厂家， 共计 48 套。从近年运行状况和抑制过电 压情况来看， 消弧消谐装置存在的问题较多， 在系统 过电压时不能有效抑制过电压， 多次导致事故扩大， 不能保证系统安全稳定运行。 3消弧消谐运行情况 随着公司生产规模的不断扩大，6～35 kV 系 统各站所对地容流不断增加，目前轧钢区域部分站 4 冶金动力 METALLURGICAL POWER 2015年第 11 期 总 第 189 期 所接地电容电流已接近 140 A，炼铁区域部分站所 10 kV 系统对地容流已超过 50 A， 其他区域站所接 地容流已接近50 A。 当接地电流大于 30 A 时， 故障 产生的电弧往往不能自熄，造成弧光接地过电压概 率增大，对系统的安全稳定运行构成威胁。现公司 6～35 kV 供配电系统内使用的消弧消谐柜， 运行年 限最长的已运行 13 年，现已有 10 套消弧消谐控制 装置功能丧失、 采样值误差较大或存在缺陷， 弧光接 地故障时消弧消谐柜动作准确率低，存在拒动或误 动的现象， 导致事故扩大。 动作情况见表 1。 表 1动作情况统计表 4消弧消谐存在的主要问题 4.1消弧消谐装置正确动作率低， 系统过电压持续 时间长。 根据近年来消弧消谐动作情况来看， 正确动 作率不到 50。大多数站所的消弧消谐装置已使用 10 年以上，反应迟缓，总出口时间长达 700 ms 左 右。在系统发生弧光接地故障时， 动作时间过长， 不 能在 4 个周波内迅速将弧光接地转化为金属性接 地， 4 个周波后其过电压可达到 3.5～5 倍的相电压， 导致电压互感器严重过载， 轻者致使熔断器熔断， 重 者将造成互感器烧毁，由于弧光接地过电压持续时 间较长， 能量超过避雷器的承载能力， 也可导致避雷 器爆炸。 4.2消弧装置采样值误差大或不同程度存在缺陷。 在系统发生弧光接地时消弧装置由于存在缺陷， 不 能正常投入， 系统抑制过电压的能力不足， 起不到抑 制弧光过电压的作用，可能导致系统大面积停电和 设备损坏。如 2014 年 5 月 27 日的选烧区域变电所 下级站发生电缆击穿单相接地，由于消弧装置存在 缺陷未动作， 系统过电压引起总降变电所 10 kV 1 电压互感器烧损短路，Ⅰ段母线失压的事故； 2014 年 9 月 17 日的轧钢区域变电所 10 kVⅢ段系统下 级站水泵电机本体 A 相接地， 由于消弧装置没有正 常投入，系统过电压造成下级开关站内 7 个配出开 路过电压保护器炸裂事故，影响了公司正常生产秩 序， 造成了巨大经济损失。 4.3消弧装置控制器动作逻辑的不合理、不适用， 在系统发生接地故障时存在事故扩大的风险。部分 消弧装置动作逻辑为 当系统发生弧光接地后， 在第 一次检测到弧光接地时， 装置投故障相真空接触器， 保持 6～7 s， 使故障点充分去游离， 绝缘强度恢复， 然后释放真空接触器， 装置继续检测系统三相电压； 如真空接触器释放后， 系统出现弧光复燃现象， 则再 次闭合故障相真空接触器， 再保持 7～8 s 的时间后 释放， 如系统恢复正常， 则装置恢复系统检测状态； 如第二次真空接触器释放后系统再次出现弧光接地 现象，则装置第三次投入故障相真空接触器并保持 闭锁， 同时发出接地故障报警信号。 此动作逻辑适用 于架空线路较多的配电区域，架空线路多发生接地 后绝缘有自恢复能力。而对于冶金企业配电系统大 多数采用电缆线路，电缆发生接地故障后往往是永 久性故障， 消弧装置反复动作， 往往会加剧电缆绝缘 损坏而发展为相间短路故障， 造成对系统的冲击。 当 系统容流越大， 此动作方式风险会越大。 4.4消弧柜内配置的一次高压限流熔断器物理特 性差， 设计制造工艺达不到使用要求； 熔断器额定电 流没有根据系统最大容流认真进行核算， 选择不当， 故障时不能满足快速准确动作的要求，在 1～2 ms 之内不能实现快速截流， 并退出装置， 造成异地两相 短路时不能可靠开断， 导致事故的发生和扩大。 5消弧柜存在问题的整改建议 公司 6～35 kV 供配电系统过电压治理中消弧 柜存在的问题， 需要逐步优化完善， 建议如下 5.1对不能满足使用要求的消弧柜进行改造， 完善 功能，缩短消弧控制装置及真空接触器出口动作时 间， 保证在系统发生弧光接地故障时， 过电压倍数还 没有达到峰值前就可靠地动作，迅速将弧光接地转 化为金属接地， 使故障点的电弧立即熄灭， 消除弧光 接地过电压， 确保系统安全稳定运行。 5.2对消弧柜存在的隐患缺陷，要引起高度重视， 加大缺陷整改力度， 制定整改计划， 根据各站所实际 运行情况，分区域保证总降站所各系统要有一套完 好的消弧柜正确投入，确保在系统弧光接地时消弧 装置正确动作， 有效抑制弧光过电压。 5.3现系统中零序功率方向保护与消弧消谐装置 时间配合上有可能会出现 “抢动” 现象的问题。主要 是零序保护装置动作至断路器分闸时间约 60 ms 左右, 而消弧消谐装置动作至真空接触器合闸时间 也在 60 ms 左右， 每次发生弧光接地故障时， 两者 不能有效配合， 有时零序保护先动， 有时消弧消谐装 置先动，（下转第 17 页） 序 号 设备名称设备型号 系统接地 故障次数 消弧消谐 动作次数 动作 准确率 安装 总台数 1 消弧消谐柜 XHG-10/250472144.620 2 消弧消谐柜JWSX984242.815 3 消弧消谐柜TEV-10/24400.05 4 消弧消谐柜XJZ-35/636233.38 5 冶金动力 METALLURGICAL POWER 2015年第 11 期 总 第 189 期 存在的焓值变化及所含水分消耗热量情况分析得 出， 有效利用干热煤气可以充分利用二次能源， 节约 能源消耗。为此建议采取以下措施 3.1送高炉热风炉管道选择 按照一期高炉热风炉使用高炉煤气最小量为 6 万 m3/h，平均量 8 万 m3/h，最大 10 万 m3/h 进行核 算， 则需要的管径为 1400 mm 可满足高炉热风炉生 产用量需求。 3.2接点位置选择 由于一期一座高炉煤气发生量 2327 万 m3/h， 对应高炉热风炉使用高炉煤气量 10 万 m3/h， 剩余高 炉煤气需经管内喷水降温后送入高炉煤气主管网， 为此高炉热风炉使用的干热煤气接点位置必须在 TRT 出口至喷水装置前。 4干热煤气直送取得的效果 （1） 通过对一期高炉热风炉实施干热煤气直送， 不仅满足高炉热风炉对煤气的需求，同时节约了高 炉煤气消耗， 年节约煤气 368413 GJ。 （2） 通过对一期高炉热风炉实施干热煤气直送， 降低了热风炉高炉煤气使用量，节约的高炉煤气量 供热电锅炉使用， 产生蒸汽进行发电， 提高了二次能 源的使用效率，为公司二次能源综合高效利用创造 了条件。 （3） 一期高炉热风炉使用干热煤气后， 提高煤气 使用效率的同时， 提高了高炉入炉平均风温 20 ℃， 降低高炉焦比 10 kg/t 铁， 降低了炼铁成本。 （4） 通过对一期高炉热风炉实施干热煤气直送， 节约了煤气降温使用的新水量，降低了生产运行成 本。 5结论 通过开展高炉干热高炉煤气性质分析，并在各 高炉热风炉上实施直送利用，节约了高炉煤气利用 量， 提高了二次能源利用效率， 提高热风炉入炉风温 20 ℃， 降低炼铁焦比， 取得了显著的社会及经济效 益。 收稿日期 2015－08－12 作者简介吕勇 （1970－） ， 男， 1993 年毕业于山东矿业学院， 本科学 历， 燃气首席工程师， 现从事燃气专业技术管理工作。 （上接第 5 页） 建议对现有消弧消谐装置增加动作延 时设置，可根据实际需要和零序保护动作时间进行 配合。 5.4当消弧消谐控制器检测到系统弧光接地后， 真 空接触器立即动作吸合转化为金属接地，消弧柜需 具备两种复位模式 自动复位和手动复位。 自动复位 经 810 s 延时打开，如弧光接地故障仍然存在， 真 空接触器将再次动作吸合后不再进行自动复位， 且 自动复位功能可投退；手动复位需满足远方后台复 位和就地复位两种模式。 5.5为了便于运行人员的操作及监控， 需将消弧装 置的所有告警、 动作等运行信息通过 RS485 接口与 本站所的微机监控系统实现数据远传，并完善 GPS 对时功能， 保证动作时间的一致性。 5.6在新建项目技术交流设计时，要把好技术关， 提出具体的选型设计要求，并根据公司 6～35 kV 电网系统各站所实际电容电流的大小，科学合理地 选择消弧消谐柜各元器件的参数配置及型号。 6结束语 目前公司供配电系统对过电压治理方面还没有 系统完整的保护方案，因此在系统过电压时经常发 生电压互感器、 干式变压器烧毁， 电缆放炮、 电动机 绝缘击穿、避雷器炸裂等事故。此类事故发生的原 因，除了与系统中安装的过电压保护装置的性能有 关外，供配电系统本身的复杂性对过电压装置的选 择有着重要的影响， 对于不同的系统， 选择过电压保 护时需考虑系统输电线路的类型、输配电线路的网 络结构、 负荷的性质和系统的接地方式。 针对冶金企 业复杂的供配电系统，很难以孤立的使用某种或几 种过电压保护装置来全面抑制各种类型的系统过电 压，且系统中采用多种不同厂家生产的过电压保护 产品， 因保护特性不能相互匹配， 造成无法彻底有效 地抑制系统过电压。近几年来， 冶金、 煤炭、 石油、 化 工及供电等企业在提高电网和企业内部电网过电压 治理方面虽取得了一些成功经验，但还需要进一步 学习交流， 结合本企业供配电系统实际运行特点， 制 定一套完整的系统过电压治理方案，以提高电网运 行的安全性和供电的可靠性。 [ 参 考 文 献 ] [1] 枫岚. 变电所技术标准及规程规范应用手册[M]. 辽宁 辽宁科学 技术出版社， 2004. [2] 马维新. 电力系统电压[M]. 北京 中国电力出版社， 1998. [3] 周泽存. 高电压技术[M]. 北京 水利电力出版社， 1988. [4] 苏文成. 工厂供电 （第 2 版） [M]. 北京 机械工业出版社， 1999. 收稿日期 2015－08－26 作者简介李新 （1974－） ， 男， 2009 年毕业于兰州理工大学电气工程 及自动化专业， 助理工程师， 现从事电气设备检修工作。 17