降压站35 kV不接地系统两种接地保护技术的改进及应用

陈国栋

（山西太钢不锈钢股份有限公司能源动力总厂，山西 太原 030003）

1 35 kV不接地系统技术改进背景

目前的钢铁行业领域，大电炉供电普遍采用35 kV不接地系统，35 kV不接地系统所保护的类型一般分为电流速断保护和接地选线两种，电流速断保护动作主要针对于相间短路故障，而接地选线报警则针对于单相接地的情况。但由于消弧补偿的接入，选线成功率极低，无法实现快速的正确选线拉路，使接地线路退出系统，以此同时，35 kV线路相比较于10 kV、6 kV系统而言，发生接地时对系统的冲击和波动影响更大，极易引发相间短路，电缆炸损严重，电缆头制作、试验、接线等修复工作困难，且恢复供电时间很长，直接影响生产，造成的损失巨大。该问题属于极度困扰钢铁电力行业的一大难题。太钢十一降35 kV供电系统采用中性点非直接接地系统，发生单相接地故障时，接地电流较小、不稳定，且其35 kV线路还存在电缆缆径普遍较大、条数较多、实际中无理想的与之匹配的零序互感器的难题。太钢十一降35 kV供电系统线路频繁发生线路单相接地，现场电缆炸损情况极为严重，直接影响太钢新炼钢160 t大功率电炉的生产运行，其直接损失及间接损失严重。

针对这一棘手难题，分析研究35 kV大电炉不接地系统的特点及接线，并进行系统设计、实施改进：

1）与十一降35 kV线路的微机保护厂家共同研究开发，对保护装置功能进行改进，增设了零序电压的线路延时跳闸功能，即在发生单相接地故障时，利用合理的时间级差实现了分时限跳闸，从而缩短了跳闸后的判断、处理及恢复时间。

2）在零序电压分时差跳闸的基础上，辅助增设实施完成了新型35 kV接地选线装置项目，使十一降35 kV供电系统发生单相接地时，既有采样零序电压进行分级延时的零序跳闸功能，同时又有采样三相电流电压进行分析选线的接地告警信息，两者实现互补的双重化保护组合功能。

2 改进方案及实施过程

2.1 零序电压按时间级差跳闸

在中性点直接接地系统中，当发生一相接地事故时，接地故障电流较大，零序电流保护动作跳闸，切断电源，造成停电。由于中性点直接接地系统中零序故障电流大，容易实现零序保护。但在中性点非直接接地系统中发生单相接地时，接地电流较小、不稳定，无法实现可靠检测及选线，并且无其他及时有效的解决措施。太钢160 t大电炉十一降35 kV供电系统为确保供电的连续性，采用中性点非直接接地系统，但投运后其35 kV线路多次发生单相接地，导致电缆爆炸等严重后果。经研究分析，太钢十一降压站为220 kV变35 kV，使用太钢第二钢炼钢厂的专用大电炉生产线，因此其35 kV系统的出线数量相对较少，共两段35 kV母线，而每段母线只带有5趟出线，分别是35 kV SVC线路、35 kV中频炉、35 kV EAF电炉、35 kV LF精炼炉、35 kV消弧。针对此问题进行分析后决定，采用零序电压按不同时间级差来实现35 kV系统发生单相接地时线路的分级跳闸。由于用于中性点非直接接地系统中的保护装置没有设计零序电压跳闸的程序及回路，经与保护厂家联系改进，在原南瑞RCS线路微机保护程序中进行了设计改进，增设不接地系统的零序电压跳闸功能，实现了35 kV单相接地时能够延时跳闸。

通过对以往案例所收集的35 kV不接地系统接地时的电压幅值、电压波动以及电压异常值的持续时间、衰减时间等相关参数进行了反复研究，并对所涉及35 kV系统的5趟线路按照发生单相接地故障的可能性、线路负荷的重要性等情况进行综合分析，通过接线设计、定值及时间整定等操作，提出了改进方案并予以实施。

1）从原南瑞RCS-9612线路微机保护盘分别引取A母、B母两段35 kV母线的开口电压，分别对应两段母线上所带出线，作为在中性点非直接接地系统中判断发生接地故障的零序电压采样，将保护屏上原有备用压板，重新配线变更为零序过电压保护出口压板，从而实现零序电压保护跳闸功能，两段零序过压跳闸压板表情况如表1、表2所示。

表1 35 kV A母1#电炉、1#精炼炉、1#SVC零序过压跳闸压板表

表2 35 kVB母2#电炉、2#精炼炉、2#SVC零序过压跳闸压板表

2）分析35 kV不接地系统接地时的电压幅值、电压波动，以及电压异常值的持续时间、衰减时间等相关量参数变化特性。

3）与用户现场分析生产运行数据，包括35 kV系统出线，SVC、EAF电炉、中频炉、LF精炼炉负荷等各自不同的运行工况，发生接地的频次，接地几率的大小，接地造成影响的严重程度，接地跳闸后的损失程度等。

4）综合分析设定零序电压定值及其动作时限，设定调整35 kV系统线路35 kV的零序电压的幅值及跳闸时间：零序过电压幅值均设为50 V；时间设定分别为SVC线路1＂、中频炉3＂、EAF电炉4＂、LF精炼炉5＂、消弧6＂。

5）当SVC线路发生单相接地时，零序过电压达到50 V，第一时间SVC将跳闸，系统接地消失，快速恢复正常，保证了其余所有线路的正常运行；如果SVC跳闸后接地仍未消失，则经一个时间级差后跳入下一个分路。

6）当线路SVC零序过压跳闸后接地消失时，可判断为SVC接地；当SVC及中频炉均零序过压跳闸后接地消失时，可判断为中频炉接地；当SVC、中频炉、电炉均零序过压跳闸，且跳闸后35 kV电压恢复，可判断为电炉接地；以此类推，如5趟35 kV线路均跳闸且35 kV电压仍有单相接地，则判断为母线接地。

首次在35 kV中性点非直接接地系统中实现零序过电压跳闸功能，当35 kV系统发生单相接地时，通过合理的分时间级差进行延时跳闸，避免了单相接地发展为两相接地短路事故的发生，缩短了跳闸后的判断、处理及恢复时间，大大缩短了二钢电炉的停电时间，此改进方案应用效果良好，经济价值显著。

2.2 接地选线告警及数据分析

新型35 kV接地选线装置可同时采集各出线的三相电流及零序电流滤过器中的零序电流4个量，消除了励磁特性对零序电流滤过器中暂态过程的误差影响，提高了选线准确率，且告警信息全面、信息量大，同时接地时的各类参数采样值、波形分析、回放等提供了实时、完整数据。选线装置的安装、接线方案及实施如下：

1）考虑到保护室位置及有利于35 kV线路二次电流线的引接，将新型35 kV接地故障监视与诊断装置系统选择安装于十一降压站故障录波屏柜内下侧，具体接线情况如图1所示。

图1 接地选线装置、各线路三相电流及零序电流的背板插件、端子排接线

2）35 kV线路中的1#电炉、1#精炼炉、1#SVC、2#电炉、2#精炼炉、2#SVC的保护装置设在35 kV保护室，其CT二次线引入保护室保护装置以及故障录波屏，在故障录波屏端子排上将进入录波屏的电流回路串接至北京沛森选线装置的电流回路中。

3）35 kV线路中的1#消弧、2#消弧、1#中频炉、2#中频炉的保护装置在35 kV开关现场采用就地安装式，电流回路未引至35 kV保护室，因此安装难度较大。从开关现场至保护室重新敷设电缆：利用7X2.52电缆，每相用2根，余一相为N线，分别将各线路的三相电流回路进行串接。

4）对串接后的电流回路进行测试，将测试值与保护装置、后台、选线装置进行对比，确认接线的正确性以及选线装置采样的正确性。

5）新型沛森选线装置的最小判断、检测时间为2.5~2.9 s；因此，在零序电压跳闸功能中对其进行时间设定，除SVC外，其余分路的跳闸时间从3s开始顺延。

2.3 两种接地保护的组合应用

最新接地保护技术实现了十一降35 kV系统发生单相接地时，零序过电压保护跳闸和沛森接地选检可同时发挥作用的双重化组合功能。35 kV系统发生单相接地时，能够实现零序过电压延时跳闸；同时，辅助增设的接地选线系统进行采样及判断，以实现电流、电压的采样、计算、判断以及接地时波形回放。通过对零序电压跳闸时间的设定调整，实现了与选线报警的匹配。十一降压站35 kV线路零序电压动作值及时间级差整定情况如表3所示。

表3 220 kV十一降压站35 kV线路零序电压动作值及时间级差整定表

3 实施效果

十一降35 kV供电系统发生单相接地时，既有零序过电压进行分级延时的零序跳闸功能，又辅助了采样三相电流电压进行分析选线的接地告警功能，两者实现了互补的双重化保护组合。南瑞RCS线路保护装置显示的跳闸内容为零序过电压跳闸；选线装置选出接地线路全汉字显示，图文并茂，信息直观丰富，设置操作方便。发生单相接地时，选线装置在2.5~2.9 s之内进行接地数据采样分析以及线路的选检；零序电压跳闸进行电压采样，除SVC外从3 s开始阶梯性跳闸。

改进方案实施后，从根本上解决了新炼钢160 t电炉生产供电难题，在160 t电炉站35 kV系统发生接地时，35 kV线路能够按设定时间级差实现快速跳闸，同时能分析接地参数变化等接地信息，避免了太钢十一降160 t电炉站35 kV不接地系统发生接地时电缆炸损的恶性事故的发生，实现了大电炉35 kV系统接地后的快速处理及恢复供电，大大缩短了恢复供电的时间，对公司经济效益及正常生产起到了显著作用，投运后运行正常，效果良好。

4 结语

1）通过增设零序过电压进行分时间级差跳闸，以及辅助增设的新型35 kV接地选线项目，使太钢十一降35 kV供电系统发生单相接地时，能够可靠实现零序过电压进行分级延时的零序跳闸功能，确保接地线路可靠跳闸，同时具有接地选线分析的大量接地数据、波形、报文等信息告警，可对接地时的数据、波形等参数进行综合分析、判断。

2）消除了太钢新炼钢系统存在的重大供电隐患，避免了35 kV系统单相接地发展为相间短路事故的发生，确保了太钢新炼钢系统的可靠生产，为新炼钢的经济技术指标的完成提供了可靠电力支撑。太钢十一降压站35 kV大电炉不接地系统接地保护的创新和改进，解决了35 kV大功率电炉的不接地系统的保护技术难题，为国内外钢铁行业及电力系统提供了极有价值的借鉴。