中压放射形厂用电网络运行风险及对策

唐光昊，刘 苏

(河南龙宇煤化工有限公司，河南 永城 476600)

1 放射形厂用电网络的优势及局限性

大容量用电企业的用电设备分布面积广，生产连续性强，通常采用放射状供电网络。越来越多的钢铁企业、化工企业等用户，重视厂用电的优质运行，在保障供电连续性、提高电能质量方面加大了技术研究与应用实践，符合电力技术市场下一步的发展与推广趋势，可为生产系统的安全、经济运行提供可靠支撑。

1.1 放射形厂用电网络的优势

放射形厂用电网络，结构稳定性好，可靠性较高，各回路负荷容量互不影响；故障发生后影响范围小，切换操作方便，保护简单，且电网扩展性强。近年来，为实现碳排放目标，多数工业企业都加强了各种余热的回收利用，各种环保型发电设备陆续问世，在电网中得到较多应用。各回路可以带车间变压器或高压电机、发电设备运行，也可以延伸为二级放射式网络(如开闭所)至低压负荷较为集中的区域；各回路相互独立，供电设备和生产设备的容量可以灵活选择。

中压放射形厂用电网络典型结构如图1。正常情况下，无论是k2还是k1处短路，只要流过短路点电流不超过该回路开关的开断能力，保护装置和断路器均能正常动作，变电所6 kV母线电压就能较快恢复，不会造成大面积停电事故。

图1 中压放射形厂用电网络典型结构示意图

1.2 放射形厂用电网络的局限性

随着工业企业生产规模的扩大和能源综合利用技术的广泛运用，各类电气设备(尤其是近年来的各类节能发电机组)的增设，可能出现新的问题。以下以通用的中压放射形厂用电网络为例，分析有关问题。

1.2.1 电网的短路容量或超过安全限值

初始设计时电气设备较少，通常将放射形电网的母线短路容量作为设备选型的依据，进线(S6101)与分支(S6102)的设备短路开断能力通常选相同数值。

增设电气设备后，某支路在靠近出线断路器某处发生短路事故时(如图1中k3位置)，由于后期节能改造增设了电源点(如图1中S6102开关接入的发电机回路)，流过的短路电流有可能超过初始设计值，易出现断路器不能可靠开断切除故障而致事故扩大化。

因短路容量增大，为满足准确度要求，可能使电流互感器的额定电流被迫提高，导致其保护定值随之升高(为躲过互感器测量死区)，从而降低了最小运行方式下后备保护的灵敏度。

1.2.2 电压波动停车风险高

放射形电网各支路与源节点(如图1中的SI母线)的电气联系紧密，有利于设备启动时获得高转矩。但当某支路发生短路时，该优点将变为缺陷，在故障切除的时间内，易造成母线电压大幅跌落，对大转矩设备和低压变频器等电压敏感设备的运行造成严重影响，易致局部停车。

传统设计思路以校验短路容量合格作为目标，已不能满足当今工业企业对供电系统电压质量方面的要求。

1.2.3 电气保护装置拒动后果严重

放射形厂用电网络的支路通常较多，随着设备服役时间的延长，继电保护和断路器拒动的概率上升。发生电气故障时，继电保护和断路器拒动后，将依赖于进线开关的后备保护功能，而进线开关后备保护动作时间较长，短路对供电线路和设备会造成较大冲击，电网电压长时间处于低位，易导致全厂停车。

1.2.4 系统电容电流超出消弧装置设计容量

系统电容电流增加，有可能超出原有消弧装置的设计容量，系统发生单相接地故障后，可能发生危险。现有消弧装置普遍具有系统电容电流检测功能，用户在供电系统扩展后应密切跟踪有关数据的变化，控制风险。

2 提高中压放射形厂用电网络稳定性的策略

2.1 一次设备稳定策略

在电源侧安装深度限流装置(如图2中的S6102回路)，在故障率较高的馈线回路安装母线残压保护装置(如图2中的S6103回路)，可以限制短路电流并维持系统电压在安全范围内，同时降低故障电流对变压器、联络电缆等重要供电设施的冲击。

图2 中压放射形厂用电网络稳定性优化示意图

深度限流装置和母线残压保护装置的阻抗可选范围通常在6%～80%，对短路的抑制能力较强，在发生故障的瞬间即可自动快速动作。系统正常运行时，并联的快速开关处于闭合状态；当设备流过故障电流时，并联的快速开关在15 ms内断开，迅速投入电抗器，使上级节点电压快速恢复至65%以上，为非故障节点的中压变频器等电压敏感设备的连续运行创造条件。

深度限流技术应用的主要风险存在于控制部分和开关动作机构，需综合评估控制电源、控制器、布线系统、储能元件等主要风险点，计算失效概率，按照N-1或N-2(N-1-1)(对工业企业综合效益影响大而风险度较高时)原则，合理选择电抗器的容量。风险值计算的目标是，将风险控制在可容许范围内。研究深度限流技术应用风险时，还应评估短时投入的高阻抗元件对保护灵敏度的影响，校验保护电流和电压的启动值，以免造成后备保护设备设施失效。

2.2 二次系统稳定策略

2.2.1 据负荷性质确定电网风险的可容许度

继电保护的任务是维持厂用电系统的稳定运行。出现短路、接地等扰动时，对大容量电网而言快速切除故障段是继电保护的首要任务。当电网灵敏性与选择性难以兼顾时，应以保灵敏度为主，防止保护拒动，并备案报主管领导批准。

对于电网分支回路较多的系统，在保证核心生产装置和设备安全运行的前提下，必要时在非核心装置有关的供电节点牺牲选择性，保障灵敏性和速动性，优先保障电网的稳定性。

为提高主保护的可靠性，在馈出电源的线路配置光纤差动保护，保障主保护具有足够的灵敏度，且确保构成主保护的故障判断元件是物理独立(结构冗余)或者逻辑独立(不同原理的逻辑冗余)的。

重点加强近后备保护的可靠性，尽可能缩短保护的动作时限。两级以上层级的后备保护配合时间较长，易造成重大损失，可将其作为最后防线，但不是快速识别和切除故障研究的重点内容。

2.2.2 纯负荷回路安全策略

对于纯负荷回路(如车间变电所或电动机)，若出现缺相、高阻短路或接地等异常情况，最终都会转换为保护动作而使设备停运。由于纯负荷回路故障初期(尚未发展为相间短路)相电流较小，通常达不到速断保护定值，可以采取电流序向量启动(如零序或负序元件)经短延时动作来快速切除故障，以降低电缆或绕组接地引发弧光相间短路的风险。

通常为躲过电机启动瞬间的激磁涌流，可以对电流序分量采取0.1～0.2 s的延时，该方法比利用传统的相电流反时限或定时限等后备保护更加灵敏、迅速。如使用零序元件，应选用独立的零序电流互感器，在6～10 kV电网中应避免使用继电保护的自产零序来启动零序保护。

2.2.3 电源馈出回路安全策略

对于电源馈出回路，若所接的高压设备较多，可以采用复合电压闭锁的短延时电流保护来尽可能缩短动作时间，可取0.5 s。对于故障风险度高而所带设备较少(仅接带400 V设备及少量的高压动力负荷)的电源馈线回路，通过定值能识别故障范围的，可以不考虑时间级差的配合，以允许的最小时间切除故障。

故障时，保护装置应瞬时(灵敏度达标时的优选项)或短延时(保护灵敏度不满足要求的，对于采用弹簧操动机构的真空断路器可按0.2 s配置)切除故障。对于瞬时切除故障的回路，可以在线路末端(下级站进线及母联柜)用快切装置快速切换负荷(仍遵循主保护启动、后备保护闭锁常规逻辑)予以纠正。

2.2.4 电容电流超限治理策略

当系统电容电流大幅增加时，首先要核对原有消弧装置容量是否满足要求，防止电容电流失控。当运行方式需要经常变化时，应考虑最严苛运行方式下电容电流的幅值安全和消弧装置并网运行自动控制系统的可靠投运，防止因拒动而发展为系统性故障。

当生产装置区人员较少，发生单相接地时有充足的防止接触电压和跨步电压事故的安全技术保障措施时，可以采用单相接地故障转移柜的技术路线。市场上主动预防型配网接地故障转移柜的优势在于通流容量大且具备超过2 h的长时间运行能力。

2.2.5 中高阻故障治理策略

放射形厂用电网络的电缆出线回路多，故障类型多为中高阻故障，通常能快速发展为弧光相间故障。快速熄弧、快速选择和切除故障是电缆故障治理的关键。快速熄弧和快速识别故障的需求在稳态工况下是矛盾的，快速熄弧后故障回路的零序特征不再明显，为解决这一矛盾，围绕小电流接地系统(含经消弧线圈接地)的故障仿真、特征分析进行的研究有很多，常用算法如：向配电网中性点注入零序电流，柔性调控零序电压相角分别为配电网三相相电压的相角，通过注入零序电流及返回零序电压的测算故障偏转角，综合判据来实现故障选相；基于瞬时功率的输电线路高阻接地故障选相；基于附加电阻的阻性电流分量法；分布式电源电流变化率的主动配电网单相断线保护方法等。

上述算法在应用中涉及的技术难点在于会对运行中的系统产生扰动，涉及需要组网的各处理器的光纤组网时钟同步问题、小信号的采样速率及数据精度问题、配网结构及动态运行数据与仿真数据的偏差、传感器的线性度和量程及频率响应等诸多问题，导致有关技术没有大面积市场化成熟应用。

针对中高阻故障，配网管理仍需依托快速消弧、小电流选线、继电保护、电缆在线监测等技术的综合运用来实现。对于电缆出线回路，应迅速识别故障为轻度还是重度，基于在线监测技术预测的轻度故障应准确选出回路并尽快调整系统运行方式，将故障回路切除；对于重度故障，可基于零序电压、全电流的零序或负序电流等判据立即切除故障段，减少对电网的冲击。

当前市场上的小电流选线装置主要品牌商均能实现选线准确率在90%以上，以选线装置的选择结果和继电保护零序保护的瞬时(不大于10 ms)小信号二者同时作为判据，可以提高选线的可靠性。继电保护的零序电流启动值和动作逻辑是选择的难点。系统零序电流较大时，零序互感器的变比、分支电容在总电容中的比例、消弧线圈的补偿等诸多因素会导致稳态时的故障回路零序电流过小。针对该问题，重点对比分析10 ms以内继电保护生成的零序报警信号比较有效，10 ms以内偏磁式消弧线圈或故障转移柜通常不足以稳定残流，零序信号幅值较为明显，正常运行时中性点近似不接地状态的系统可以利用该思路，预调式或调匝式消弧线圈则不适用。

3 结束语

放射形结构作为工业企业中低压供电系统的常用结构，需要在其运行中加强风险分析及管控，制定可容许的风险等级。当系统容量、运行方式等发生重大变化时，需结合设计部门进行综合评估，辩证运用新技术，使一次设备在各种运行方式下均能安全可靠，使二次系统能灵敏快速地识别和切除故障段，使系统电压能以最快的速度恢复至安全范围内，增强供电系统运行的稳定性与可靠性。