浅谈氧化铝厂10 kV单相接地故障整体解决方案

2022-12-15刘双玖

轻金属 2022年10期

刘双玖

(贵阳铝镁设计研究院有限公司,贵州贵阳 550081)

利用中性点非有效形式进行10 kV中压系统的接地(即小电流接地系统)是国内配电网常用的方式,这个方式也是大部分氧化铝厂的选择。氧化铝厂由大量10 kV高压电机和变压器组成,大量的电缆敷设导致中压系统电容电流较高。因此,在进行系统设计时,有效提高小电流接地系统特别是对于电容电流较大的系统的可靠性尤为重要-这是因为由大量电缆组成的中压电力系统其常见的故障是单相接地故障,当小电流接地系统单相接地故障发生时,电压会因故障相被接地而降到0,非故障相的电压反而会上升至线电压。但是系统三相线电压在这种故障情况下还是可以保持对称运行几个小时,确保用电设备的持续供电需求,提高了供电的安全性和可靠性。鉴于此,相较于大电流接地方式一旦故障就马上跳闸的情况,小电流接地方式的运用更加具有优势。但是如果在中性点非有效接地系统发生瞬时或永久的单相接地后,倘若没办法快速精准的确定故障回路的话,那么小电流接地方式的优势就会不复存在,而且也可能因此造成其他衍生事故。如此一来,系统运行的安全性就会骤降,甚至会给供电系统的设备和工作人员带来安全隐患。根据以上分析情况,对于中压系统而言,安全性和可靠性是必须予以解决的两个重要问题。

1 单相接地故障处理的现状

10 kV中压系统中的设备或者线路产生单相接地故障时,氧化铝厂最常用的处理办法是触点消弧法和消弧线圈补偿法,而且这两种故障处理办法都是独立应用的,主要是根据系统中单相接地故障的性质和可能产生的后果选择故障处理办法。因此,这两个方式都存在一定的弊端。在瞬时性的单相接地故障中,如果选择消弧线圈补偿法来处理故障,就会发现消弧线圈的电流不能马上突变,使得消弧线圈初期的暂态过程比较长。如此一来,瞬时性的单相接地故障就没办法马上处理好,很容易使得故障不断增加;在弧光接地故障中,消弧线圈无法补偿高频接地电容电流,只能补偿工频或中频接地电容电流。由此可以看出,消弧线圈的补偿效果并不是太好。在永久性的接地故障中,消弧线圈更是没办法实现全补偿,这样故障点会因为无恒定残流流过而导致谐振。在电缆支路发生单相接地故障时,故障点虽然只有很小的残流流过,但是其绝缘作用已经丧失,故障相电压会在恢复上升的过程中再次击穿故障点,最终导致相间短路事故的产生。触点消弧法的界定如下:当系统发生单相接地故障时,控制系统接到启动信号,直接启动闭合真空断路器或真空接触器,把故障相直接与大地短接,人为造成金属性接地,采取这种接地方式可以保护故障回路特别是电缆回路的安全。然而,对于瞬时性的接地故障,启动真空接触器或断路器，会把瞬时性的接地故障变为永久性的接地故障。当故障恢复真空接触器或断路器打开的瞬间,又容易引起操作过电压,即弧光接地过电压,有可能造成故障点被再次击穿,导致事故进一步恶化。

在现代化氧化铝厂综合自动化系统中,故障录波装置主要记录工频的故障波形,对中频或高频故障波形、暂态过电压下的高频电流信号等均无记录。当前市场中大部分产品均采用电压互感器记录电压故障波形,这主要是由于电压互感器的铁芯电磁感应频谱不宽造成的。通常只有几十到几千赫兹针对十千赫兹以下的低频率效果比较显著,而中高压电力系统中出现的大气过电压的波头较陡(us级别),所以使用电压互感器作为采样信号装置,一般只能真实记录几千赫兹以下的波形,对于过电压及雷电的真实波形无法进行反应操作。因此,在外部操作过电压及雷电过高电压产生时,如果高电压设备被烧毁或者因其他因素遭到损坏,那么其故障录波装置无法对电压和电流值进行记录。如此一来,其故障原因就无法找到,故障就没办法及时处理解决。

2 解决方案

为了提高中压配电系统的供电可靠性,通常希望能够快速检测到单相接地故障信号,进而精准快速隔离并排除故障。因此,结合目前氧化铝厂10 kV中压系统单相接地故障处理的现状,应广泛利用单相接地故障选线装置。该装置基于可控脉冲电流选线的故障选线方法,以实现较高的选线精准度。同时,基于弧光过电压转移的故障处理方法来提高故障处理的时效性。一旦10 kV中压系统单相接地故障,装置可以选线选到各个高压配电室的每一台开关柜,同时对故障全过程的暂态过电压波形进行记录,对事故责任的认定和未来事故的预防提供科学、可靠的数据。

安装设备数量要根据10 kV系统主接线及运行方式确定。例如,某氧化铝厂10 kV主接线采用单母线分段,正常分段运行,单相接地故障处理系统在10 kV总配电需要安装两套单相接地故障管理装置,具体所需设备如下:

(1)在10 kV配电室配置单相接地故障管理装置,柜体采用800 mm×1500 mm×2300 mm (宽×深×高)柜型,共4台,具体元器件参见图1;

(2)对于每个出线回路,应该配置专用零序电流互感器和脉冲信号采集单元,采用光纤进行有效连接。这样就不需要多层次选线,直接一次性直接选线至负荷末端,从根本上解决了中性点非有效接地系统的故障选线难题;

(3)设置后台操作机一套,这样在处理单相接地故障时会更加快速准确;

(4)对于传输距离大于1 km的远距离信号传输,必须配置光纤通讯。

3 该配置方案达到的效果

(1)选线准确:可以选到各分厂各个配电室的每一台10 kV开关柜;

(2)单相接地故障处理功能灵活,不重要负荷可直接设定跳闸,重要负荷仅报警,人工倒负荷;

(3)可以减少停电时间,降低停电频次;

(4)可实现快速处理单相接地故障,最大程度地避免因单相接地引起两相或三相短路,引起继电保护跳闸造成事故扩大,以防给生产和系统安全运行带来巨大经济损失,继而减轻生产人员运行及检修工作量;

(5)系统中发生的操作过电压、感应雷击过电压、谐波畸变过电压高频部分、弧光过电压高幅值高频部分会得到有效抑制,这样可以保护系统弱绝缘设备,例如电缆、电压互感器、电机等;

(6)装置在处理接地故障时具有精准、快速的优势。当系统发生单相弧光接地故障时,在两个周波内,装置会把弧光接地转换成直接金属接地,将短路点流过中性导体的电弧电流快速降为0。如此一来,线电压会高于故障点过电压,促使弧光熄灭,最大可能地防止间隙性弧光接地故障的发展。

4 单相接地故障管理系统选线与故障处理

4.1 单相接地故障管理系统-选线功能

单相接地故障管理系统选线与故障处理系统图参见图1。在中性点依次串联一台隔离开关、熔断器和接地变压器(Z型接线),然后并联一台消弧线圈和可控硅后接地。当系统正常运行时,接地变压器的中性点电压会有很小的偏移电压或者偏移电压为0,这个时候可控硅是不通导的。而当系统中有一支线路发生单相接地故障,在20 ms内主控制器就会检测到接地信号,判断接地相,然后就会触发可控硅通导。故障线路就会流过一个可控的强脉冲零序电流信号,然后被一个脉冲式零序电流互感器采集,选线信号采集单元把采集到的模拟信号转换成数字信号后再传输到主控制器。主控制器判断故障线路、故障类型及故障时间等。

图1 单相接地故障管理系统与故障处理系统图

可控脉冲电流选线具有如下主要技术特点:

(1)对于脉冲电流的大小可以进行有效控制。根据10 kV系统运行情况,接地变压器的短路阻抗的阻值大小均可以进行调整,这样高压可控硅是否导通或者导通时间的长短,利用相控技术进行控制。调节可控硅相控角的开度来实现短路脉冲电流大小。

(2)在时间上,脉冲电流是可以提前预见的。通过主控器对系统的运行进行实时检测,在单相接地故障发生时,通过控制高压可控硅关断和导通,使得短路脉冲电流得以提前预见,这样电流信号才更容易被采集单元接收。

(3)脉冲电流波形具有特征真实、准确的特点。主要是利用了脉冲电流提取技术,这样可以将可控硅瞬时导通产生的脉冲电流非常准确完整的提取出来,提高了选线的抗干扰性。如此一来,即使高阻接地,对于选线的准确性也不会有什么影响。

(4)脉冲式选线信号采集单元。设计特殊的零序电流互感器,它的抗饱和性能被提升了很多,且因采集单元把零序电流互感器采集到的模拟信号转换成数字信号后传输,这样抗干扰性也大幅度提升。

4.2 单相接地故障管理系统-故障处理功能

将目前已经成熟稳定的消弧线圈和触点消弧技术进行整合,形成了优势互补、互相配合、互为保护,提供了更为灵活、有效、安全的处理手段。消弧线圈对触点消弧的工作提供了可靠保护,解决了触点消弧与熔丝的配合问题,使触点消弧可以有效工作;触点消弧提供了最直接有效的消弧手段,使消弧线圈不用长期工作,成本大幅降低。配电PT柜中的专用过电压吸收器限制弧光过电压峰值,解决了触点消弧动作前过电压保护的“死区”问题,同时也有利于熄弧。

当发生单相接地故障时,迅速启动脉冲式消弧线圈和触点消弧。当脉冲式消弧线圈稳定工作并实现补偿后,退出触点消弧。此时若故障消失,则判断故障为临时性接地故障,退出脉冲式消弧线圈。若故障依然存在,则再次闭合真空接触器。由于脉冲式消弧线圈可以有效限制触点消弧的真空接触器开断引起的操作电压,进行故障电流的转移,让系统可以稳定的运行1～2 h。根据单相接地故障的不同性质,以及不同负载的重要程度,可以选择不同的故障处理功能,这样可以让消弧线圈和触点消弧在更好的保护彼此的同时,快速有效的处理单相接地故障。