热电厂35 kV供电系统小电流接地选线系统更新改造研究

2023-07-13廖勤文郭程

机电信息 2023年13期

关键词：热电厂弧线选线

廖勤文　郭程

摘要：首先介绍了热电厂35 kV供电系统运行现状，对小电流接地选线系统更新改造的必要性进行了阐述，随后结合接地选线保护装置的线路选择原理，制定了小电流接地选线系统的更新改造方案，最后分析了小电流接地选线系统更新改造后的实际运行效果。

关键词：35 kV供电系统；小电流接地选线；选线原理；更新改造

中图分类号：TM64 文献标志码：A 文章编号：1671-0797（2023）13-0081-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.13.021

0 引言

中铝山东有限公司热电厂主要担负着中铝山东企业氧化铝、化学品氧化铝生产用汽和用电的供应任务，是中铝山东有限公司实现铝、热、电联合发展，能源综合利用的能源生产单位。热电厂主要通过35 kV系统向生产单位供电，当35 kV供电系统中发生单相接地故障时，及时排查判断出故障线路进行隔离，确保供电可靠性尤为重要。历年来，由于35 kV供电系统部分线路接地故障，原有的小电流接地选线系统无法第一时间判别消除，造成线路拉弧着火导致生产单位停电停产的事故已多次发生，给生产经营带来了严重损失。为快速判断处理35 kV供电系统中的接地故障，避免事故扩大造成大面积停电，有必要对热电厂35 kV配电室内的小电流接地选线系统进行更新改造，以缩短单相接地故障发生时接地线路的判断选线时间。

1 热电厂35 kV系统运行方式及中性点接地方式

热电厂35 kV供电系统是全公司的主干电网，运行方式如图1所示，采用单母线四分段运行，35 kV Ⅰ、Ⅱ段母线并列运行，35 kV Ⅲ、Ⅳ段母线并列运行，电源进线分别取自4台主变35 kV侧，所带负荷共有11回出线，分别送至二铝35 kV站、厂东35 kV站、厂北35 kV站、南变35 kV站，将厂内发电机发出的电能通过高压电力电缆输送到生产单位周边的变电所中，供生产单位使用，此外还有两回备用线路。

热电厂35 kV供电系统的中性点接地方式为经消弧线圈接地，消弧线圈采用了3套思源电气股份有限公司生产的XHK-Ⅱ-ZP+型消弧线圈自动调谐及接地选线成套装置，其中1#、2#消弧装置并列运行接入35 kV Ⅰ、Ⅱ段母线，3#消弧装置接入35 kV Ⅲ、Ⅳ段母线，分别投运。

2 更新改造的必要性

2.1 单相接地故障的危害

热电厂35 kV供电系统中最常见的故障是线路单相接地故障，由于发生接地故障时系统中存在消弧线圈的补偿电流，接地电流相对较小，虽然按照相关规定是允许在2 h内继续运行的[1-2]，但是接地故障发生时未接地相对地的稳态电压会从相电压升高，可能达到线电压，此时对电缆绝缘是极大的考验[2-3]。若判断隔离故障线路不及时，35 kV线路单相接地故障会逐渐发展成两相短路或者弧光接地等故障，继而引发更加恶劣的事故，造成极大的损失[3]。从实际运行情况来看，当35 kV出线发生单相接地故障后引发其他事故的时间是短于规定的2 h的，所以亟需提高接地故障时故障线路选择与隔离的速度。

2.2 旧系统存在的问题

虽然热电厂35 kV配电室内原安装的XHK-Ⅱ-ZP+型消弧线圈自动调谐及接地选线成套装置配置有单相接地故障选线功能，但该装置对发生接地故障的线路并不能做出准确判断，仍需要操作人员采用“人工拉路”方式对35 kV出线进行逐个停电排查。2018年的两次接地故障记录如表1所示。

经思源电气公司技术人员到场检查，发现选线不准确的主要原因是：1）35 kV供电系统中存在较多谐波，对装置采集判断造成干扰；2）未配置并联中电阻选线功能，采用准确性不高的普通选线功能；3）为了保证在生产单位不停电的情况下处理单相接地故障，运行人员会将35 kV Ⅱ、Ⅲ段母联开关合闸，便于倒闸操作转移负荷，但35 kV Ⅱ、Ⅲ段母联开关的分合闸造成了3套消弧线圈运行方式频繁改变，补偿电流不断调整，干扰了装置判断选线。

2.3 “人工拉路”查找方法缺点

因原有小电流接地选线系统准确率不高，只能由运行人员与电力调度沟通，采用“人工拉路”的办法从不重要线路至重要线路逐个回路停电来排查故障线路。虽然“人工拉路”能够十分准确地找出故障线路，但要逐条线路停电，直到拉到故障电缆，排查时间很长，并且排查过程中为避免影响生产，运行人员需要頻繁地倒闸操作将负荷迁移至备用线路上，费时费力，还增大了事故扩大和误操作发生的可能性。同时“人工拉路”排查过程中，线路断路器每一次分合闸都会缩短设备的使用寿命，并且会对35 kV供电系统构成冲击，极易造成操作过电压或者谐振过电压等[4]。

2.4 更新改造对策

针对原有小电流接地选线系统准确率不高的现状，热电厂决定对小电流接地选线系统进行更新改造，比对市场上多款接地故障选线装置后，在35 kV配电室新增一套山东科汇电力自动化股份有限公司生产的XP-300接地故障选线保护装置，改造小电流接地系统二次回路，将35 kV供电系统中的各项参数接入系统。

3 小电流接地系统选线判据

3.1 XHK-Ⅱ-ZP+型消弧线圈自动调谐及选线成套装置

XHK-Ⅱ-ZP+型消弧线圈自动调谐及选线成套装置可选配并联中电阻选线功能，采用并联中电阻法进行选线，但在实际安装时没有选配并联中电阻箱，而是采用多种选线算法进行表决的综合选线方法，包括人工智能、零序阻抗变化、五次谐波等。在经消弧线圈接地系统中，发生接地故障时流过故障线路上的稳态电流会在补偿电流的作用下特别小，实践证明这些利用稳态信号的故障选线功能实用效果并不准确。

3.2 XP-300接地故障选线保护装置

XP-300接地故障选线保护装置采用了利用暂态信息的电力线路故障检测技术。对接地故障暂态信号进行分析，在特定频段（Selected Frequency Band，SFB）内，发生接地故障的线路上零序电流的幅值最大，非故障线路和故障线路的零序电流极性、零序电流和无功功率的方向均相反[5-6]。XP-300接地故障选线保护装置采用SFB分量，综合暂态零序电流群体比较法、暂态无功功率方向法、有功功率方向法等选线方法，在经消弧线圈接地系统中以故障时的暂态信号为基础，以有功分量作为补充。

1）暂态零序电流群体比较法：在正常运行时，三相电流基本平衡，零序电流幅值较小，一旦发生单相接地故障，故障相就会叠加容性电流，导致故障相电流幅值增大，此时故障线路零序电流最大，非故障线路的零序电流波动较小[7]。并且故障线路中的暂态零序电流由故障点流向母线侧，而在非故障线路中，暂态零序电流由母线侧流向故障点。为此，综合对比母线所有出线的零序电流幅值与极性，就可判断故障线路。

2）暂态无功功率方向法：比较零序电流与零序电压的极性关系，识别接地故障的方向，利用故障线路和非故障线路上的暂态零序电流或无功功率方向相反的特点来选线[7]。

3）有功功率方向法：在经消弧线圈接地系统中，消弧线圈的有功损耗和阻尼电阻会产生有功分量，故可利用故障线路和非故障线路的有功功率方向相反的特点来选线[5]。

4 更新改造实施方案

4.1 信号的采集

XP-300接地故障选线装置需在现场采集母线电压与零序电压、线路零序电流、母联开关分合闸状态等信号。

1）四个母线电压分别由四个母线PT柜获取，取每段A、B、C三相电压值。

2）四个零序电压分别由四个母线PT柜的开口三角获取。

3）零序电流的获取有两种方法：一种是通过独立的零序电流互感器测量获取，适用于电力电缆；另一种是通过三相电流互感器合成获取，可用于电力电缆和架空线。热电厂35 kV供电系统中所有出线均采用电力电缆，故选择方法一通过独立的零序电流互感器测量获取线路零序电流。

4）三个母联开关分合闸状态分别由三个母联开关柜获取。

4.2 零序电流互感器的正确使用

1）在线路上安装零序电流互感器过程中，存在电缆金属屏蔽层接地线要不要从零序电流互感器穿过的问题。当零序电流互感器安装在电缆终端头接地点的上方时，电缆外壳的接地电流还没有穿过零序电流互感器，此时电缆接地线就应该不穿过零序电流互感器而直接接地；当零序电流互感器安装在电缆终端头接地点的下方时，电缆外壳的接地电流已经流过了零序电流互感器，那么就要把接地线返回，并穿过零序互感器再接地[3，8-9]。

2）开合式零序电流互感器，接口安装完毕后，一定要恢复良好的闭合状态，以免引起磁路不闭合而不能正常工作。

3）虽然要求所有线路零序电流互感器应采用同一厂家、同一型号、极性与特性一致的产品，但是35 kV供电系统中部分线路已经安装了零序电流互感器，并且35 kV线路不能同时停电安装，只能逐个在线路停电检修时安装。原有的部分零序电流互感器型号较旧，使用时间长，老化严重，变比不准确，故在线路停电检修时更换为新零序电流互感器。

4）所有线路上的零序电流互感器安装结束后，需对零序电流互感器进行全面检查，检查二次线圈是否开路，有一端是否可靠接地，并使用继电保护测试仪试验零序电流互感器的极性和变比，确保工作正常。

4.3 接地故障选线装置定值配置

1）配置16个电压通道，分别是四段母线三相电压及零序电压，三相电压PT变比均为35 000/100，零序电压PT变比均为20 207/100；

2）配置11个零序电流通道，分别是11条35 kV出线的零序电流，CT变比均为50/1；

3）配置3个开关量输入，分别为3个母线联络开关分合闸状态；

4）设定故障选线启动定值30 V，故障选线恢复电压定值24 V，永久故障时间阈值3 000 ms，零序电压有效值启动门槛定值5 V，零序电压突变量启动门槛定值7.1 V，电流启动不选用。

5 更新改造效果

自小电流接地选线系统更新改造完成后，2021年至2022年间热电厂35 kV供电系统共发生单相接地故障7次，接地选线保护装置均能在极短时间内检测到接地故障的发生，立刻发出告警信号，选出故障线路、故障相提示运行人员，选线结果准确率达100%。相关接地故障记录如表2所示。

另外，在运行人员将35 kV Ⅱ、Ⅲ段母联开关合闸，系统运行方式发生改变的情况下，更新改造后的小电流接地选线系统仍能再次准确选出故障线路、故障相，选线结果与合闸前一致。实践证明，更新改造后的小电流接地选线系统适用于热电厂35 kV供电系统的接线方式，通过分析接地故障发生时的暂态信号，降低了消弧线圈补偿电流的干扰，精准度大幅提高，此次小电流接地选线系统更新改造取得了良好的效果。

6 结束语

热电厂小电流接地选线系统更新改造后，在35 kV供电系统发生单相接地故障时，可以精准、快速地选出接地故障线路，有效缩短单相接地故障的故障选线时间，提高接地故障处理效率，避免了调度人员误切非故障线路，防止事故的扩大，为公司生产安全和电力供应提供了强有力的保障。

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