昆钢四总降35kV系统单相接地故障的危害及 整改措施

娄攀

昆明工业职业技术学院，云南昆明，650302

0 引言

昆钢本部供电系统35kV及以下电压等级较多，因各变电站建设时期、装备技术水平及运行需要的差异，本部供电系统各变电站35kV系统均采用中性点不接地运行方式，该系统的特点是中性点是悬浮不固定的，当三相系统运行参数平衡，则电源中性点与用电设备中性点的电位平衡相等[1]。作为从事供电系统调度管理的调度员，必须掌握各种电压等级系统接地方式的原理、运行状况及特点，才能更好地掌握各种系统正常时的操作方法和故障时的事故处理办法。

1 中性点不接地系统的优点

在中性点不接地的系统中，当系统发生单相金属性接地时，系统的三相对称关系并未破坏，仅中性点及各相对地电压发生变化，非故障相对地电压升高倍至线电压，但系统中各相间的电压仍然相等并且相位仍然不变。所以，中性点不接地系统中，相对地的绝缘水平应根据线电压来设计。

如系统发生A相单相金属性接地，中性点电位由零变至A相电压，B、C相对地电位发生变化，上升至线电压，但各相间的线电压仍然相等并且相位仍然不变，接地点的电流IDL=IB+IC，为系统对地的工频电容电流。故规程规定“中性点不接地系统发生单相接地故障时，仍可以带电运行2小时”，从而提高了供电可靠性，并为查找、处理故障提供了时间。多年实践经验证明，此运行方式对提高供电可靠性、减少停电事故非常有效。这种运行方式减少了因为单相接地使生产设备被迫突然停电的情况，避免了停电给企业带来的经济损失，增加了企业用电的可靠性[2]。

2 中性点不接地系统的缺点

在中性点不接地系统中，接地点通过的电流为电容性的，其大小为原来相对地电容电流的3倍，这种电容电流不易熄灭，可能在接地点引起“弧光接地”，周期性地熄灭和重新发生电弧。间歇性弧光接地的过电压是设备绝缘的主要隐患。当发生单相间歇性弧光接地时，非故障相将产生高于额定电压很多倍的过电压，而如果接地电流在电压接近最大值时发生击穿，过电压将会更高。如果这时系统中接入的电磁式电压互感器的激磁电抗与线路的对地容抗达到某种匹配时，当系统发生单相弧光间隙接地过电压，则容易引发系统谐振过电压，谐振过电压轻则烧坏电压互感器的熔断器或损坏电压互感器，重则造成系统发生短路停电的事故。特别是以电缆线路为主的供电网络，系统对地电容不断增加，故障点的电容电流将增大，由于电缆线路的相间绝缘为硬性的绝缘，相间距离较短，电弧燃烧时将直接破坏相间绝缘，以致几分钟内就会形成相间短路事故[3]。

3 通用型消弧消谐装置YTX的基本功能

本装置主要适用于电缆线路为主的电网、电缆与架空线路的混合电网。正常运行时，本装置承担PT柜功能；同时装置还具有系统断线故障报警、系统金属接地故障报警、系统弧光接地故障动作、系统低电压故障报警、系统过电压故障报警、系统谐振故障动作等故障处理功能，以及对动作时的时间、故障性质、故障相别、三相电压、开口电压、对地电容电流等故障的信息记录。当系统发生单相弧光接地故障时，装置在两个周波内把弧光接地转换成金属性接地，并将电弧电流减为零，从而使弧光熄灭，这时微机控制器面板显示故障性质（弧光接地）、相别、动作时间、对地电容电流等，同时输出无源接点信号，并将系统中的过电压限制在倍的相电压之内，可有效避免由此引发的相间短路、避雷器爆炸及电缆放炮等事故，最大可能地防止间隙性弧光接地故障的发展。当发生金属性接地时，微机控制器（YTM）显示屏显示并记录金属接地故障、接地时的三相电压值、接地时间、接地报警储存信号等信息。当发生PT单相断线时，微机控制器显示屏可显示PT断线故障、三相电压值、开口电压值，同时提供报警信号。装置微机控制器具有母线弧光接地动作功能。微机控制器通过对系统电压进行采集、计算、分析，准确判断母线弧光接地相别，并驱动消弧回路实现系统弧光接地的保护作用，同时微机控制器保存弧光接地时母线电压、开口三角电压、系统对地电容电流等参数，便于动作后分析。同时微机控制器具用CANBUS、RS485通信接口，可接入电气监控系统，实现遥信、遥测、遥控、遥设功能，采用国家标准通信规约，确保装置与整个监控系统兼容。

4 改造前四总降35kV系统的运行情况

四总降的35kV系统出线少，共6回分别供35kV三总降压站、35kV高线变电站和35kV制氧降压站，但都为架空线路，系统电容电流较小，故都采用了中性点不接地的运行方式。在这种方式下，发生单相接地故障时，线电压仍然保持对称性，对用户影响不大。其次，35kV出线架空线路多，容易因树木等原因发生一些瞬时性的接地故障，但很快又能够自行消失，多年实践经验证明，此运行方式对提高供电可靠性、减少停电事故非常有效。但随着25MW和18MW余热发电机组电缆并入四总降35kV系统运行，特别是三炼钢3台精炼炉接入四总降35kV系统运行后，因其出线电缆质量问题多次发生绝缘击穿接地事故，系统接地后因弧光过电压导致25MW发电机组和18MW发电机组电缆和电压互感器多次发生绝缘击穿的次生事故[4]。为减轻弧光过电压造成的危害，减少过电压造成电缆线路绝缘击穿起火的设备事故，在针对四总降35kV供电系统发生多次过电压情况进行分析和研究后，拟采取消弧及过电压保护装置，来确保昆钢供电系统的安全运行。

5 加装消弧及过电压保护装置

为了解决四总降35kV系统因弧光接地过电压导致损伤电缆的事故，决定在四总降35kV系统加装消弧及过电压保护装置，使不稳定的弧光间歇性接地变为直接的金属性接地，从而避免弧光接地。在四总降35kVⅠ段和Ⅱ段母线分别加装了一套消弧及过电压保护装置，开关编号分别为397#和398#，接于35kVⅠ段母线隔离刀闸为3971#，接于35kV Ⅲ-1段母线隔离刀闸为3973#；接于35kVⅡ段母线隔离刀闸为3982#，接于35kV Ⅲ-2段母线隔离刀闸为3983#，消弧及过电压保护装置主要由以下部分组成。

5.1 35kV消弧柜系统接线图

消弧及过电压保护装置接线图如图1所示。

图1 消弧及过电压保护装置接线图

5.2 数码消弧控制器ZK

数码消弧控制器ZK是本装置的核心部分，它根据专用电压互感器PT提供的A、B、C三相电压和开口三角电压的信号，来分别判断系统接地故障的相别和故障类型，按照消弧装置预先设定的控制方式，分别控制高压真空接触器JZ的动作程序。

5.3 专用的电压互感器PT

在35kV消谐柜的操作面板上，安装有A、B、C三相相电压表及线电压表，电压表接于电压互感器的二次测量绕组，与电压转换开关配合，用于监测系统的电压。电压互感器辅助二次绕组，接成开口三角形接线，当系统发生单相接地时，开口三角形接线的两端电压△U，立即由低电位变成高电位，使控制器ZK投入工作。

5.4 分相控制真空接触器JZ（A、B、C）

分相控制真空接触器一端经高压限流熔断器组件FUR分别接35kV三相母线，另一端直接接地。处于运行时，JZ均处于断开位置，当系统发生接地时，受控制器ZK的控制而使JZ合闸。JZ的作用是当35kV系统发生弧光接地时，分相控制真空接触器合闸后使不稳定的弧光间隙性接地转变为金属性直接接地，从而保护系统不受过电压危害而导致损坏设备。同时，接触器操作回路三相相互闭锁，当其中任一相合闸接地时，另外两相就不会再动作[5]。

5.5 高压限流熔断器组件FUR

高压限流熔断器组件FUR是装置的后备保护器件，它用来防止装置故障造成的误判断两相或三相JZ合闸，进而导致的相间短路事故。

5.6 三相组合式过电压保护器TBP

三相组合式过电压保护器TBP是一种高容量的氧化锌过电压保护器，它采用四星形接线，用于保护系统的相间及对地过电压保护，是本装置中限制各种过电压的核心元件，在高压真空接触器JZ未动作之前将过电压限制在安全范围之内。

5.7 零序电流互感器CT及接地电流表

在三相JZ的接地回路中，接有零序电流互感器CT，零序电流互感器CT的二次接有电流表，电流表安装在控制面板上，当任一相JZ合闸时，就有接地电流流过电流互感器，并可在电流表上显示出接地电流的大小。

5.8 智能操控装置

在装置操作面板上，安装一台“智能操控装置”，装置上示意两把隔离刀闸连接的母线，显示刀闸的分、合闸运行状态，显示A、B、C三相的带电情况，以及显示A、B、C三相真空接触器分、合闸的运行状态。

6 四总降35kV加装消弧装置后，查找接地故障案例分析

改造完成后，四总降35kV I段曾发生A相接地故障（当时四总降运行2#和3#主变）。当时，四总降反映35kV I段接地，电压指示为：Ua=0、Ub=37kV、Uc=37kV，线电压不变，同时397#消弧柜A相动作，A相接地电流为10A。三总降、高线变均反映35kVⅠ段母线发生单相接地故障。电调室值班员分别通知三总降断开供3#精炼炉的363#开关、高线变断开供1#精炼炉357#开关后，四总降消弧装置397#开关均不能复位，说明接地故障仍存在。通知四总降投1#备用变压器，将25MW发电机（359#线路）转由35kV Ⅲ-1段供电后，四总降397#消弧柜复位成功，35kV I段接地消除，接地故障转移至35kV Ⅲ-1段，通知25MW发电机解列后，四总降断开359#线路，接地消除。经查，故障原因为25MW发电机电缆在热电车间围墙边电缆A相绝缘击穿引起系统接地故障，因397#消弧装置成功动作，未发生过电压造成次生事故。

7 存在的不足及整改措施

（1）新增消弧装置后，四总降35kV系统发生接地故障时，事故处理方法与原来有了本质的不同。即系统发生一点接地故障后，消弧装置动作形成第二个接地点，在采取拉路法每次断开某条出线后，必须通知四总降值班员对消弧装置进行手动复位，依据复位成功与否及值班人员对消弧装置实际接地情况的准确判断决定下一步的事故处理方案。这就必须加强电力调度员和四总降运行值班人员对消弧装置原理的学习，掌握正常运行和事故处理中消弧装置的操作要领。特别对电力调度员来说，必须掌握不同运行方式下查找接地故障的方法，心中有清晰的思路，确保接地事故处理迅速、准确，避免事故处理中发生误操作、误调度事故。通过对调度员和运行人员的反复培训，近几年来共处理了四总降35kV系统三十几次单相接地故障事故，未发生倒闸操作和调度失误[6]。

（2）四总降值班室内无消弧装置分、合闸位置指示，一旦消弧柜内保险熔断等原因造成数码消弧控制器无法显示真空接触器分、合闸指示时，难以判断真空接触器是否在合闸位置，造成无法判断接地故障是系统本身故障还是消弧柜真空接触器合闸后形成的接地故障，延误了事故处理时间。针对此问题，已在四总降值班室增加了消弧装置真空接触器分、合闸位置指示，使值班人员在系统接地后尽快掌握真空接触器动作情况，有效提高了判断事故性质的准确性。

（3）中性点不接地系统发生接地故障后，对出线不多的变（配）电站2小时的时间一般能通过拉路法查找出故障线路。当出线较多时，因下级站点减负荷需要时间，2小时的时间是很仓促的，仓促的时间内完成众多的调令及操作，可能影响调令及操作的正确率。故障存在的时间越长，造成事故扩大的概率越高。故在出线较多的变（配）电站，不宜选用中性点不接地的运行方式。

8 结语

四总降35kV系统加装消弧及过电压保护装置后，较好地解决了该系统经常发生的瞬间接地导致弧光过电压、造成电缆线路绝缘击穿着火等故障，进一步提高了设备运行的可靠性。但对于运行值班员和调度管理人员来说，新增消弧装置后，四总降35kV系统发生接地故障时，事故处理的原则跟老方法有了较大区别，必须加强对消弧装置原理的学习，掌握正常运行和事故处理中消弧装置的操作要领，迅速、准确地处理接地事故，避免事故处理中发生误操作、误调度，确保昆钢供电系统的安全可靠运行。