冶金企業6～35 k V供配電系統消弧柜的應用

李 新

1 引言

目前，冶金企業6～35 kV供配電系統普遍采用中性點不接地的運行方式。現有的運行規程規定：“3～35 kV中性點非直接接地的電網，發生單相接地故障時，允許繼續運行兩小時”。如果發生單相接地故障為弧光接地，則會在系統中產生最高值達3～3.5倍相電壓的過電壓，這樣高的過電壓如果持續作用于電網，使系統中的電壓互感器發生飽和，激發鐵磁諧振，造成互感器燒毀或導致避雷器爆炸；在健全相的絕緣薄弱環節造成絕緣對地擊穿，將會引發相間短路的重大事故，危及電網及其供電設備的安全穩定運行。

2 過電壓治理現狀

中性點不接地系統過電壓的治理是公司供電系統需要解決的問題，但因過電壓產生因素較多、機理復雜，一直沒有能徹底解決。隨著公司電力系統的逐漸增容與發展，電力電纜的使用量急劇增加，6～35 kV系統中的各種過電壓發生的幾率也越來越高。公司供電系統現有110 kV變電站13個，降壓至6 kV、10 kV、35 kV三個電壓等級向各個配電區域供電，大多數采用電纜線路。公司自2002年開始逐漸淘汰中性點經消弧線圈接地的方式，而陸續采用消弧消諧柜來抑制系統過電壓，當系統產生弧光接地時由消弧消諧柜控制器經過邏輯判斷，將故障相通過高壓真空接觸器吸合接地，弧光接地轉化為金屬性接地，起到抑制系統過電壓的作用。

目前系統投入運行的消弧消諧裝置主要有4個生產廠家，共計48套。從近年運行狀況和抑制過電壓情況來看，消弧消諧裝置存在的問題較多，在系統過電壓時不能有效抑制過電壓，多次導致事故擴大，不能保證系統安全穩定運行。

3 消弧消諧運行情況

隨著公司生產規模的不斷擴大，6～35 kV系統各站所對地容流不斷增加，目前軋鋼區域部分站所接地電容電流已接近140 A，煉鐵區域部分站所10 kV系統對地容流已超過50 A，其他區域站所接地容流已接近50 A。當接地電流大于30 A時，故障產生的電弧往往不能自熄，造成弧光接地過電壓概率增大，對系統的安全穩定運行構成威脅。現公司6～35 kV供配電系統內使用的消弧消諧柜，運行年限最長的已運行13年，現已有10套消弧消諧控制裝置功能喪失、采樣值誤差較大或存在缺陷，弧光接地故障時消弧消諧柜動作準確率低，存在拒動或誤動的現象，導致事故擴大。

動作情況見表1。

表1 動作情況統計表

4 消弧消諧存在的主要問題

4.1 消弧消諧裝置正確動作率低，系統過電壓持續時間長。根據近年來消弧消諧動作情況來看，正確動作率不到50%。大多數站所的消弧消諧裝置已使用10年以上，反應遲緩，總出口時間長達700 ms左右。在系統發生弧光接地故障時，動作時間過長，不能在4個周波內迅速將弧光接地轉化為金屬性接地，4個周波后其過電壓可達到3.5～5倍的相電壓，導致電壓互感器嚴重過載，輕者致使熔斷器熔斷，重者將造成互感器燒毀，由于弧光接地過電壓持續時間較長，能量超過避雷器的承載能力，也可導致避雷器爆炸。

4.2 消弧裝置采樣值誤差大或不同程度存在缺陷。在系統發生弧光接地時消弧裝置由于存在缺陷，不能正常投入，系統抑制過電壓的能力不足，起不到抑制弧光過電壓的作用，可能導致系統大面積停電和設備損壞。如2014年5月27日的選燒區域變電所下級站發生電纜擊穿單相接地，由于消弧裝置存在缺陷未動作，系統過電壓引起總降變電所10 kV 1#電壓互感器燒損短路，Ⅰ段母線失壓的事故；2014年9月17日的軋鋼區域變電所10 kVⅢ段系統下級站水泵電機本體A相接地，由于消弧裝置沒有正常投入，系統過電壓造成下級開關站內7個配出開路過電壓保護器炸裂事故，影響了公司正常生產秩序，造成了巨大經濟損失。

4.3 消弧裝置控制器動作邏輯的不合理、不適用，在系統發生接地故障時存在事故擴大的風險。部分消弧裝置動作邏輯為：當系統發生弧光接地后，在第一次檢測到弧光接地時，裝置投故障相真空接觸器，保持6～7 s，使故障點充分去游離，絕緣強度恢復，然后釋放真空接觸器，裝置繼續檢測系統三相電壓；如真空接觸器釋放后，系統出現弧光復燃現象，則再次閉合故障相真空接觸器，再保持7～8 s的時間后釋放，如系統恢復正常，則裝置恢復系統檢測狀態；如第二次真空接觸器釋放后系統再次出現弧光接地現象，則裝置第三次投入故障相真空接觸器并保持閉鎖，同時發出接地故障報警信號。此動作邏輯適用于架空線路較多的配電區域，架空線路多發生接地后絕緣有自恢復能力。而對于冶金企業配電系統大多數采用電纜線路，電纜發生接地故障后往往是永久性故障，消弧裝置反復動作，往往會加劇電纜絕緣損壞而發展為相間短路故障，造成對系統的沖擊。當系統容流越大，此動作方式風險會越大。

4.4 消弧柜內配置的一次高壓限流熔斷器物理特性差，設計制造工藝達不到使用要求；熔斷器額定電流沒有根據系統最大容流認真進行核算，選擇不當，故障時不能滿足快速準確動作的要求，在1～2 ms之內不能實現快速截流，并退出裝置，造成異地兩相短路時不能可靠開斷，導致事故的發生和擴大。

5 消弧柜存在問題的整改建議

公司6～35 kV供配電系統過電壓治理中消弧柜存在的問題，需要逐步優化完善，建議如下：

5.1 對不能滿足使用要求的消弧柜進行改造，完善功能，縮短消弧控制裝置及真空接觸器出口動作時間，保證在系統發生弧光接地故障時，過電壓倍數還沒有達到峰值前就可靠地動作，迅速將弧光接地轉化為金屬接地，使故障點的電弧立即熄滅，消除弧光接地過電壓，確保系統安全穩定運行。

5.2 對消弧柜存在的隱患缺陷，要引起高度重視，加大缺陷整改力度，制定整改計劃，根據各站所實際運行情況，分區域保證總降站所各系統要有一套完好的消弧柜正確投入，確保在系統弧光接地時消弧裝置正確動作，有效抑制弧光過電壓。

5.3 現系統中零序功率方向保護與消弧消諧裝置時間配合上有可能會出現“搶動”現象的問題。主要是零序保護裝置動作至斷路器分閘時間約60 ms左右,而消弧消諧裝置動作至真空接觸器合閘時間也在60 ms左右，每次發生弧光接地故障時，兩者不能有效配合，有時零序保護先動，有時消弧消諧裝置先動，建議對現有消弧消諧裝置增加動作延時設置，可根據實際需要和零序保護動作時間進行配合。

5.4 當消弧消諧控制器檢測到系統弧光接地后，真空接觸器立即動作吸合轉化為金屬接地，消弧柜需具備兩種復位模式：自動復位和手動復位。自動復位經8～10 s延時打開，如弧光接地故障仍然存在，真空接觸器將再次動作吸合后不再進行自動復位，且自動復位功能可投退；手動復位需滿足遠方后臺復位和就地復位兩種模式。

5.5 為了便于運行人員的操作及監控，需將消弧裝置的所有告警、動作等運行信息通過RS485接口與本站所的微機監控系統實現數據遠傳，并完善GPS對時功能，保證動作時間的一致性。

5.6 在新建項目技術交流設計時，要把好技術關，提出具體的選型設計要求，并根據公司6～35 kV電網系統各站所實際電容電流的大小，科學合理地選擇消弧消諧柜各元器件的參數配置及型號。

6 結束語

目前公司供配電系統對過電壓治理方面還沒有系統完整的保護方案，因此在系統過電壓時經常發生電壓互感器、干式變壓器燒毀，電纜放炮、電動機絕緣擊穿、避雷器炸裂等事故。此類事故發生的原因，除了與系統中安裝的過電壓保護裝置的性能有關外，供配電系統本身的復雜性對過電壓裝置的選擇有著重要的影響，對于不同的系統，選擇過電壓保護時需考慮系統輸電線路的類型、輸配電線路的網絡結構、負荷的性質和系統的接地方式。針對冶金企業復雜的供配電系統，很難以孤立的使用某種或幾種過電壓保護裝置來全面抑制各種類型的系統過電壓，且系統中采用多種不同廠家生產的過電壓保護產品，因保護特性不能相互匹配，造成無法徹底有效地抑制系統過電壓。近幾年來，冶金、煤炭、石油、化工及供電等企業在提高電網和企業內部電網過電壓治理方面雖取得了一些成功經驗，但還需要進一步學習交流，結合本企業供配電系統實際運行特點，制定一套完整的系統過電壓治理方案，以提高電網運行的安全性和供電的可靠性。

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