關于泵站工程應用故障相接地法消弧裝置的探討

劉新泉 劉雪芹

關于泵站工程應用故障相接地法消弧裝置的探討

劉新泉 劉雪芹

一、引言

目前我國110kV及以上電網中性點一般采用大電流接地方式，當發(fā)生單相接地故障時，非故障相對地電壓不會升高，所以可降低設備的絕緣水平，降低造價；但此時故障電流大，需要迅速切除故障部分，從而使供電可靠性差。因此在實際運行中，為降低單相接地電流，部分變壓器中性點也采用不接地方式。6～35kV電網中性點一般采用小電流接地方式，當發(fā)生單相接地故障時，非故障相對地電壓升高至線電壓，不會危害正常電氣設備的絕緣。由于故障電流小，系統(tǒng)三相電壓仍然對稱不影響對設備的正常供電，因此不會造成供電中斷。

泵站工程供電電源的電壓等級是根據(jù)其負荷等級、裝機容量和輸電距離決定的，如南水北調東線工程，泵站年運行時間長、裝機容量大、輸電距離遠，供電電源一般采用 35kV和110kV兩種電壓等級供電，泵站設置1～2臺主變壓器。當采用35kV電壓供電時變壓器中性點為不接地運行方式，采用110kV電壓供電時變壓器設有中性點接地組合裝置，該裝置由隔離開關、放電間隙和氧化鋅避雷器等設備組成。電網系統(tǒng)中的變壓器中性點接地的數(shù)目和地點由供電公司調度部門按繼電保護的要求設置，一般情況下客戶端變壓器運行時隔離開關為斷開狀態(tài)（即不接地運行方式），受上級調度時隔離開關合閘中性點接地運行。對于城市防洪排澇用的中小型泵站或者農村排灌站大多采用10kV電源供電，有的泵站雖裝設10kV電機，由于裝機容量小、輸電距離短，一般采用10kV直配電的方式供電。因此，泵站工程大都采用中性點不接地的運行方式。

二、消弧裝置應用背景

對于中性點不接地系統(tǒng)，當發(fā)生單相金屬性接地故障時，非故障相對地電壓會升高到正常相電壓的倍。由于故障點電流較小，且此時系統(tǒng)的三相電壓仍然對稱，不會影響對設備的正常供電，一般允許繼續(xù)帶故障短時運行。但是，如果另一相又發(fā)生接地故障就形成兩相接地短路，會產生很大的短路電流而損壞線路和設備。國家規(guī)程規(guī)定，在發(fā)生單相接地故障后允許短時間帶故障運行2h。因此，當發(fā)生單相接地故障時必須及時找到故障線路予以切除，防止故障進一步擴大。為了找出故障線路，供電部門運行人員一般采用試拉法或小電流接地選線法確定故障線路。

以上是發(fā)生單相金屬性接地故障時的危害和處理方法，如果發(fā)生了間歇性單相弧光接地，則會產生很高的弧光過電壓，非故障相的過電壓幅值可高達正常相電壓的3.5倍，嚴重威脅電氣設備的絕緣，甚至造成絕緣擊穿，進而發(fā)展成相間短路故障。近些年市場上推出了一種采用故障相接地法的消弧裝置，其原理是，當中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，將故障相接地，強行導致故障相對地電壓為零，從而實現(xiàn)消弧。

該消弧裝置是一種具有消弧、消諧及過電壓保護功能的裝置，市場上出現(xiàn)的消弧裝置一般結合電壓互感器柜實現(xiàn)該功能，其原理接線見圖1所示。開關柜中三個分相控制的高壓真空接觸器KA、KB、KC平時處于分斷狀態(tài)，電壓互感器PT二次側輸出的三相電壓正常，零序電壓幾乎為零。當系統(tǒng)發(fā)生弧光接地時，微機控制器WZK根據(jù)采集的零序電壓和三相電壓進行計算分析，判斷接地故障的相別及弧光接地類型，發(fā)出指令使故障相的真空接觸器合閘，把系統(tǒng)由不穩(wěn)定的弧光接地故障變?yōu)榉€(wěn)定的金屬性接地故障，故障相的對地電壓降為零，原接地故障點的弧光熄滅，避免了弧光過電壓的產生，而其他兩相的對地電壓則限制在線電壓的水平上。真空接觸器閉合數(shù)秒后，微機控制器令故障相的真空接觸器斷開，若斷開后再無弧光接地故障現(xiàn)象，說明這一接地故障是暫時性的，系統(tǒng)恢復正常運行；若斷開后再次出現(xiàn)弧光接地故障，則認定這一故障為永久性弧光接地，此時微機控制器再次發(fā)出指令使故障相的真空接觸器合閘，并發(fā)出報警信號，提示故障發(fā)生的相別，以便通知運行人員排除故障。

三、泵站應用消弧裝置的情況

圖1 消弧裝置接線圖

隨著城市的規(guī)劃和發(fā)展需要，城郊區(qū)10～35kV配電網由原來的架空線路為主逐漸被電纜線路所取代，從近些年已建和在建的水利工程看，許多泵站供電線路采用了電纜線路。與架空線路不同，電纜線路的絕緣水平低，對弧光接地過電壓的承受能力遠遠低于架空線路，一旦發(fā)生擊穿其絕緣很難恢復，而且故障發(fā)展迅速，如果不及時斷開故障線路，將會發(fā)生相間短路事故并引起火災。

在電纜線路為主的配電網中采用不接地或經消弧線圈接地方式，因單相接地過電壓燒壞設備的事故概率大大增加，因此采用故障相接地法的消弧裝置有了應用機會。從工作原理上分析，采用故障相接地法的消弧裝置具有一定可行性，與傳統(tǒng)的中性點安裝消弧線圈接地相比，該裝置具有造價低、占地面積小、安裝方便、維護量小等優(yōu)點，所以逐漸被冶金、石化、煤炭、鋼鐵及電力等行業(yè)接受和使用，水利行業(yè)有一些泵站工程特別是直配電工程也使用了該消弧裝置。

消弧裝置應用之初得到了供電部門的許可，在實際運行中也確實發(fā)揮了作用，避免了一部分事故發(fā)生。如蘇北某泵站在建成投運后不久發(fā)生了一起因供電線路單相接地、消弧裝置動作報警、運行人員及時排查切除故障線路的案例，避免了事故擴大。

四、存在問題和原因分析

采用故障相接地法的消弧裝置對線路發(fā)生的單相接地能夠進行保護，但其消弧工作原理具有一定局限性，下面就存在問題和適用場合進行分析。配電系統(tǒng)消弧裝置接線見圖2所示。

1.使用多臺消弧裝置會造成多點接地假象

對于單個泵站工程而言，該裝置能起到消弧保護作用，但對于電力系統(tǒng)，面對的是無數(shù)個用電客戶，如果在配電網中多個客戶端變電所裝設消弧裝置，將會造成多點接地的假象。如圖2所示，客戶端1、2、3母線裝設了消弧裝置，當配電網任一出線發(fā)生弧光接地（如客戶端1供電線路單相接地），客戶端1、2、3微機控制器WZK均同時采集到電壓變化，由于各消弧裝置生產廠家不一、控制器建模不同，3臺消弧裝置都有動作的可能性（即消弧裝置動作具有隨機性、無選擇性），多臺消弧裝置動作后弧光隨即消失，此時系統(tǒng)的故障相上呈現(xiàn)出多個金屬性接地點，造成了多點接地的假象，采用小電流接地選線法無法判斷故障線路，采用試拉法接地現(xiàn)象不會消失，按規(guī)程規(guī)定，超過2h故障未能排除，總降變電所母線必須停電，就會造成大面積停電。

2.判相錯誤會導致事故擴大

當系統(tǒng)發(fā)生弧光接地時，控制器根據(jù)采集的電壓信號進行計算，根據(jù)預先建立的仿真模型進行分析，判斷接地故障的相別，但故障相判斷不能做到100%的準確。由于配電網接線的復雜性和運行方式的靈活性，當系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時表現(xiàn)出的穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)故障特征不盡相同，控制器仿真模型不能涵蓋所有的故障特征。如圖1所示，當客戶端1供電線路發(fā)生A相接地時，此時應將故障相A相接地，但控制器若判相錯誤使B相接地就會形成相間短路導致事故擴大，客戶端1母線就會因跳閘而停電，對于一些對供電可靠性要求特別高的行業(yè)就會造成停產，甚至產品報廢導致重大損失。為了防止判相錯誤，消弧裝置每相設置高壓熔斷器，避免相間短路。但熔斷器開斷電流能力較低（這也是制約熔斷器廣泛使用的原因），發(fā)生短路時一旦不能正確開斷，電弧在熔管中產生大量熱量，造成熔斷器爆炸，因此存在嚴重的安全隱患。

3.使用消弧裝置會損壞電氣設備

對于10kV直配電方式供電的泵站，電機是直接連接在10kV配電網上運行的，一旦電機定子繞組發(fā)生單相接地，消弧裝置動作會短接一部分定子繞組，被短接的這部分繞組切割磁力線產生電動勢，相當于故障相接地后消弧裝置短接了一個電源。由于直配電供電省去了變壓器變壓這個環(huán)節(jié)，缺少了變壓器這部分阻抗，產生的短路電流可達幾千安乃至幾十千安，會燒壞電機繞組和定子線槽，損傷電機。因此，直配電泵站工程不能使用消弧裝置。

對于一些安裝了變壓器的小型泵站，由于變壓器容量較小，一般采用高壓熔斷器或負荷開關進行保護。如果變壓器繞組發(fā)生單相接地，油浸變壓器的拉弧會自愈，熔斷器或負荷開關會開斷，不會造成事故。但采用了消弧裝置動作后，與上述電機繞組被短接的情況相似，短接的這部分繞組產生電動勢，相當于變壓器內部發(fā)生匝間短路，從而損壞變壓器繞組絕緣造成事故。因此，采用故障相接地法的消弧裝置只能用于線路消弧。

圖2 配電系統(tǒng)消弧裝置接線圖

五、結語

綜上可以看出，如果多個客戶端變電所裝設采用故障相接地法的消弧裝置，在系統(tǒng)發(fā)生單相弧光接地時會造成多點接地的人為假象，且動作不具有選擇性，退出也是隨機的，無法真正找到故障點，而且會損壞設備并導致事故擴大，消弧裝置失去了其本來的作用。采用故障相接地法的消弧裝置對線路發(fā)生的單相接地能夠進行消弧，但是由于其消弧工作原理和元器件的選用決定了其應用具有一定局限性，會對安全供電產生危害，甚至造成大面積停電，應予謹慎、合理使用。

因此供電部門提出，今后新建的客戶變電所工程不應采用經消弧裝置接地方式。供電部門要求，在總降變電所中同一臺變壓器下、同一電壓等級中只允許設有一臺消弧裝置，客戶變電所不再使用消弧裝置。當系統(tǒng)發(fā)生單相弧光接地時保證只有一臺消弧裝置動作，只有這樣才能在解決弧光接地過電壓的同時又不會給運行維護工作及系統(tǒng)的安全帶來隱患

（作者單位：江蘇省水利勘測設計研究院有限公司 225217）