短路故障引起“晃電”原因分析及防范措施

樊銀濤 金世強(qiáng) 李 昊

河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司機(jī)電檢修分公司 河北 唐山 063700

一、事故現(xiàn)象

2020年3月12日排巖配電室排土機(jī)6923高壓電纜絕緣損壞,造成A、C兩相短路,2020年6月10日常峪II段695架空線路B相導(dǎo)線從絕緣子脫落與兩邊相搭接,造成三相短路,2020年8月22日研山中碎3#圓錐電機(jī)接線盒內(nèi)一相電源接線端子在電機(jī)接線柱處脫落,造成弧光短路,2020年8月29日南區(qū)6#主井分支線下樹過高同時觸碰線路兩相,造成相間短路,此類型故障在電力系統(tǒng)中屬于嚴(yán)重故障,它間接造成整個系統(tǒng)母線短路。短路故障會引起系統(tǒng)電流驟增,電壓抖動嚴(yán)重,由于斷路器和綜保裝置固有動作時間,導(dǎo)致故障切除時間較長,電壓敏感類的設(shè)備無法躲過短路故障引起的低電壓持續(xù)時間,造成大面積的停車事故。

二、事故原因

1、系統(tǒng)短路故障發(fā)生為概率事件,通過統(tǒng)計(jì)一年發(fā)生的事故報告,可以看出此類事故多發(fā)生在碎采和架空線路的供電系統(tǒng),該系統(tǒng)的配電設(shè)施存在以下問題：(1)處在露天和粉塵環(huán)境,外界造成的不可控因素較多。(2)露天礦單體高壓設(shè)備較多,電纜敷設(shè)裸露且路徑不固定。(3)環(huán)境復(fù)雜惡劣,導(dǎo)致設(shè)備維護(hù)和保養(yǎng)不到。

2、高壓供電系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生短路故障切除時間太長無法躲過敏感設(shè)備電壓波動耐受期,因此“故障切除和隔離時間”是解決問題的根本途徑。供電系統(tǒng)短路故障在不考慮主變與故障點(diǎn)之間阻抗的前提下,可以認(rèn)為變壓器側(cè)發(fā)生短路,它會造成變壓器電流驟增,根據(jù)能量守恒定律變壓器輸出電壓降低,目前由于常規(guī)斷路器和綜保裝置固有動作時間無法在一個周波內(nèi)(20ms)完成故障點(diǎn)的切除。電壓在一個周波內(nèi)發(fā)生波動對敏感設(shè)備無影響,超過一個周波會導(dǎo)致設(shè)備停車。通過查閱資料微機(jī)綜合保護(hù)判斷故障的時間(20ms-30ms),加上斷路器固有動作時間(33ms-45ms),再加上電弧過零時間(16ms左右)。電壓從波動到恢復(fù)這段時間就是斷路器開斷短路故障的時間,大約在80ms秒左右,因此目前常規(guī)斷路器和綜保裝置速斷動作的固有時間根本無法躲過敏感設(shè)備電壓波動耐受期。

3、解決目前問題途徑：(1)對高壓柜進(jìn)行改造更換快速斷路器和加裝快速控制器,確保在20ms內(nèi)完成短路故障點(diǎn)的切除,將故障點(diǎn)與母線系統(tǒng)直接隔離。(2)購買成套母線殘壓保持裝置,在20ms內(nèi)在故障點(diǎn)與母線系統(tǒng)之間串入阻抗進(jìn)行分壓,間接將故障點(diǎn)與母線系統(tǒng)隔離。兩種途徑最終目的都是在20ms內(nèi)將故障點(diǎn)與系統(tǒng)母線隔離,保障故障點(diǎn)以外的其它設(shè)備在20ms內(nèi)不受電壓波動影響。

三、解決方案

司家營北區(qū)供電系統(tǒng)較大且饋線較多,每個配電室加裝母線殘壓保持裝置投資成本太高,且系統(tǒng)短路故障為概率事件,投資與后期收益嚴(yán)重失衡,此方案雖能較大概率解決目前問題,但是投資性價比最低。通過統(tǒng)計(jì)最近幾年事故報告,可以發(fā)現(xiàn)引起短路故障大多發(fā)生在碎選和架空線路供電系統(tǒng),它們是整個供電系統(tǒng)發(fā)生短路故障概率最高的部位,因此根據(jù)各配電室和出線柜發(fā)生短路故障的概率,采用加裝母線殘壓保持裝置和改造相結(jié)合的方式,降低因短路故障造成系統(tǒng)電壓降低,設(shè)備停車的概率。此方案與配電室全部安裝母線殘壓裝置相比,兩者解決問題的概率應(yīng)相差無幾,通過事故統(tǒng)計(jì)廠區(qū)內(nèi)設(shè)備連續(xù)幾年都不發(fā)生一次嚴(yán)重的短路故障,因此可將不在廠區(qū)內(nèi)的配電室或饋出線,加裝母線殘壓保持裝置和進(jìn)行斷路器及快速控制器改造,采用此種方案投資較低,對于司家營北區(qū)供電系統(tǒng)應(yīng)是性價比最高的方案。

1、統(tǒng)計(jì)司家營北區(qū)目前定值,將不涉及上下級配合的饋出線、單回路線路、單體設(shè)備的速斷定值全部整定為零延時,盡量降低系統(tǒng)短路故障時間,在一定程度上縮短電壓波動時間,降低電壓波動耐受期較長設(shè)備的停車概率。

2、安裝成套母線殘壓保持裝置或高壓柜改造

研山鐵礦配電室都在廠區(qū)內(nèi),至各生產(chǎn)車間設(shè)備的電纜為橋架敷設(shè),采場設(shè)備和水源井架空線路由獨(dú)立的箱變經(jīng)變壓器供電與研山鐵礦10k V供電系統(tǒng)沒有牽連,發(fā)生短路故障只會影響本變壓器母線電壓,不會對研山10k V供電系統(tǒng)造成危害,研山鐵礦供電系統(tǒng)發(fā)生短路故障的概率相對較低,通過統(tǒng)計(jì)最近發(fā)生的一次短路故障為碎礦圓錐破碎機(jī),此次事故是由于設(shè)備自身缺陷和維護(hù)不到造成的,因此研山鐵礦供電系統(tǒng)選擇故障率較高的設(shè)備進(jìn)行改造,高壓柜更換快速斷路器和控制器。

司家營一期6k V供電系統(tǒng)中有4個配電室在排巖場和采場附近,另外南區(qū)和常峪鐵礦等基建單位的供電架空線路也是通過此系統(tǒng),這些部位周圍環(huán)境復(fù)雜受外界影響較大,是該系統(tǒng)發(fā)生短路故障概率最高的部位,廠區(qū)內(nèi)的配電室和設(shè)備短路故障率很低。因此一期供電系統(tǒng)建議采用增加母線殘壓保持裝置和高壓柜改造相結(jié)合的方案。在坑口配電室、粗破配電室、排巖配電室、膠帶配電室安裝母線殘壓保持裝置,對于出廠區(qū)外的電纜和架空線路采用高壓柜改造方案。

四、母線殘壓保持裝置技術(shù)說明

母線殘壓保持裝置主要由快速換流器、限流阻抗、綜合控制器和后備開關(guān)等組成,正常工作時后備開關(guān)、快速換流器處于合閘狀態(tài)。

當(dāng)發(fā)生短路故障時,母保控制器通過電流互感器測到短路電流,經(jīng)“短路故障快速判斷算法”在2ms內(nèi)判斷出故障,立即發(fā)出快速開關(guān)分閘指令,20ms內(nèi)將母保阻抗投入線路,將故障點(diǎn)與母線系統(tǒng)進(jìn)行隔離,維持母線剩余電壓在85%以上,保障母線對其它未發(fā)生短路故障的支路連續(xù)供電,若短路故障被切除后,本支路的工作電流恢復(fù)到正常范圍,恢復(fù)本支路的正常供電；若短路故障點(diǎn)切除失敗,控制器延時200～500ms向后備進(jìn)線開關(guān)發(fā)出分閘指令,作為后備手段最后切除故障。

結(jié)語

綜上所述,無論通過什么方法,原理都是將故障點(diǎn)與系統(tǒng)母線隔離,保障故障點(diǎn)以外的設(shè)備不受影響,因?yàn)楸竟╇娤到y(tǒng)過于龐大短路故障點(diǎn)眾多,很難做到每個故障點(diǎn)安裝設(shè)備實(shí)現(xiàn)快速隔離。因此本方案是基于短路故障發(fā)生概率較高的部位進(jìn)行改造,降低事故概率,而不是完全解決供電系統(tǒng)中每個短路故障引起的停車事故,進(jìn)行改造后能夠最大限度降低設(shè)備停車的概率,保障廠礦企業(yè)供電系統(tǒng)的連續(xù)性和可靠性。