配網綜合故障管控系統在鋼鐵行業應用及展望

彭光云 童雪燕 解曉峰

摘要：本文通過消弧裝置在廠內實際應用效果，分析了消弧線圈及其選線裝置在鋼鐵公司使用效果不佳的原因。同時對配網綜合故障管控系統快速熄弧及準確選線以及“高壓閃絡法”快速查找故障點進行了原理介紹及實際案例效果展示。

關鍵詞：故障管控系統;無線組網選線;高壓閃絡法;快速開關技術;快速識別技術

1項目背景

公司集煉鐵、煉鋼、軋鋼、煉焦、發電為一體，主要產品有連鑄方坯等系列產品，以及氧氣、冶金焦炭等化工產品。供電系統由 110kV 和 35kV 變電站各一座構成。從變電站到各車間6kV 電纜線路 78 條，線路全長約 70km。以交朕單芯和三芯電纜為主，電纜最大截面積以 3×1×800mm2 和 3×300mm2 為主，導致系統電容電流近 90A。

2009 年，在 110kV 變電站安裝自動調容補償消弧線圈和小電流接地選線裝置各一套。設備安裝后電纜接地弧光有所減少，但弧光熄滅非常難。每次接地故障發生時電纜橋架仍然有電纜燃燒、火勢難于控制等。而只能通過人工逐一停電接地信號消失才能確定故障線路，才能進行滅火操作。小電流接地選線器投運后選線不準長期處于無用狀態。

2消弧線圈小電流接地選線裝置在德勝鋼鐵使用效果不佳原因分析

根據多年的運行經驗，對于電容電流超過 30A 的 3～10kV 架空電網，可以采用消弧線圈接地方式【1】。架空電網的電弧電流主要表現為工頻電流，高頻電流幅值很小且衰減很快，所以消弧線圈對架空線路能起到一定消弧效果。

隨著網架結構改變，企業電網普遍使用交聯聚乙烯電纜線路。使得非瞬時性單相接地故障幾率大大增加，由于消弧線圈只能消除瞬時性單相接地故障。當電纜線路發生非瞬時性單相接地故障時，電弧電流不但有工頻分量還有高頻分量而且高頻分量的幅值是工頻分量的 25～50 倍。傳統的消弧線圈不能快速消除弧光過電壓，電纜電網中的穩態電流、高頻電流提高、高頻電流作用時間延長都導致接地電弧釋放熱量的增加，以及高頻電流增大帶來的弧光接地過電壓提高，使得故障發展大大加快，遠遠滿足不了維持運行 2 小時的要求，往往是來不及選出故障線路、來不及完成轉移負荷的倒閘操作，就發生了被迫跳閘事故，甚至使故障接地點很快燒毀并迅速發展成相間短路故障，致使故障擴大，并由此導致重要生產設備的停運。德勝鋼鐵使用的小電流接地選線存在一次選出多條線路，選線的準確率極低，使得我們對小電流接地選線的結果失去信心。

針對公司配電網電纜故障頻發，接地電弧光燃燒時間長而無法快速控制，接地故障線路選線不準等問題的長期困繞。我們對十年來公司使用的消弧線圈及其選線裝置使用效果的總結是消弧線圈不適合電纜電網系統。

3解決問題的優化方案

經過近年來對電力行業相關新技術的深入學習，最后，決定選用上海合凱電氣科技有限公司的配網綜合故障管控系統（簡稱 SHK-ZGKS），解決公司 6kV 配電網存在的選線不準及弧光不易熄滅的問題，并將該技術的應用總結如下：

4SHK-ZGKS 主要技術特點

4.1快速熄弧

SHK-ZGKS 系統接地元件采用分相控制的渦流驅動機構的快速開關，額定電流最小為 1250A，滿足了系統對地電容電流較大時接地需求?？焖匍_關的分閘時間≤5ms，合閘時間≤10ms，滿足 快速熄弧及短路故障快速處理的要求。

如圖 1 所示，SHK-ZGKS 主要由分相控制快速開關 JZ（可以重復使用）、微機綜合控制器ZK、無線組網選線裝置 WLS2 組成;隔離開關 GN、抗飽和電壓互感器 YH、高壓限流熔斷器 RD、大能容吸收器 LEP、半導體自限流抑制器 SIDR 及電壓監測控制器 YK 等組成。

系統正常運行時，裝置面板顯示系統運行電壓、開口三角電壓以及裝置運行狀態;

系統發生單相弧光故障時，裝置在 20ms 之內迅速將故障相弧光接地，轉化為穩定的金屬接地，完成熄弧和限壓功能，防止過電壓損害系統絕緣，保證系統運行安全;當電網有其它相出現弧光接地時，管控系統在 10ms 內快速切除故障回路，避免事故擴大。解決系統中弧光接地過電壓不能有效快速熄滅進而引發兩相或三相短路故障的現象。同時裝置中的微機綜合控制器報警并通過 485 接口通訊上傳云端服務器，并以微信方式下發到相關人員的手機。

4.2快速準確選線

SHK-ZGKS 能夠快速熄弧，有效控制了故障的發展，給轉移負荷的倒閘操作留出了充裕的時間。但倒閘操作的前提是故障線路已被確定，這就需要解決快速準確選線問題。SHK-ZGKS 配套的無線組網選線（SHK-WLS2）主要采用了“阻抗瞬變法”和“最大增量法”相結合的高科技算法，在此基礎上，使用“多重判據模糊推論綜合選線”方法，綜合“首半波基波比幅比相法”、“最大增量法”、“智能高次諧波法”、“基波有功功率比較法”等 8 種選線方法針對不同狀況進行選線判定，巧妙地解決了諧波干擾、電磁環境、高頻大電流，可以在各種惡劣環境下實現快速而準確地選出故障回路，且支持多種通訊規約，能與變電站綜合自動化系統進行遠程數據交換。

該裝置能夠在接地后 100ms 內選出總站內地接地線路，同時分站也選擇本站接地線路，并且分站和總站之間通過 GSM 網絡實現數據交換（如圖 3 所示），總站和分站數據統一采集綜合比較得出最終選線結果，不但保證了信號不受距離和其他因素影響，同時保證了信號的準確性。能適合不同情況的接地選線，大大提高了選線的準確率，SHK-WLS2 目前在德勝公司的準確率為 100。同時通過云平臺和手機 APP 將故障信息及時發送至移動手持設備提醒用戶。

5.“高壓閃絡法”查找電纜故障點

圖 4 為高壓閃絡法電纜故障測試【2】連接示意圖，按圖 4 電源接上后，實驗變壓器 PT 對電容器 C 充電。當電壓高到一定數值時，球間隙 J 被擊穿，電容器 C 上的電壓通過球間隙的短路電弧直接加到電纜的測量端，這個沖擊電波沿電纜向故障點傳播。只要電壓的峰值足夠大，故障點就會因電離而放電。故障點放電所產生的短路電弧使沿電纜送去的電壓波反射回去。因此，電壓波就在電纜端頭和故障點之間來回反射。借助于電纜故障測試儀主機觀察到來回反射的電壓波形。同時，人工在電纜橋架下也能聽到故障點明顯的放電聲音。為避免電纜被損壞，經驗數據電壓升到 7kV 就能看到明顯的返回波，并且在電纜橋架附近聽到故障點發出清淅的放電聲音。如果是埋地（電纜溝）電纜需要借助放電診斷器聽到故障點的放電聲響。通過此種方法就可以準確地找出故障點。

6.優化改造方案實際應用效果

6.1優化方案的一次主接線圖

如圖 5 所示德勝鋼鐵公司于 2020 年 4 月在 110kV 變電站的總降 6kV 系統加裝了 2 套配網

綜合故障管控系統（SHK-ZGKS，含總站型無線組網選線 SHK-WLS2），在二級變電所加裝了 2 臺無線組網選線裝置（SHK-WLS2）。裝置自運行以來至今解決了系統多次弧光接地故障，且每次都能快速準確地選出故障回路?，F以 2020 年 8 月 25 日云南德勝鋼鐵 110kV 變電站制氧 I 回電纜線路 C 相接地故障進行應用效果說明。

6.2管控系統（編號 ZG015）報警信息

報警項目：云南德勝鋼鐵 ZG015 管控系統;

報警設備：110kV 變電站管控柜（云南德勝 2#ZGKS）報警類型：C 相弧光接地

報警時間：2020 年 8 月 25 日 07：23：06（如圖 6 所示）報警設備：110kV 變電站選線裝置（云南德勝 3#WLS2）報警類型：制氧 I 回（678）

報警時間：2020 年 8 月 25 日 07：23：06。

6.3管控系統（編號 ZG015）實際錄波圖

6.4管控系統（編號 ZG015）動作分析

2020 年 8 月 25 日 07：23：06，2號管控系統檢測到 110kV 變電站 6kV 配電系統 C 相接地，2號管控系統控制故障相（C 相）快速接地開關合閘，故障相直接接地，從而熄滅電弧，健全相（A、B相）相電壓升到線電壓【3】，并且電壓穩定。同時，3#分站選線裝置（WLS2）進入采集選線狀態，選線結果：2020 年 8 月 25 日 07：23：06，110kV 變電站制氧 I（678）電纜線路 C 相接地故障。經過生產指揮中心停電確認，故障線路選線準確。

6.5電纜故障點找查及搶修

應用“高壓閃絡法”查找故障點：在電纜兩端做好電纜試驗的安全措施后，在配電室開關柜的電纜頭上連接好高壓閃絡法試驗設備，對故障相電纜進行加升壓試驗，電壓升壓至 7kV 時球隙放電電壓注入故障電纜，維持電壓不到 5 分鐘，巡線員報告聽到電纜橋架內有明顯的放電聲音，做好安全措施后人員進一步靠近放電部分，經過兩次確認故障點已經確定，停止試驗后對放電位置并做好標識電纜故障點重新制作電纜頭檢修后，電纜恢復正常運行。經過幾次事故后的準確判斷及有效控制，另外，通過創新電纜故障點的查找方法，檢修效率大大提高。將故障帶來的損失降到最低，公司領導給予高度評價。

7.結語

配網綜合故障管控系統自安裝以來，經過多次電纜故障檢驗證明，能快速判斷出故障類型和故障相，接地故障快速準確動作、快速熄滅電弧，整個接地過程電纜橋架內未發生明火，該裝置有效遏制多根電纜燃燒事故，降低事故損失率;選線裝置快速準確選出故障回路，堅定線路停電操作的信心;高壓閃絡法檢測【4】電纜故障點簡單實用安全高效快速。解決了德勝公司網架結構不合理，提升了公司電網的安全運行環境。因此從技術成熟度、經濟效益、節能效果以及運行可靠性等綜合指標，SHK-ZGKS 管控系統在解決企業單相故障及選線不準的優化方案上值得推廣和應用。

參考文獻：

[1]劉健 對我國配電網中性點接地問題的思考 陜西電力科學 2017-05-10

[2]成永紅 電力設備絕緣檢測與診斷中國電力出版社 2001-08

[3]林海雪 電力系統的三相不平衡中國電力出版社 1996-12

[4]狄富清 變電設備合理選擇與運行檢修 機械工業出版社 2006-01