35kV配網(wǎng)小電阻接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

引言

新天公司總降變電站35kV系統(tǒng)為10個(gè)化工裝置區(qū)負(fù)荷提供電源,從巴彥岱變電所引入兩回110kV進(jìn)線,經(jīng)過(guò)#1、#2主變接入總降變電站35kV1、1段母線:熱電站3臺(tái)50MW發(fā)電機(jī)組,經(jīng)過(guò)#1、#2、#3升壓變分別接入總降變電站的35kVⅠ、Ⅱ、Ⅲ段母線:化工用電負(fù)荷分別接在35kVⅠ和Ⅲ段母線上。因此,35kV系統(tǒng)供電可靠性,直接影響化工負(fù)荷供電可靠性。近年來(lái),35kV系統(tǒng)電纜或母線單相接地故障多次引發(fā)了過(guò)電壓,導(dǎo)致電氣設(shè)備損壞,造成了化工雙系列停運(yùn)事故。

1現(xiàn)狀問(wèn)題

新天公司35kV系統(tǒng)出線間隔多,負(fù)荷電纜長(zhǎng),系統(tǒng)電容電流較大,將近80A。在2020年6月前,因35kV系統(tǒng)為不接地系統(tǒng),在35kV系統(tǒng)發(fā)生的多起單相接地故障中,系統(tǒng)均出現(xiàn)過(guò)電壓現(xiàn)象,在短時(shí)間內(nèi)引發(fā)多點(diǎn)故障,造成化工雙系列停運(yùn)事故,如2018年4月發(fā)生"#3升壓變35kV側(cè)管母軟連接B相故障",2019年2月發(fā)生"35kVⅡ段母線B相故障",2019年10月發(fā)生"空分循環(huán)水#2油變A相故障"。2020年6月至2021年6月,35kV系統(tǒng)由不接地系統(tǒng)改造為中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng),目的是當(dāng)35kV系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí),實(shí)現(xiàn)消弧線圈自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償,保證故障負(fù)荷在2h之內(nèi)不斷電,保持正常供電。但2020年8月發(fā)生"#2升壓變35kV側(cè)電纜單相接地故障",2021年2月發(fā)生"三級(jí)泵站#2線路單相故障",這兩起事故仍然引發(fā)了多點(diǎn)故障,造成化工裝置停運(yùn)和降負(fù)荷的后果。

2原因分析

35kV系統(tǒng)原設(shè)計(jì)為不接地系統(tǒng),存在電容電流嚴(yán)重超標(biāo)的重大設(shè)計(jì)缺陷,當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí),電容電流過(guò)大,接地點(diǎn)電弧不能自行熄滅,特別是當(dāng)出現(xiàn)間歇性弧光接地時(shí),產(chǎn)生弧光接地過(guò)電壓,可達(dá)3~5倍相電壓甚至更高,非常容易擊穿系統(tǒng)中絕緣薄弱設(shè)備,瞬間發(fā)生多點(diǎn)擊穿轉(zhuǎn)換性故障,同時(shí)系統(tǒng)又遭受巨大短路電流沖擊,造成大面積停電,最終導(dǎo)致化工裝置停運(yùn)。

2020年6月,35kV系統(tǒng)安裝消弧線圈后,發(fā)生單相接地故障時(shí)消弧線圈產(chǎn)生電感電流,該電感電流能補(bǔ)償因單相接地而形成的電容電流,使得故障相恢復(fù)電壓速度減小,同時(shí)消弧線圈的嵌位作用,能有效降低鐵磁諧振過(guò)電壓產(chǎn)生的概率。但上述兩起單相接地故障仍引發(fā)了多點(diǎn)故障,擴(kuò)大了故障范圍。分析原因?yàn)橄【€圈以感性電流補(bǔ)償容性電流來(lái)熄弧,在單相接地故障中能發(fā)揮一定的作用,但在本公司35kV配網(wǎng)系統(tǒng)使用中暴露出如下一些問(wèn)題:不能限制間歇性弧光過(guò)電壓,不能補(bǔ)償高頻電流,接地選線不準(zhǔn),容易導(dǎo)致運(yùn)行人員在查找故障點(diǎn)時(shí)誤拉正常負(fù)荷。

針對(duì)上述問(wèn)題,分析認(rèn)為本公司35kV系統(tǒng)供電線路以電纜線路為主,電纜受外界環(huán)境影響小,電纜發(fā)生的故障大多為永久性故障。因?yàn)殡娎|發(fā)生接地故障時(shí),接地電弧為封閉性電弧,不易自行熄滅,不及時(shí)跳閘,將造成相間故障,擴(kuò)大事故范圍:再者,經(jīng)消弧線圈補(bǔ)償后,僅能降低故障點(diǎn)的殘流,但不能消除故障。因此,認(rèn)為純電纜網(wǎng)絡(luò)的配電系統(tǒng)采用小電阻接地方式能有效限制配電故障時(shí)過(guò)電壓,而且能及時(shí)切斷故障線路。

于是在2021年6月,35kv系統(tǒng)中性點(diǎn)進(jìn)行小電阻接地改造。

3設(shè)計(jì)思路

35kv系統(tǒng)主接線方式為單母三分段,化工用電負(fù)荷分別掛在35kvI段和Ⅲ段母線上,35kvⅡ段不存在獨(dú)立分段運(yùn)行方式,則選擇在35kvI和Ⅲ段母線各加裝一套小電阻接地成套裝置,滿(mǎn)足35kv母線并列運(yùn)行和分列運(yùn)行的要求,接線圖如圖1所示。

具體設(shè)計(jì)如下:由于35kv系統(tǒng)中性點(diǎn)沒(méi)有可以引出的設(shè)備,則選用Z型三相接地變來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)中性點(diǎn)的接地要求。接地變沒(méi)有帶負(fù)荷的需求,選用的接地變不配置二次繞組。新增兩套小電阻接地成套裝置分別接于35kv母線I段備用間隔1AH18和35kvⅢ段原消弧線圈接地變間隔31AH19。

當(dāng)35kvⅠ、Ⅱ、Ⅲ段母線并列運(yùn)行時(shí),僅投入其中一套小電阻接地成套裝置:當(dāng)35kvⅠ、Ⅲ段分列運(yùn)行時(shí),同時(shí)投入兩套小電阻接地成套裝置。

根據(jù)國(guó)家和行業(yè)規(guī)范要求,小電阻接地的配網(wǎng)系統(tǒng)采用單母或雙母分段分列運(yùn)行方式。而新天公司35kv主接線為三分段,正常狀態(tài)下不允許分列運(yùn)行,這樣在設(shè)計(jì)中要解決運(yùn)行母線防"失地"問(wèn)題,運(yùn)行中母線一旦"失地",系統(tǒng)又將恢復(fù)成改造前電容電流嚴(yán)重超標(biāo)的系統(tǒng)。因此,提出加裝自投裝置,配置合適的邏輯功能并整定合適的繼電保護(hù)定值,相互配合,保證任何一種運(yùn)行方式下或事故狀態(tài)下,運(yùn)行中母線不會(huì)"失地"。

35kv系統(tǒng)電氣設(shè)備配置零序保護(hù)并投入跳閘,保護(hù)整定與運(yùn)行同時(shí)兼顧靈敏性、速動(dòng)性和選擇性。遵循原則:系統(tǒng)設(shè)備發(fā)生單相接地故障,本設(shè)備保護(hù)可靠切除故障,允許短延時(shí)動(dòng)作,但保護(hù)動(dòng)作時(shí)間必須滿(mǎn)足有關(guān)設(shè)備熱穩(wěn)定要求:只有當(dāng)本設(shè)備保護(hù)或斷路器拒動(dòng)時(shí),允許由相鄰設(shè)備的保護(hù)切除故障。

小電阻接地成套裝置采用戶(hù)外布置,其中原消弧線圈用的接地變和預(yù)制艙保留利舊。

4主要設(shè)備選擇

接地變小電阻接地成套裝置主要由接地變壓器、接地電阻器、電流互感器、單極斷路器、電阻智能監(jiān)控器、戶(hù)外防護(hù)箱體等組成。

4.1接地電阻參數(shù)計(jì)算

中性點(diǎn)電阻接地網(wǎng)絡(luò)中,暫態(tài)過(guò)電壓的倍數(shù)k與系統(tǒng)單相接地電流IR和單相接地電容電流IC的比值關(guān)系:當(dāng)IR=IC時(shí),可將健全相的過(guò)電壓限制在2.5倍相電壓以下:當(dāng)IR=1.5IC時(shí),可將健全相的過(guò)電壓限制在2.26倍相電壓以下:當(dāng)IR=2IC時(shí),可將健全相的過(guò)電壓限制在2.2倍:當(dāng)IR=3IC時(shí),可將健全相的過(guò)電壓限制在2.0倍:但當(dāng)IR>4IC時(shí),限制過(guò)電壓效果不明顯。中性點(diǎn)接地電阻值的選取主要依據(jù)系統(tǒng)總電容電流,并綜合考慮限制過(guò)電壓倍數(shù)、繼電保護(hù)的靈敏度等因素。

在限制暫態(tài)過(guò)電壓水平方面,參考《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合》(DL/T620一1997)4.2.8要求,按系統(tǒng)發(fā)生單相間歇性電弧接地故障時(shí),小電阻接地系統(tǒng)不超過(guò)2.5p.u.設(shè)計(jì)。

在保證繼電保護(hù)的靈敏度方面,參考《石油化工電氣系統(tǒng)電阻接地設(shè)計(jì)規(guī)范》(SH/T3208一2020)5.1.4.1要求,電阻值的選擇宜使金屬性單相接地短路電流在200~600A范圍內(nèi)。

故障電流選擇過(guò)大,雖然提高了保護(hù)靈敏度,但相應(yīng)的接地變?nèi)萘亢碗娮杵鞴β室矔?huì)增大,設(shè)備會(huì)變得笨重,同時(shí)引起的地電位升高更加嚴(yán)重。綜合考慮,接地電流按IR=4IC設(shè)計(jì),通過(guò)計(jì)算接地電流取400A。

4.2接地變壓器參數(shù)選擇

(1)接地變額定電壓UrT:

根據(jù)《導(dǎo)體和電器選擇設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》(DL/T5222一2005)要求:接于系統(tǒng)母線的三相接地變壓器額定一次電壓應(yīng)與系統(tǒng)額定電壓相一致。則:

(2)接地變壓器的容量:

長(zhǎng)期運(yùn)行容量計(jì)算:電阻器連接在接地變形成的中性點(diǎn)上,其電流為接地變壓器相電流的3倍。

根據(jù)《石油化工電氣系統(tǒng)電阻接地設(shè)計(jì)規(guī)范》(sH/T3208一2020)標(biāo)準(zhǔn)[2],接地變壓器10s過(guò)載系數(shù)為額定容量的10.5倍,則取K值為10.5計(jì)算:

本站接地變壓器不帶站用變,可取接地變壓器標(biāo)準(zhǔn)容量為1000kVA。

5現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施和運(yùn)行評(píng)估

在總降變?cè)簝?nèi)原消弧線圈接地變預(yù)制艙西側(cè)間隔8m平行位置,安裝#1小電阻接地成套裝置:電纜敷設(shè)路徑:借助原消弧線圈接地變電纜溝局部新增15m連接至新增#1小電阻接地成套裝置:總占地面積約40m2,如圖2所示。2021年6月15日,#1小電阻接地成套裝置安裝、調(diào)試完成,投入運(yùn)行,原消弧線圈成套設(shè)備退出運(yùn)行:2021年7月27日,#2小電阻接地成套裝置安裝、調(diào)試完成,投入運(yùn)行,同時(shí)#1小電阻接地成套裝置改熱備狀態(tài)。此時(shí),35kV系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地改造已完成。

圖2 小電阻接地成套設(shè)備安裝處

自35kV系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地改造后,系統(tǒng)共發(fā)生4起單相接地故障:

2021年7月22日,發(fā)生#1降壓變B相電纜終端頭接地事件,#1降壓變本柜保護(hù)裝置RCs9681Cs零序動(dòng)作,105ms切除故障,35kV系統(tǒng)恢復(fù)正常。

2021年9月27日,#1污水油變35kV側(cè)C相電纜發(fā)生接地故障,#1污水油變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作,105ms切除故障,35kV系統(tǒng)恢復(fù)正常。

2021年11月29日,#1空分循環(huán)水油變35kV側(cè)C相電纜發(fā)生接地故障,#1空分循環(huán)水油變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作,105ms故障切除,35kV系統(tǒng)恢復(fù)正常。

2021年12月29日,#1空分循環(huán)水油變35kV電纜B相發(fā)生接地故障,繼而發(fā)生AB相故障,#1空分循環(huán)水油變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作,106ms故障切除,35kV系統(tǒng)恢復(fù)正常。

上述4起單相接地故障保護(hù)均能正確切除,系統(tǒng)迅速恢復(fù)正常,完全符合小電阻接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)意圖,不會(huì)從單相接地故障發(fā)展為多點(diǎn)故障,造成母線短路甚至全廠停車(chē)。

6結(jié)語(yǔ)

對(duì)于新天公司的中壓配網(wǎng)電纜故障率較高現(xiàn)象,電纜故障多為永久性故障且電容電流大,為避免單根電纜故障引發(fā)多點(diǎn)故障,能夠快速切除接地故障電流的小電阻接地方式無(wú)疑是最佳選擇。采用小電阻接地方式后,接地電流增大,同時(shí)單相接地故障無(wú)論是永久性還是瞬時(shí)性,均作用于跳閘,使得線路跳閘次數(shù)增加,也影響了供電負(fù)荷。因此,還需從根本上解決電纜故障率高的問(wèn)題,從提高電纜終端制作質(zhì)量及改善電纜溝環(huán)境著手,降低電纜故障率。