消弧柜在供电系统中应用的分析01.doc

XHG消弧装置机理及保护分析陈式献 杨 华 涂 斌(新余钢铁股份公司第一动力厂 江西 新余 338001)摘 要：在中性点不接地系统中，XHG消弧装置能迅速判断故障类型以及故障相别并将单相弧光接地转变为可靠的金属性接地。关键词：XHG消弧装置；弧光接地；过电压1概述XHG消弧装置在供电系统中具有消弧、消谐、小电流选线等功能。在消弧功能方面主要是针对中性点不直接接地的电力系统，当发生单相对地短路时，如果对地短路点不是金属性接地而是弧光接地时，则非故障相会产生34倍Ue（Ue系统额定电压）的过电压。XHG消弧装置在消弧方面的功能是对电压信号进行检测，判定是否为单相对地短路，如检测为单相对地短路则立即判定接地相别，并根据残压迅速判断是金属性接地还是弧光接地，同时向发生弧光接地相的真空接触器发出合闸命令，将故障相由弧光接地变成金属性接地，通过这种方式将非故障相电压限制在线电压范围内，以避免故障扩大。2弧光接地过电压的产生以及危害2.1 中性点不接地的供电系统对地电容电流对于中性点不接地的电力系统，在理想情况下各相对地只存在电容电流，其大小与线路长短、绝缘情况、对地电容等有关，各相对地具有相同的电容C0，在相电压的作用下，每相都有一超前相电压900的电容电流流入大地，而三相对地电容电流矢量合为零。但在实际情况下，中性点不接地的电力系统不可能三相对地电容电流完全矢量合为零，因此中性点不接地的方式一般适用于610kV的供电系统单相接地电流较小的情况。2.2中性点不接地的电力系统，发生单相金属性接地的分析中性点不接地的电力系统发生单相金属性接地时，假设A相接地时，A相对地电压为零，对地电容被短接，其它二相非故障相对地电压升高3倍，即由原来的相电压升高为线电压。因此B、C二相对地电容电流也升高3倍。图一如图一所示，当A相接地，各相对地电压为：UAD0，UBDEB-EA=3EAe-j150，UCD= Ec-EA=3EAej150,则A相接地点即故障点D点的零序电压为：UD01/3（UADUBDUCD）一EA，非故障相中流向故障点的电容电流为：IBUBDjC0，IC= UCD jC0，而这时IDIBIC，Id3UC0（说明：式中各相均为矢量，运算式为矢量运算，U为相电压，Id为有效值）。根据上面分析，由于中性点不接地，当发生单相金属性接地时，不会形成短路回路，通过接地点的电流仅为接地电容电流即Id，因而单相接地故障电流很小，在610KV的供电系统中为10A左右。2.3中性点不接地的电力系统，发生单相弧光接地的分析中性点不接地系统发生单相对地短路时，由于情况复杂不一定都能形成牢固金属性的对地短路，经常出现的是单相弧光接地。形成弧光接地的基础是间歇性电弧，由于电弧不断的熄灭重燃，造成系统对地电容上的电荷不断的积累和重新分配，在非故障相电感、电容回路上产生高频振荡过电压，非故障相产生的过电压可达47倍的相电压。弧光接地或电弧重燃，已充电的相对地电容向故障点放电，相当于RLC放电过程，放电电流为：Ig(Um/(L/C)*et/T*sint =1/(L/C)，过渡过程结束后，流过故障点的电弧电流只剩下稳态的工频电容电流，其有效值为：I3U0C，瞬时值为：Iw=3U0C sin0t，因此当发生弧光接地时，流过故障点的综合电弧电流为：Ih= IgIw,产生的过渡高频电流可达数百安倍甚至数千安培。因而当发生单相弧光接地时，在故障点流过的电弧电流会产生极高的温度，对架空线易引起线路烧断，并由于电动力以及自然环境影响很容易引起相间短路；对于电缆线路当发生弧光接地时，由于电缆相间距离很小一但发生弧光接地时，极易将其他二相烧坏，发生相间短路。3XHG消弧装置在中性点不接地系统中保护分析3.1XHG消弧装置的原理3.1.1 XHG消弧装置的原理图3.1.2 XHG消弧装置的机理XHG消弧装置的机理是由消弧柜的ZK微机控制器不断检测PT提供的电压信号，一旦系统发生PT断线、单相金属接地或单相弧光接地时，PT辅助二次的开口三角电压立即由低电平转为高电平，微机控制器启动中断，并根据PT二次电压的变化，判断故障类型和相别。PT断线的判据如下表：故障相别VaVbVc面板显示a相断线5.55050A-db相断线505.550B-dc相断线50505.5C-d弧光接地、金属性接地判据如下表：故障相别金属接地弧光接地UAUbUc面板显示UAUbUc面板显示A相接地5.58585A相金属接地5.58585A相弧光接地B相接地855.585B相金属接地855.585B相弧光接地c相接地85855.5C相金属接地85855.5C相弧光接地如果是PT单相断线故障，则ZK微机控制器输出开关量接点信号并报警，同时可通过RS485（或RS232）接口与微机监控系统实现数据远传。如果是单相金属性接地故障，则ZK微机控制器输出开关量接点信号并报警，也可根据用户要求由微机控制器向真空接触器（JZ）发出动作命令，将故障相在XHG柜内通过真空接触器与地直接短接，同时可通过RS485（或RS232）接口与微机监控系统实现数据远传。如果是单相弧光接地故障，则ZK微机控制器同时判明弧光接地的故障相，并对与故障相相对应的真空接触器发出动作命令即合闸命令，真空接触器快速动作将不稳定的弧光接地转化为稳定的金属性接地，其他非故障相闭锁不动作以防止相间短路，非故障相电压被限制在线电压范围内，以防止过电压的产生。当故障相真空接器合闸后，只有在接地故障消除后才能通过人工对ZK微机控制器进行手动复位，分断空接触器已合闸的真空接触器。装置输出开关量接点信号，同时可通过RS485（或RS232）接口与微机监控系统实现数据远传。综上所述，XGH消弧装置的功能除了PT监测，主要是在中性点不接地的供电系统中，针对单相接地故障的检测以及故障类型的判断，并对单相弧光接地以及单相金属性接地（单相金属性接地可有选择的是否将故障相接地）的故障相直接对地短接，以消除弧光接地带来的危害，保证供电系统的供电的稳定性，给检修人员排除故障争取时间。3.2XHG消弧柜的作用以我公司热轧系统中水处理中心一台20000KVA变压器次故障为例，具体说明XHG消弧柜在中性点不接地的供电系统中当发生单相弧光接地故障时起到的作用。3.2.1 XHG消弧柜安装地点供电系统简介我公司热轧系统中负责污水处理的水处理中心，其配电室两进线电源来自热轧35KV变电所，经两台20MVA变压器（分别称1、2主变）降压后供I、II段母线，I、II段母线上各安装一台XHG消弧柜，热轧变电所未安装XHG消弧柜。3.2.2 故障经过2009年2月14日17点，热轧水处理配电室I段XHG消弧柜第一次报C相弧光接地， C相真空接触动作，形成C相金属性接地，值班人员在未停电状态下对I段XHG柜进行试复位，成功分开C相真空接触器，因而认为是外部出现接地现象引起的。30分钟后XHG柜第二次报C相弧光接地，C相真空接触动作；C相高压熔断器熔断；同时3动力变压器柜（动力变10KV/0.4KV，以下简称3柜）内过电压保护器炸毁，3柜速断动作；热连轧35KV水处理1电源柜速断动作，热轧水处理1主变失电。随后检修人员进行检查（没有进行母线耐压试验），没有检查出问题后将3柜以及XHG柜退出运行（由XHG柜的高压熔断器无备件因而退出）并对1主变送电，恢复I段母线供电。15分钟后主变差动保护速断动作跳闸，热轧变电所水处理电源出线柜速断动作，对1主变进行检查发现主变内部有短路现象，将1主变退出运行。对变压器吊芯检查发现此台变压器B相高压线圈炸断，对I段线进行母线耐压试验，加压至32KV，泄漏值超标并且波动很大，高压柜水平母线室有断续放电声。将高压柜水平母线室依次打开检查发现3柜水平母线室内四周柜板上有明显拉弧痕迹并且有一处柜板因弧光熔化出现一小洞，C相水平母线与引下铜排联接处四个固定锣杆未紧固，并已熔化只剩一个，与此故障点位置相近的A、B相水平母线有明显拉弧过热现象并且铜排有部分熔化现象。3.2.3 故障分析从故障的整个过程来看， 3柜水平母线室C相水平母线与引下铜排联接处固定锣杆在施工过程中未紧固或由于运行过程中振动引起的松动，是这次故障发生的原因。分析如下：1、3柜C相水平母线与引下铜排联接处固定锣杆松动，使得两铜排搭接处于不稳定的虚接状态，铜排与铜排之间拉弧过热产生高温，并电离出游离状的铜离子，直接导致此处对柜体、以及B相水平母线的绝缘下降，并最终击穿拉弧。 XHG柜根据检测到的PT信号迅速判断出故障类型以及故障相别为C相弧光接地，立即对C相真空接触器发出合闸指令，将C相弧光接地转变为金属性接地，从而消除了故障点的拉弧现象，拉弧点的铜排开始降温冷却，对柜体绝缘水平上升。所以当值班人员在第一次C相弧光接地时，能成功复位XHG柜分断C相真空接触器，消除了弧光接地报警。2、在运行30分钟后3柜C相水平母线与引下铜排搭接处故障点再次过渡到对柜体拉弧，即第二次I段XHG柜报C相弧光接地。而与此同时3柜的过电压保护器（过电压保护器产品质量存在一定问题）因前次弧光接地过程中产生的过电压已造成绝缘受损，当C相再次出现的弧光接地时产生的过电压，使其绝缘被彻底击穿，形成A、B相对地短路。而此时XHG柜的C相真空接触器已合闸，通过大地与3动力变高压柜已对地短路的过电压保护器形成短路回路，产生极大的短路电流使XHG柜C相高压熔断器熔断（熔断器熔断值为40A）。造成3柜速断动作，1电源进线柜、热连轧35KV水处理1电源出线柜速断动作，3柜内过电压保护器炸毁，热轧水处理I段失电。3、由于检修人员对XHG工作原理掌握不够，未对XHG柜C相高压熔断器熔断的状况引起重视，认为二次XHG柜报弧光接地均是由3动力变柜过电压保护器引起的，未经行彻底检查，只是对母线、1主变用2500M摇表进行了绝缘摇测。随后检修人员将3柜、XHG柜退出运行（XHG柜的高压熔断器无备件），对1主变送电恢复I段供电。15分钟后主变因差动速断保护动作，高、低侧开关跳闸，主变B相线圈烧断。分析认为由于3柜C相水平母线与引下铜排搭接处的故障点未消除，当1主变送电恢复I段供电后，C相再次过渡到弧光接地，而此时XHG柜已退出运行，同时退出了PT监测，因而无法消除弧光接地，也无法监测到I段电压信号，因此随着时间推移由C相母线弧光接地过渡到三相10KV系统母线短路，使得1主变在短时内再次遭受比上次更大的三相短路冲击，加上变压器抗短路冲击能力存也