应用接地选线、消弧装置降低6KV系统接地故障危害

王金茂、张飞岳、刘晓文

中石油兰州石化公司

摘要：

针对现在单相不接地6KV系统发生单相弧光接地故障时选线装置选线准确率低和弧光不能有效熄灭的问题，介绍了一种新型接线选线消弧装置在工厂供电系统中的应用，以满足系统发生接地故障时有效灭弧和迅速切除故障线路的需求，以此降低6KV系统接地故障的危害。

关键词：单相，接地，小电流，消弧

中性点不接地系统发生单相弧光接地故障会对供电系统和用电设备造成巨大危害。对于中性点不接地的工厂供电系统，由于大量的使用了电力电缆和带绝缘防护的用电设备，6KV系统接地故障主要表现为单相弧光接地故障，这就要求在发生单相弧光接地故障时，必须及时消除弧光并迅速准确的切除故障线路。但现在普遍存在单相不接地系统发生单相弧光接地故障时选线准确率低和弧光不能有效熄灭等问题。为降低单相不接地6KV系统发生接地故障时的危害，现以某厂实际应用为例，介绍一种基于配合方式的接地选线消弧装置在工厂供电系统中的应用。

一单相弧光接地的危害

当中性点不接地系统发生单相弧光接地时，由于不稳定的间歇性电弧多次不断的熄灭和重燃，在故障相和非故障相的电感电容回路上会引起高频振荡过电压，非故障相的过电压幅值一般可达到3.5倍相电压。这种时断时续的瞬间发生的且幅值较高的过电压，会对电力系统的设备造成极大危害。在工厂供电系统中，具有固体绝缘的电缆线路很多，这种电缆具有绝缘损伤后不可恢复的特性。在发生单相弧光接地故障时，由于多次的熄弧、燃弧，非故障相的电缆绝缘不可避免的会受到多次过电压损伤，在绝缘损伤后不可恢复特性的影响下，绝缘损伤积累效应突出，容易在非故障相的绝缘薄弱环节造成对地击穿，进而发展为相间短路事故。燃弧时会产生大量的热量，一般情况下，在熄弧后会很快的再次燃弧，使接地点热量大量积累，造成接地电附件温度急剧升高。在工厂中，主要使用带固体绝缘的用电设备。固体绝缘的绝缘性能受温度的影响，温度越高，绝缘性能越差。因此，在中性点不接地系统发生单相弧光接地故障时，易造成接地点附近用电设备的绝缘损伤甚至损坏，使事故扩大。弧光接地过电压的能量由电源提供，持续时间较长，当过电压超过避雷器所能承受的能量时，会造成避雷器的爆炸事故。同时，很高的弧光使电压互感器饱和，容易激发铁磁谐振，导致电压互感器爆炸。

二接地选线、接地消弧装置工作原理

接地选线消弧装置主要由消弧装置和接地选线装置两部分组成。消弧装置安装于主变6KV母线侧，接地选线装置根据需要接入与消弧装置同级的6KV系统或下级6KV系统的用电回路。当系统发生接地故障时，接地选线装置和消弧装置通过相互配合，达到迅速准确选线和迅速消除弧光的目的。

（一）接地选线装置工作原理

接地选线装置通过计算比较现有零序CT选取的两个阶段中零序电流的增量来判断故障线路，计算比较后选取零序电流增量最大的线路为故障线路。当系统发生接地故障时，零序电压触发选线装置进入采集状态采集各回路零序电流，并根据获取的零序电流数据进行第一阶段的运算。同时，消弧装置判断接地故障类型。如果是金属性接地故障，消弧装置不动作；如果是弧光接地故障，消弧装置把弧光接地强行变为金属性接地。此时，接地选线装置再进入采集状态采集各回路零序电流，并根据本次数据进行第二阶段的运算。根据两个阶段的运算，接地选线装置可判断出故障线路。例如，接地选线装置接入4条回路。第二条线路发生接地时，接地选线装置第一阶段采集到的零序电流数据依次为5A、-17A、7A、5A。如果接地故障为金属性接地，选线装置第二阶段采集到的数据将可能约为5A、-17A、7A、5A，故障线路电流与非故障线路电流方向相反且数值相差较大，装置可直接判断选择第二条线路故障；如果故障为弧光接地，选线装置第二阶段采集到的数据将可能约为5A、6A、7A、5A，此时四条线路零序电流与第一阶段的数据相比较，可计算出两个阶段的增量，分别为0A、23A、0A、0A，第二条线路的增量最大，装置同样可判断选择第二条线路故障。

（二）接地消弧装置工作原理

供电系统发生弧光接地时，如果把故障相变成金属性接地，故障相的对地电压降为零，并将电弧电流减少到零，原故障点的电弧必然熄灭，从而避免弧光的产生，而其他两相的对地电压将会被限制在线电压的水平上。新型消弧装置可以把故障相由弧光接地快速转变为金属性接地。这种装置消弧和过电压保护的机理与供电系统的单相接地电容电流大小无关，因而其保护性能不受供电系统运行方式的改变和供电系统扩大的影响。新型消弧装置由快速真空断路器、电压互感器（PT）、电流互感器（CT）、组合式过电压限制器和智能控制器组成。消弧装置硬件结构如图1。

图1消弧装置硬件结构

消弧装置通过智能控制器对电压互感器采集的系统三相电压和不平衡电压进行分析，判断系统是否发生接地故障，并诊别接地故障的类型和系统故障相。若智能控制器判断系统发生单相弧光接地故障，则发合故障相快速真空断路器的命令，否则，快速真空断路器不动作。同时，智能控制器通过故障相的电流互感器监测故障相电流，若监测到的故障相电流达到或超过过流定值，已合闸的快速真空断路器将立即分闸，并且智能控制器发出命令闭锁消弧装置内的所有快速真空断路器，禁止任意相的快速真空断路器合闸。组合式过电压保护器，能在后续保护装置动作前，对系统出现的高幅值弧光接地起始的暂态过电压进行有效的限制，是消弧装置中限制各类过电压的第一器件，主要用来限制大气过电压和操作过电压，对相间和相对地的过电压均能起到可靠的限制作用。快速真空断路器不同于普通机构联动式断路器，其真空开关管通过绝缘子与操动机构相连，操动机构部分采用先进的永磁保持、双线圈双稳直动式机构，具有分、合闸速度快（合闸固有时间约10ms左右，分闸固有时间约为6ms左右）。结构如图2。

图2快速真空断路器结构

系统发生单相弧光接地故障时，消弧装置能够在不到20ms的时间内完成系统故障相判别以及将弧光接地转变为金属性接地。间歇性弧光接地引起的弧光一般发生在一个周波（工频下为20ms）之后，而该消弧装置在一个周波内将间歇性弧光接地转化为金属性接地，并将故障点强行转移至消弧装置，流过原故障点的工频电弧电流和高频电弧电流消失，弧光随之被熄灭，原故障点的对地电压将维持在电气设备绝缘可承受的电压范围内，弧光不再重燃，可有效避免弧光对电气设备绝缘的损坏。

三模拟试验

接地选线消弧装置在模拟试验中能正确选线和可靠动作。下为试验记录。

（一）接地选线装置选线试验

序号

线路编号

零序CT变比

试验一次电流

试验二次电流

试验不平衡二次电压

选线启动阀值

选线结果

1

、0

60:1

1.4A

0.A

31V

二次电流0.03A；二次不平衡电压30V

线路、0发生接地故障

2

、0

60:1

1.9A

0.A

31V

3

、0

60:1

1.2A

0.02A

31V

4

、0

60:1

1.5A

0.A

31V

（二）消弧装置试验

序号

试验功能

设定值V

测试值V

显示

1

A相PT断线

B、C相正常

A相

≤

0

A相PT断线

B相

≥±60

C相

≥±60

开口电压

≥±

2

B相PT断线

A、C相正常

A相

≥±60

B相PT断线

B相

≤

0

C相

≥±60

开口电压

≥±

3

C相PT断线

A、B相正常

A相

≥±60

C相PT断线

B相

≥±60

C相

≤

0

开口电压

≥±

4

A相接地

B、C相正常

A相

≤

0

合A相开关

B相

≥±

C相

≥±

开口电压

≥±

5

B相接地

A、C相正常

A相

≥±

合B相开关

B相

≤

0

C相

≥±

开口电压

≥±

6

C相接地

A、B相正常

A相

≥±

合C相开关

B相

≥±

C相

≤

0

开口电压

≥±

四实际应用

该接地选线消弧装置已应用于某厂KV化肥供电系统和KV乙烯供电系统，应用前后因单相弧光接地故障引起的事故统计如下：

（1）年8月，该装置投用于该厂KV化肥供电系统。年6月，该系统发生过一次电缆单相弧光接地故障，使用消弧线圈补偿及早期选线装置，未能正确选线，故障线路未能及时切除，导致电缆着火装置停车。年9月，该系统发生一次6KV电动机引线单相弧光接地故障，接地选线装置正确选线，消弧装置正确动作，故障线路在短时间内被切除，未对生产造成影响。

（2）年7月，该装置投用于该厂KV乙烯供电系统。年10月，该系统发生一次电缆单相弧光接地故障，使用消弧线圈补偿及早期选线装置，未能正确选线，故障线路未能及时切除，弧光使另一回路电缆绝缘薄弱处击穿，造成异名相接地短路，事故扩大，装置停车；年9月，该系统发生一次6KV电动机电缆单相弧光接地故障，接地选线装置正确选线，消弧装置正确动作，故障线路及时切除，未对生产造成影响。

五结束语

要有效降低6KV接地故障的危害，就要求在系统发生接地故障特别是单相弧光接地故障时，能迅速的将故障线路从系统中切除。新型接地选线消弧装置的成功应用为我们提供了一个新的思路，不再将接地选线装置与消弧装置作为单独的个体看待，而是将其作为一个整体考虑，以满足在发生系统接地故障时正确选线和及时切除故障线路的需求。

作者简介：

王金茂,男,兰州石化公司电仪事业部,中级

参考文献：

[1]刘天琪，邱晓燕.电力系统分析理论（第二版）[M].科学出版社，

[2]HDKX消弧及过电压保护装置说明书.安徽徽电科技股份公司

[3]接地选线装置说明书.安徽徽电科技股份公司

END

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