35kV配网小电阻接地系统的设计与应用

引言

新天公司总降变电站35kV系统为10个化工装置区负荷提供电源,从巴彦岱变电所引入两回110kV进线,经过#1、#2主变接入总降变电站35kV1、1段母线:热电站3台50MW发电机组,经过#1、#2、#3升压变分别接入总降变电站的35kVⅠ、Ⅱ、Ⅲ段母线:化工用电负荷分别接在35kVⅠ和Ⅲ段母线上。因此,35kV系统供电可靠性,直接影响化工负荷供电可靠性。近年来,35kV系统电缆或母线单相接地故障多次引发了过电压,导致电气设备损坏,造成了化工双系列停运事故。

1现状问题

新天公司35kV系统出线间隔多,负荷电缆长,系统电容电流较大,将近80A。在2020年6月前,因35kV系统为不接地系统,在35kV系统发生的多起单相接地故障中,系统均出现过电压现象,在短时间内引发多点故障,造成化工双系列停运事故,如2018年4月发生"#3升压变35kV侧管母软连接B相故障",2019年2月发生"35kVⅡ段母线B相故障",2019年10月发生"空分循环水#2油变A相故障"。2020年6月至2021年6月,35kV系统由不接地系统改造为中性点经消弧线圈接地系统,目的是当35kV系统发生单相接地故障时,实现消弧线圈自动跟踪补偿,保证故障负荷在2h之内不断电,保持正常供电。但2020年8月发生"#2升压变35kV侧电缆单相接地故障",2021年2月发生"三级泵站#2线路单相故障",这两起事故仍然引发了多点故障,造成化工装置停运和降负荷的后果。

2原因分析

35kV系统原设计为不接地系统,存在电容电流严重超标的重大设计缺陷,当系统发生单相接地故障时,电容电流过大,接地点电弧不能自行熄灭,特别是当出现间歇性弧光接地时,产生弧光接地过电压,可达3~5倍相电压甚至更高,非常容易击穿系统中绝缘薄弱设备,瞬间发生多点击穿转换性故障,同时系统又遭受巨大短路电流冲击,造成大面积停电,最终导致化工装置停运。

2020年6月,35kV系统安装消弧线圈后,发生单相接地故障时消弧线圈产生电感电流,该电感电流能补偿因单相接地而形成的电容电流,使得故障相恢复电压速度减小,同时消弧线圈的嵌位作用,能有效降低铁磁谐振过电压产生的概率。但上述两起单相接地故障仍引发了多点故障,扩大了故障范围。分析原因为消弧线圈以感性电流补偿容性电流来熄弧,在单相接地故障中能发挥一定的作用,但在本公司35kV配网系统使用中暴露出如下一些问题:不能限制间歇性弧光过电压,不能补偿高频电流,接地选线不准,容易导致运行人员在查找故障点时误拉正常负荷。

针对上述问题,分析认为本公司35kV系统供电线路以电缆线路为主,电缆受外界环境影响小,电缆发生的故障大多为永久性故障。因为电缆发生接地故障时,接地电弧为封闭性电弧,不易自行熄灭,不及时跳闸,将造成相间故障,扩大事故范围:再者,经消弧线圈补偿后,仅能降低故障点的残流,但不能消除故障。因此,认为纯电缆网络的配电系统采用小电阻接地方式能有效限制配电故障时过电压,而且能及时切断故障线路。

于是在2021年6月,35kv系统中性点进行小电阻接地改造。

3设计思路

35kv系统主接线方式为单母三分段,化工用电负荷分别挂在35kvI段和Ⅲ段母线上,35kvⅡ段不存在独立分段运行方式,则选择在35kvI和Ⅲ段母线各加装一套小电阻接地成套装置,满足35kv母线并列运行和分列运行的要求,接线图如图1所示。

具体设计如下:由于35kv系统中性点没有可以引出的设备,则选用Z型三相接地变来实现系统对中性点的接地要求。接地变没有带负荷的需求,选用的接地变不配置二次绕组。新增两套小电阻接地成套装置分别接于35kv母线I段备用间隔1AH18和35kvⅢ段原消弧线圈接地变间隔31AH19。

当35kvⅠ、Ⅱ、Ⅲ段母线并列运行时,仅投入其中一套小电阻接地成套装置:当35kvⅠ、Ⅲ段分列运行时,同时投入两套小电阻接地成套装置。

根据国家和行业规范要求,小电阻接地的配网系统采用单母或双母分段分列运行方式。而新天公司35kv主接线为三分段,正常状态下不允许分列运行,这样在设计中要解决运行母线防"失地"问题,运行中母线一旦"失地",系统又将恢复成改造前电容电流严重超标的系统。因此,提出加装自投装置,配置合适的逻辑功能并整定合适的继电保护定值,相互配合,保证任何一种运行方式下或事故状态下,运行中母线不会"失地"。

35kv系统电气设备配置零序保护并投入跳闸,保护整定与运行同时兼顾灵敏性、速动性和选择性。遵循原则:系统设备发生单相接地故障,本设备保护可靠切除故障,允许短延时动作,但保护动作时间必须满足有关设备热稳定要求:只有当本设备保护或断路器拒动时,允许由相邻设备的保护切除故障。

小电阻接地成套装置采用户外布置,其中原消弧线圈用的接地变和预制舱保留利旧。

4主要设备选择

接地变小电阻接地成套装置主要由接地变压器、接地电阻器、电流互感器、单极断路器、电阻智能监控器、户外防护箱体等组成。

4.1接地电阻参数计算

中性点电阻接地网络中,暂态过电压的倍数k与系统单相接地电流IR和单相接地电容电流IC的比值关系:当IR=IC时,可将健全相的过电压限制在2.5倍相电压以下:当IR=1.5IC时,可将健全相的过电压限制在2.26倍相电压以下:当IR=2IC时,可将健全相的过电压限制在2.2倍:当IR=3IC时,可将健全相的过电压限制在2.0倍:但当IR>4IC时,限制过电压效果不明显。中性点接地电阻值的选取主要依据系统总电容电流,并综合考虑限制过电压倍数、继电保护的灵敏度等因素。

在限制暂态过电压水平方面,参考《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》(DL/T620一1997)4.2.8要求,按系统发生单相间歇性电弧接地故障时,小电阻接地系统不超过2.5p.u.设计。

在保证继电保护的灵敏度方面,参考《石油化工电气系统电阻接地设计规范》(SH/T3208一2020)5.1.4.1要求,电阻值的选择宜使金属性单相接地短路电流在200~600A范围内。

故障电流选择过大,虽然提高了保护灵敏度,但相应的接地变容量和电阻器功率也会增大,设备会变得笨重,同时引起的地电位升高更加严重。综合考虑,接地电流按IR=4IC设计,通过计算接地电流取400A。

4.2接地变压器参数选择

(1)接地变额定电压UrT:

根据《导体和电器选择设计技术规定》(DL/T5222一2005)要求:接于系统母线的三相接地变压器额定一次电压应与系统额定电压相一致。则:

(2)接地变压器的容量:

长期运行容量计算:电阻器连接在接地变形成的中性点上,其电流为接地变压器相电流的3倍。

根据《石油化工电气系统电阻接地设计规范》(sH/T3208一2020)标准[2],接地变压器10s过载系数为额定容量的10.5倍,则取K值为10.5计算:

本站接地变压器不带站用变,可取接地变压器标准容量为1000kVA。

5现场实施和运行评估

在总降变院内原消弧线圈接地变预制舱西侧间隔8m平行位置,安装#1小电阻接地成套装置:电缆敷设路径:借助原消弧线圈接地变电缆沟局部新增15m连接至新增#1小电阻接地成套装置:总占地面积约40m2,如图2所示。2021年6月15日,#1小电阻接地成套装置安装、调试完成,投入运行,原消弧线圈成套设备退出运行:2021年7月27日,#2小电阻接地成套装置安装、调试完成,投入运行,同时#1小电阻接地成套装置改热备状态。此时,35kV系统中性点经小电阻接地改造已完成。

图2 小电阻接地成套设备安装处

自35kV系统中性点经小电阻接地改造后,系统共发生4起单相接地故障:

2021年7月22日,发生#1降压变B相电缆终端头接地事件,#1降压变本柜保护装置RCs9681Cs零序动作,105ms切除故障,35kV系统恢复正常。

2021年9月27日,#1污水油变35kV侧C相电缆发生接地故障,#1污水油变差动保护动作,105ms切除故障,35kV系统恢复正常。

2021年11月29日,#1空分循环水油变35kV侧C相电缆发生接地故障,#1空分循环水油变差动保护动作,105ms故障切除,35kV系统恢复正常。

2021年12月29日,#1空分循环水油变35kV电缆B相发生接地故障,继而发生AB相故障,#1空分循环水油变差动保护动作,106ms故障切除,35kV系统恢复正常。

上述4起单相接地故障保护均能正确切除,系统迅速恢复正常,完全符合小电阻接地系统的设计意图,不会从单相接地故障发展为多点故障,造成母线短路甚至全厂停车。

6结语

对于新天公司的中压配网电缆故障率较高现象,电缆故障多为永久性故障且电容电流大,为避免单根电缆故障引发多点故障,能够快速切除接地故障电流的小电阻接地方式无疑是最佳选择。采用小电阻接地方式后,接地电流增大,同时单相接地故障无论是永久性还是瞬时性,均作用于跳闸,使得线路跳闸次数增加,也影响了供电负荷。因此,还需从根本上解决电缆故障率高的问题,从提高电缆终端制作质量及改善电缆沟环境着手,降低电缆故障率。