短路故障引起“晃电”原因分析及防范措施

樊银涛 金世强 李 昊

河北钢铁集团矿业有限公司机电检修分公司 河北 唐山 063700

一、事故现象

2020年3月12日排岩配电室排土机6923高压电缆绝缘损坏,造成A、C两相短路,2020年6月10日常峪II段695架空线路B相导线从绝缘子脱落与两边相搭接,造成三相短路,2020年8月22日研山中碎3#圆锥电机接线盒内一相电源接线端子在电机接线柱处脱落,造成弧光短路,2020年8月29日南区6#主井分支线下树过高同时触碰线路两相,造成相间短路,此类型故障在电力系统中属于严重故障,它间接造成整个系统母线短路。短路故障会引起系统电流骤增,电压抖动严重,由于断路器和综保装置固有动作时间,导致故障切除时间较长,电压敏感类的设备无法躲过短路故障引起的低电压持续时间,造成大面积的停车事故。

二、事故原因

1、系统短路故障发生为概率事件,通过统计一年发生的事故报告,可以看出此类事故多发生在碎采和架空线路的供电系统,该系统的配电设施存在以下问题：(1)处在露天和粉尘环境,外界造成的不可控因素较多。(2)露天矿单体高压设备较多,电缆敷设裸露且路径不固定。(3)环境复杂恶劣,导致设备维护和保养不到。

2、高压供电系统内发生短路故障切除时间太长无法躲过敏感设备电压波动耐受期,因此“故障切除和隔离时间”是解决问题的根本途径。供电系统短路故障在不考虑主变与故障点之间阻抗的前提下,可以认为变压器侧发生短路,它会造成变压器电流骤增,根据能量守恒定律变压器输出电压降低,目前由于常规断路器和综保装置固有动作时间无法在一个周波内(20ms)完成故障点的切除。电压在一个周波内发生波动对敏感设备无影响,超过一个周波会导致设备停车。通过查阅资料微机综合保护判断故障的时间(20ms-30ms),加上断路器固有动作时间(33ms-45ms),再加上电弧过零时间(16ms左右)。电压从波动到恢复这段时间就是断路器开断短路故障的时间,大约在80ms秒左右,因此目前常规断路器和综保装置速断动作的固有时间根本无法躲过敏感设备电压波动耐受期。

3、解决目前问题途径：(1)对高压柜进行改造更换快速断路器和加装快速控制器,确保在20ms内完成短路故障点的切除,将故障点与母线系统直接隔离。(2)购买成套母线残压保持装置,在20ms内在故障点与母线系统之间串入阻抗进行分压,间接将故障点与母线系统隔离。两种途径最终目的都是在20ms内将故障点与系统母线隔离,保障故障点以外的其它设备在20ms内不受电压波动影响。

三、解决方案

司家营北区供电系统较大且馈线较多,每个配电室加装母线残压保持装置投资成本太高,且系统短路故障为概率事件,投资与后期收益严重失衡,此方案虽能较大概率解决目前问题,但是投资性价比最低。通过统计最近几年事故报告,可以发现引起短路故障大多发生在碎选和架空线路供电系统,它们是整个供电系统发生短路故障概率最高的部位,因此根据各配电室和出线柜发生短路故障的概率,采用加装母线残压保持装置和改造相结合的方式,降低因短路故障造成系统电压降低,设备停车的概率。此方案与配电室全部安装母线残压装置相比,两者解决问题的概率应相差无几,通过事故统计厂区内设备连续几年都不发生一次严重的短路故障,因此可将不在厂区内的配电室或馈出线,加装母线残压保持装置和进行断路器及快速控制器改造,采用此种方案投资较低,对于司家营北区供电系统应是性价比最高的方案。

1、统计司家营北区目前定值,将不涉及上下级配合的馈出线、单回路线路、单体设备的速断定值全部整定为零延时,尽量降低系统短路故障时间,在一定程度上缩短电压波动时间,降低电压波动耐受期较长设备的停车概率。

2、安装成套母线残压保持装置或高压柜改造

研山铁矿配电室都在厂区内,至各生产车间设备的电缆为桥架敷设,采场设备和水源井架空线路由独立的箱变经变压器供电与研山铁矿10k V供电系统没有牵连,发生短路故障只会影响本变压器母线电压,不会对研山10k V供电系统造成危害,研山铁矿供电系统发生短路故障的概率相对较低,通过统计最近发生的一次短路故障为碎矿圆锥破碎机,此次事故是由于设备自身缺陷和维护不到造成的,因此研山铁矿供电系统选择故障率较高的设备进行改造,高压柜更换快速断路器和控制器。

司家营一期6k V供电系统中有4个配电室在排岩场和采场附近,另外南区和常峪铁矿等基建单位的供电架空线路也是通过此系统,这些部位周围环境复杂受外界影响较大,是该系统发生短路故障概率最高的部位,厂区内的配电室和设备短路故障率很低。因此一期供电系统建议采用增加母线残压保持装置和高压柜改造相结合的方案。在坑口配电室、粗破配电室、排岩配电室、胶带配电室安装母线残压保持装置,对于出厂区外的电缆和架空线路采用高压柜改造方案。

四、母线残压保持装置技术说明

母线残压保持装置主要由快速换流器、限流阻抗、综合控制器和后备开关等组成,正常工作时后备开关、快速换流器处于合闸状态。

当发生短路故障时,母保控制器通过电流互感器测到短路电流,经“短路故障快速判断算法”在2ms内判断出故障,立即发出快速开关分闸指令,20ms内将母保阻抗投入线路,将故障点与母线系统进行隔离,维持母线剩余电压在85%以上,保障母线对其它未发生短路故障的支路连续供电,若短路故障被切除后,本支路的工作电流恢复到正常范围,恢复本支路的正常供电；若短路故障点切除失败,控制器延时200～500ms向后备进线开关发出分闸指令,作为后备手段最后切除故障。

结语

综上所述,无论通过什么方法,原理都是将故障点与系统母线隔离,保障故障点以外的设备不受影响,因为本供电系统过于庞大短路故障点众多,很难做到每个故障点安装设备实现快速隔离。因此本方案是基于短路故障发生概率较高的部位进行改造,降低事故概率,而不是完全解决供电系统中每个短路故障引起的停车事故,进行改造后能够最大限度降低设备停车的概率,保障厂矿企业供电系统的连续性和可靠性。