配网综合故障管控系统在钢铁行业应用及展望

彭光云 童雪燕 解晓峰

摘要：本文通过消弧装置在厂内实际应用效果，分析了消弧线圈及其选线装置在钢铁公司使用效果不佳的原因。同时对配网综合故障管控系统快速熄弧及准确选线以及“高压闪络法”快速查找故障点进行了原理介绍及实际案例效果展示。

关键词：故障管控系统;无线组网选线;高压闪络法;快速开关技术;快速識别技术

1项目背景

公司集炼铁、炼钢、轧钢、炼焦、发电为一体，主要产品有连铸方坯等系列产品，以及氧气、冶金焦炭等化工产品。供电系统由 110kV 和 35kV 变电站各一座构成。从变电站到各车间6kV 电缆线路 78 条，线路全长约 70km。以交朕单芯和三芯电缆为主，电缆最大截面积以 3×1×800mm2 和 3×300mm2 为主，导致系统电容电流近 90A。

2009 年，在 110kV 变电站安装自动调容补偿消弧线圈和小电流接地选线装置各一套。设备安装后电缆接地弧光有所减少，但弧光熄灭非常难。每次接地故障发生时电缆桥架仍然有电缆燃烧、火势难于控制等。而只能通过人工逐一停电接地信号消失才能确定故障线路，才能进行灭火操作。小电流接地选线器投运后选线不准长期处于无用状态。

2消弧线圈小电流接地选线装置在德胜钢铁使用效果不佳原因分析

根据多年的运行经验，对于电容电流超过 30A 的 3～10kV 架空电网，可以采用消弧线圈接地方式【1】。架空电网的电弧电流主要表现为工频电流，高频电流幅值很小且衰减很快，所以消弧线圈对架空线路能起到一定消弧效果。

随着网架结构改变，企业电网普遍使用交联聚乙烯电缆线路。使得非瞬时性单相接地故障几率大大增加，由于消弧线圈只能消除瞬时性单相接地故障。当电缆线路发生非瞬时性单相接地故障时，电弧电流不但有工频分量还有高频分量而且高频分量的幅值是工频分量的 25～50 倍。传统的消弧线圈不能快速消除弧光过电压，电缆电网中的稳态电流、高频电流提高、高频电流作用时间延长都导致接地电弧释放热量的增加，以及高频电流增大带来的弧光接地过电压提高，使得故障发展大大加快，远远满足不了维持运行 2 小时的要求，往往是来不及选出故障线路、来不及完成转移负荷的倒闸操作，就发生了被迫跳闸事故，甚至使故障接地点很快烧毁并迅速发展成相间短路故障，致使故障扩大，并由此导致重要生产设备的停运。德胜钢铁使用的小电流接地选线存在一次选出多条线路，选线的准确率极低，使得我们对小电流接地选线的结果失去信心。

针对公司配电网电缆故障频发，接地电弧光燃烧时间长而无法快速控制，接地故障线路选线不准等问题的长期困绕。我们对十年来公司使用的消弧线圈及其选线装置使用效果的总结是消弧线圈不适合电缆电网系统。

3解决问题的优化方案

经过近年来对电力行业相关新技术的深入学习，最后，决定选用上海合凯电气科技有限公司的配网综合故障管控系统（简称 SHK-ZGKS），解决公司 6kV 配电网存在的选线不准及弧光不易熄灭的问题，并将该技术的应用总结如下：

4SHK-ZGKS 主要技术特点

4.1快速熄弧

SHK-ZGKS 系统接地元件采用分相控制的涡流驱动机构的快速开关，额定电流最小为 1250A，满足了系统对地电容电流较大时接地需求。快速开关的分闸时间≤5ms，合闸时间≤10ms，满足 快速熄弧及短路故障快速处理的要求。

如图 1 所示，SHK-ZGKS 主要由分相控制快速开关 JZ（可以重复使用）、微机综合控制器ZK、无线组网选线装置 WLS2 组成;隔离开关 GN、抗饱和电压互感器 YH、高压限流熔断器 RD、大能容吸收器 LEP、半导体自限流抑制器 SIDR 及电压监测控制器 YK 等组成。

系统正常运行时，装置面板显示系统运行电压、开口三角电压以及装置运行状态;

系统发生单相弧光故障时，装置在 20ms 之内迅速将故障相弧光接地，转化为稳定的金属接地，完成熄弧和限压功能，防止过电压损害系统绝缘，保证系统运行安全;当电网有其它相出现弧光接地时，管控系统在 10ms 内快速切除故障回路，避免事故扩大。解决系统中弧光接地过电压不能有效快速熄灭进而引发两相或三相短路故障的现象。同时装置中的微机综合控制器报警并通过 485 接口通讯上传云端服务器，并以微信方式下发到相关人员的手机。

4.2快速准确选线

SHK-ZGKS 能够快速熄弧，有效控制了故障的发展，给转移负荷的倒闸操作留出了充裕的时间。但倒闸操作的前提是故障线路已被确定，这就需要解决快速准确选线问题。SHK-ZGKS 配套的无线组网选线（SHK-WLS2）主要采用了“阻抗瞬变法”和“最大增量法”相结合的高科技算法，在此基础上，使用“多重判据模糊推论综合选线”方法，综合“首半波基波比幅比相法”、“最大增量法”、“智能高次谐波法”、“基波有功功率比较法”等 8 种选线方法针对不同状况进行选线判定，巧妙地解决了谐波干扰、电磁环境、高频大电流，可以在各种恶劣环境下实现快速而准确地选出故障回路，且支持多种通讯规约，能与变电站综合自动化系统进行远程数据交换。

该装置能够在接地后 100ms 内选出总站内地接地线路，同时分站也选择本站接地线路，并且分站和总站之间通过 GSM 网络实现数据交换（如图 3 所示），总站和分站数据统一采集综合比较得出最终选线结果，不但保证了信号不受距离和其他因素影响，同时保证了信号的准确性。能适合不同情况的接地选线，大大提高了选线的准确率，SHK-WLS2 目前在德胜公司的准确率为 100。同时通过云平台和手机 APP 将故障信息及时发送至移动手持设备提醒用户。

5.“高压闪络法”查找电缆故障点

图 4 为高压闪络法电缆故障测试【2】连接示意图，按图 4 电源接上后，实验变压器 PT 对电容器 C 充电。当电压高到一定数值时，球间隙 J 被击穿，电容器 C 上的电压通过球间隙的短路电弧直接加到电缆的测量端，这个冲击电波沿电缆向故障点传播。只要电压的峰值足够大，故障点就会因电离而放电。故障点放电所产生的短路电弧使沿电缆送去的电压波反射回去。因此，电压波就在电缆端头和故障点之间来回反射。借助于电缆故障测试仪主机观察到来回反射的电压波形。同时，人工在电缆桥架下也能听到故障点明显的放电声音。为避免电缆被损坏，经验数据电压升到 7kV 就能看到明显的返回波，并且在电缆桥架附近听到故障点发出清淅的放电声音。如果是埋地（电缆沟）电缆需要借助放电诊断器听到故障点的放电声响。通过此种方法就可以准确地找出故障点。

6.优化改造方案实际应用效果

6.1优化方案的一次主接线图

如图 5 所示德胜钢铁公司于 2020 年 4 月在 110kV 变电站的总降 6kV 系统加装了 2 套配网

综合故障管控系统（SHK-ZGKS，含总站型无线组网选线 SHK-WLS2），在二级变电所加装了 2 台无线组网选线装置（SHK-WLS2）。装置自运行以来至今解决了系统多次弧光接地故障，且每次都能快速准确地选出故障回路。现以 2020 年 8 月 25 日云南德胜钢铁 110kV 变电站制氧 I 回电缆线路 C 相接地故障进行应用效果说明。

6.2管控系统（编号 ZG015）报警信息

报警项目：云南德胜钢铁 ZG015 管控系统;

报警设备：110kV 变电站管控柜（云南德胜 2#ZGKS）报警类型：C 相弧光接地

报警时间：2020 年 8 月 25 日 07：23：06（如图 6 所示）报警设备：110kV 变电站选线装置（云南德胜 3#WLS2）报警类型：制氧 I 回（678）

报警时间：2020 年 8 月 25 日 07：23：06。

6.3管控系统（编号 ZG015）实际录波图

6.4管控系统（编号 ZG015）动作分析

2020 年 8 月 25 日 07：23：06，2号管控系统检测到 110kV 变电站 6kV 配电系统 C 相接地，2号管控系統控制故障相（C 相）快速接地开关合闸，故障相直接接地，从而熄灭电弧，健全相（A、B相）相电压升到线电压【3】，并且电压稳定。同时，3#分站选线装置（WLS2）进入采集选线状态，选线结果：2020 年 8 月 25 日 07：23：06，110kV 变电站制氧 I（678）电缆线路 C 相接地故障。经过生产指挥中心停电确认，故障线路选线准确。

6.5电缆故障点找查及抢修

应用“高压闪络法”查找故障点：在电缆两端做好电缆试验的安全措施后，在配电室开关柜的电缆头上连接好高压闪络法试验设备，对故障相电缆进行加升压试验，电压升压至 7kV 时球隙放电电压注入故障电缆，维持电压不到 5 分钟，巡线员报告听到电缆桥架内有明显的放电声音，做好安全措施后人员进一步靠近放电部分，经过两次确认故障点已经确定，停止试验后对放电位置并做好标识电缆故障点重新制作电缆头检修后，电缆恢复正常运行。经过几次事故后的准确判断及有效控制，另外，通过创新电缆故障点的查找方法，检修效率大大提高。将故障带来的损失降到最低，公司领导给予高度评价。

7.结语

配网综合故障管控系统自安装以来，经过多次电缆故障检验证明，能快速判断出故障类型和故障相，接地故障快速准确动作、快速熄灭电弧，整个接地过程电缆桥架内未发生明火，该装置有效遏制多根电缆燃烧事故，降低事故损失率;选线装置快速准确选出故障回路，坚定线路停电操作的信心;高压闪络法检测【4】电缆故障点简单实用安全高效快速。解决了德胜公司网架结构不合理，提升了公司电网的安全运行环境。因此从技术成熟度、经济效益、节能效果以及运行可靠性等综合指标，SHK-ZGKS 管控系统在解决企业单相故障及选线不准的优化方案上值得推广和应用。

参考文献：

[1]刘健 对我国配电网中性点接地问题的思考 陕西电力科学 2017-05-10

[2]成永红 电力设备绝缘检测与诊断中国电力出版社 2001-08

[3]林海雪 电力系统的三相不平衡中国电力出版社 1996-12

[4]狄富清 变电设备合理选择与运行检修 机械工业出版社 2006-01