短路故障引起“晃電”原因分析及防范措施

樊銀濤 金世強 李 昊

河北鋼鐵集團礦業有限公司機電檢修分公司 河北 唐山 063700

一、事故現象

2020年3月12日排巖配電室排土機6923高壓電纜絕緣損壞,造成A、C兩相短路,2020年6月10日常峪II段695架空線路B相導線從絕緣子脫落與兩邊相搭接,造成三相短路,2020年8月22日研山中碎3#圓錐電機接線盒內一相電源接線端子在電機接線柱處脫落,造成弧光短路,2020年8月29日南區6#主井分支線下樹過高同時觸碰線路兩相,造成相間短路,此類型故障在電力系統中屬于嚴重故障,它間接造成整個系統母線短路。短路故障會引起系統電流驟增,電壓抖動嚴重,由于斷路器和綜保裝置固有動作時間,導致故障切除時間較長,電壓敏感類的設備無法躲過短路故障引起的低電壓持續時間,造成大面積的停車事故。

二、事故原因

1、系統短路故障發生為概率事件,通過統計一年發生的事故報告,可以看出此類事故多發生在碎采和架空線路的供電系統,該系統的配電設施存在以下問題：(1)處在露天和粉塵環境,外界造成的不可控因素較多。(2)露天礦單體高壓設備較多,電纜敷設裸露且路徑不固定。(3)環境復雜惡劣,導致設備維護和保養不到。

2、高壓供電系統內發生短路故障切除時間太長無法躲過敏感設備電壓波動耐受期,因此“故障切除和隔離時間”是解決問題的根本途徑。供電系統短路故障在不考慮主變與故障點之間阻抗的前提下,可以認為變壓器側發生短路,它會造成變壓器電流驟增,根據能量守恒定律變壓器輸出電壓降低,目前由于常規斷路器和綜保裝置固有動作時間無法在一個周波內(20ms)完成故障點的切除。電壓在一個周波內發生波動對敏感設備無影響,超過一個周波會導致設備停車。通過查閱資料微機綜合保護判斷故障的時間(20ms-30ms),加上斷路器固有動作時間(33ms-45ms),再加上電弧過零時間(16ms左右)。電壓從波動到恢復這段時間就是斷路器開斷短路故障的時間,大約在80ms秒左右,因此目前常規斷路器和綜保裝置速斷動作的固有時間根本無法躲過敏感設備電壓波動耐受期。

3、解決目前問題途徑：(1)對高壓柜進行改造更換快速斷路器和加裝快速控制器,確保在20ms內完成短路故障點的切除,將故障點與母線系統直接隔離。(2)購買成套母線殘壓保持裝置,在20ms內在故障點與母線系統之間串入阻抗進行分壓,間接將故障點與母線系統隔離。兩種途徑最終目的都是在20ms內將故障點與系統母線隔離,保障故障點以外的其它設備在20ms內不受電壓波動影響。

三、解決方案

司家營北區供電系統較大且饋線較多,每個配電室加裝母線殘壓保持裝置投資成本太高,且系統短路故障為概率事件,投資與后期收益嚴重失衡,此方案雖能較大概率解決目前問題,但是投資性價比最低。通過統計最近幾年事故報告,可以發現引起短路故障大多發生在碎選和架空線路供電系統,它們是整個供電系統發生短路故障概率最高的部位,因此根據各配電室和出線柜發生短路故障的概率,采用加裝母線殘壓保持裝置和改造相結合的方式,降低因短路故障造成系統電壓降低,設備停車的概率。此方案與配電室全部安裝母線殘壓裝置相比,兩者解決問題的概率應相差無幾,通過事故統計廠區內設備連續幾年都不發生一次嚴重的短路故障,因此可將不在廠區內的配電室或饋出線,加裝母線殘壓保持裝置和進行斷路器及快速控制器改造,采用此種方案投資較低,對于司家營北區供電系統應是性價比最高的方案。

1、統計司家營北區目前定值,將不涉及上下級配合的饋出線、單回路線路、單體設備的速斷定值全部整定為零延時,盡量降低系統短路故障時間,在一定程度上縮短電壓波動時間,降低電壓波動耐受期較長設備的停車概率。

2、安裝成套母線殘壓保持裝置或高壓柜改造

研山鐵礦配電室都在廠區內,至各生產車間設備的電纜為橋架敷設,采場設備和水源井架空線路由獨立的箱變經變壓器供電與研山鐵礦10k V供電系統沒有牽連,發生短路故障只會影響本變壓器母線電壓,不會對研山10k V供電系統造成危害,研山鐵礦供電系統發生短路故障的概率相對較低,通過統計最近發生的一次短路故障為碎礦圓錐破碎機,此次事故是由于設備自身缺陷和維護不到造成的,因此研山鐵礦供電系統選擇故障率較高的設備進行改造,高壓柜更換快速斷路器和控制器。

司家營一期6k V供電系統中有4個配電室在排巖場和采場附近,另外南區和常峪鐵礦等基建單位的供電架空線路也是通過此系統,這些部位周圍環境復雜受外界影響較大,是該系統發生短路故障概率最高的部位,廠區內的配電室和設備短路故障率很低。因此一期供電系統建議采用增加母線殘壓保持裝置和高壓柜改造相結合的方案。在坑口配電室、粗破配電室、排巖配電室、膠帶配電室安裝母線殘壓保持裝置,對于出廠區外的電纜和架空線路采用高壓柜改造方案。

四、母線殘壓保持裝置技術說明

母線殘壓保持裝置主要由快速換流器、限流阻抗、綜合控制器和后備開關等組成,正常工作時后備開關、快速換流器處于合閘狀態。

當發生短路故障時,母?？刂破魍ㄟ^電流互感器測到短路電流,經“短路故障快速判斷算法”在2ms內判斷出故障,立即發出快速開關分閘指令,20ms內將母保阻抗投入線路,將故障點與母線系統進行隔離,維持母線剩余電壓在85%以上,保障母線對其它未發生短路故障的支路連續供電,若短路故障被切除后,本支路的工作電流恢復到正常范圍,恢復本支路的正常供電；若短路故障點切除失敗,控制器延時200～500ms向后備進線開關發出分閘指令,作為后備手段最后切除故障。

結語

綜上所述,無論通過什么方法,原理都是將故障點與系統母線隔離,保障故障點以外的設備不受影響,因為本供電系統過于龐大短路故障點眾多,很難做到每個故障點安裝設備實現快速隔離。因此本方案是基于短路故障發生概率較高的部位進行改造,降低事故概率,而不是完全解決供電系統中每個短路故障引起的停車事故,進行改造后能夠最大限度降低設備停車的概率,保障廠礦企業供電系統的連續性和可靠性。