中壓電阻接地系統(tǒng)零序保護動作行為分析

蘇國友，袁軍芳

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司，安徽馬鞍山 243000）

前言

某特大型鋼鐵企業(yè)于2005 年5 月開工建設(shè)了一套年產(chǎn)500萬t規(guī)模的煉鋼項目，主要產(chǎn)線有：2座7.63 m 70 孔焦?fàn)t及干熄焦裝置，2 臺360 m2燒結(jié)機，2 座3 600 m3高爐，2 座300 t 轉(zhuǎn)爐及配套LF 精煉爐、連鑄機；1 條2 250 mm 熱連軋線；1 條2 130 mm 酸洗冷連軋線、2 條熱鍍鋅線；2 臺4 萬m3/h 制氧機及配套的其他公輔設(shè)施等。

為提高電能自給率，配套1臺153 MW燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組，全部項目于2007 年9 月竣工投入運行。為此，配套建設(shè)了1 座220 kV 變電所、6座110 kV 變電所和1 座高爐風(fēng)機站，1 座自備電廠，供上述煉焦、燒結(jié)、煉鐵、煉鋼和軋鋼及其他公輔負荷。除熱軋主傳動負荷外，各產(chǎn)線均以10 kV 電壓等級配電，同時考慮整個配電系統(tǒng)全部采用了電纜線路，為快速切除系統(tǒng)單相接地故障，各10 kV 配電系統(tǒng)均采用了電阻接地方式，設(shè)計接地電流為100 A。中壓系統(tǒng)選用了5 家保護廠家的產(chǎn)品，目前，10 kV 配電系統(tǒng)運行基本穩(wěn)定。

1 某煉鋼廠事故情況

2018 年1 月12 日3:50 和2018 年9 月11 日21:40，某煉鋼廠總降變電所供除塵開關(guān)站10 kV Ⅱ段母線的出線開關(guān)柜零序Ⅱ段保護2 次動作跳閘，造成除塵開關(guān)站Ⅱ段母線失電，影響1#轉(zhuǎn)爐、2#轉(zhuǎn)爐、3#轉(zhuǎn)爐、渣處理生產(chǎn)線和煉鋼區(qū)域的主要除塵風(fēng)機。經(jīng)檢查，故障點均是由于除塵開關(guān)站一出線柜電纜絕緣被破壞導(dǎo)致系統(tǒng)單相接地，但該柜的零序保護未動作，造成上級總降變電所出線柜的零序保護越級動作跳閘。2 次事故后，煉鋼廠均安排了對除塵開關(guān)站故障饋線柜保護裝置的零序保護進行了檢驗，結(jié)果表明保護裝置動作及顯示均正常，并在第一次故障后更新了同型號的保護裝置。

2 某煉鐵廠事故情況

2018 年9 月18 日4:57，某煉鐵總降變電所一開關(guān)零序Ⅰ段保護動作開關(guān)跳閘，保護裝置顯示動作值為：121.12 A、0.505 s（整定值：70 A、0.5 s），煉鐵廠高爐槽下10 kVⅠ段母線失電。后經(jīng)檢查，未發(fā)現(xiàn)明顯的故障點，于6:06 將總降變電所跳閘開關(guān)恢復(fù)運行，高爐槽下10 kV Ⅰ母送電正常，系統(tǒng)恢復(fù)運行。

10:55，煉鐵廠總降變電所同一開關(guān)零序Ⅰ段保護動作再次跳閘，保護裝置顯示動作值為121.44 A、0.507 s。高爐槽下10 kV Ⅰ段母線再次失電。11:26，檢查總降變電所開關(guān)出線電纜正常，并對高爐槽下10 kV Ⅰ段母線進行耐壓試驗。為維持生產(chǎn)，高爐槽下高配室供電的下一級轉(zhuǎn)底爐高配室單回路帶全所運行。

12:37，煉鐵廠降變電所EMS 發(fā)10 kV Ⅱ段PT保護動作、2#主變低后備保護裝置運行告警，10 kVⅡ段PT 消諧裝置告警等信息。經(jīng)現(xiàn)場檢查，有5 臺出線柜發(fā)出保護啟動信息。經(jīng)詢問得知高爐槽下供電的轉(zhuǎn)底爐高配室1 臺電機燒壞，其高壓開關(guān)速斷保護動作跳閘，初步判斷事故原因為該電機相間短路所致。

高爐槽下高配10 kV Ⅰ段母線耐壓試驗合格后，13:25，恢復(fù)高爐槽下10 kV Ⅰ段母線送電運行。

后經(jīng)分析，轉(zhuǎn)底爐高配室電機發(fā)生了單相接地，其本柜及槽下出線柜的零序保護均未可靠動作，越兩級導(dǎo)致煉鐵總降變電所出線柜零序保護動作跳閘。

3 事故原因分析

3.1 零序電流互感器特性分析

針對煉鋼和煉鐵總降變電所4次零序保護越級跳閘事故，結(jié)合系統(tǒng)保護配置情況，即下級高配室配置的都是同一廠家的保護裝置，煉鋼總降變電所和煉鐵總降變電所出線柜配置的均是國內(nèi)某廠家的保護裝置。雖然事故后檢驗下級故障出線柜保護裝置的零序保護動作及顯示正常，但在事故時卻均不能正常動作，初步判斷該系列保護裝置本身存在某種缺陷。后綜合分析該系列裝置配置了3 A/3.53 V 零序電流傳感器。當(dāng)輸入的零序電流大于3 A時，裝置的零序電流傳感器即進入飽和區(qū)或負斜率區(qū)，即隨著輸入電流的增加，零序電流傳感器的輸出電流反而越來越小，不能夠反映真實的外部事故電流值，導(dǎo)致零序保護拒動。該保護裝置的零序電流傳感器測試數(shù)據(jù)如表1所列。

表1 零序電流傳感器測試結(jié)果 單位：A

從上述煉鐵總降變電所故障跳閘信息可知，其系統(tǒng)故障零序電流達120 A，對于轉(zhuǎn)底爐高配室故障電機（CT0=100/5，定值10 A，0.1 s）和槽下出線柜（CT0=100/5，定值30 A，0.3 s）的保護而言，輸入到保護裝置零序傳感器的零序電流達6 A，結(jié)合上述測試結(jié)果，保護裝置感應(yīng)到的零序電流僅僅只有0.24 A，遠遠小于兩裝置的整定值0.5 A 和1.5 A，保護不會動作出口。

上述零序傳感器的特性充分說明了在大電流時，傳感器已達到嚴重飽和狀態(tài)，完全失去了應(yīng)有的功能，從而導(dǎo)致故障設(shè)備的供電柜保護拒動，煉鐵總降變電所出線柜保護越級跳閘。

但上述原因無法解釋煉鋼除塵開關(guān)站電纜單相接地時的保護動作情況。

3.2 其他因素的影響

根據(jù)煉鋼總降變電所出線柜（定值70 A，0.5 s；35 A，0.9 s，實際跳閘時間達1.5 s）故障錄波信息，其接地電流在2.1～2.7 A 之間波動，折合到一次電流（CT0=100/5）為42～74 A，但除塵開關(guān)站故障出線柜一次零序電流互感器的變比是150/5，其二次零序電流為1.4～2.47 A，根據(jù)上述保護裝置零序傳感器的特性，故障電流在保護裝置的線性區(qū)（0～3 A）且大于二次定值為1 A，0.6 s 和2 A，0.3 s，但保護卻未能動作跳閘。比較兩處的接地電壓和接地電流的波形，煉鐵總降變電所系統(tǒng)為電動機繞組接地——近乎金屬性接地，接地時的電壓和電流都接近于正弦波，如圖1。而煉鋼總降變電所系統(tǒng)為電纜接地，接地時的電壓和電流波形都畸變嚴重，如圖2。

圖1 煉鐵系統(tǒng)單相接地時的電流電壓波形圖

圖2 煉鋼系統(tǒng)接地電流電壓波形

隨機抽取煉鋼總降變電所接地時11 個時刻的零序電流值，并對其進行傅里葉分解，得到11 組頻譜圖，根據(jù)頻譜圖中各次諧波分量的比例，利用電能功率標(biāo)準(zhǔn)源模擬故障電流中的各次諧波分量，注入保護裝置零序回路中，發(fā)現(xiàn)在第一組和第九組信號注入保護時，裝置零序保護是不動作的。這兩組與其他組不同的是，直流分量特別大。如圖3。

圖3 煉鋼系統(tǒng)接地時某一時刻零序電流諧波分量

由此判斷，由于直流分量的作用（加速磁路的飽和），加上該系列保護裝置選用的零序傳感器性能欠佳，最終導(dǎo)致在電纜發(fā)生不穩(wěn)定的接地故障時，出現(xiàn)嚴重畸變的電壓和電流波形，因包含了較大的直流分量，使其無法可靠地反映真實的故障電流數(shù)值，致使零序保護拒動，上級保護越級跳閘，切除故障。

4 問題處理

通過上述分析，高爐配電系統(tǒng)逐步使用其他廠家的保護裝置更換了該類型的保護裝置，煉鋼配電系統(tǒng)則更換為同類型保護裝置，但對零序電流輸入回路進行了改進。目前運行都比較正常。

5 結(jié)論

（1）某些品牌保護裝置的可靠性是存在一定問題的。由于該品牌保護裝置制造廠技術(shù)力量有限，造成一些關(guān)鍵的元器件選型存在誤區(qū)，在滿足一定的條件下，存在保護拒動的可能性。

（2）對于電阻接地系統(tǒng)中的薄絕緣設(shè)備，如電動機，當(dāng)發(fā)生接地時，往往是金屬性接地，此時接地故障電流較大，可能會造成某些品牌保護裝置的零序電流傳感器進入飽和區(qū)，不能反映真實的接地故障電流，造成零序保護拒動。

（3）對于電阻接地系統(tǒng)中的厚絕緣設(shè)備，如電力電纜，存在一個不穩(wěn)定的接地過程，造成電壓、電流波形畸變嚴重，含有豐富的諧波成分，甚至較大的直流分量，造成性能欠佳的零序傳感器無法真實反映一次故障電流，導(dǎo)致保護拒動。

（4）事故也反映了用戶在保護裝置訂貨時，對系統(tǒng)的接地方式不清晰，或不清楚系統(tǒng)的接地電流值，沒有與保護裝置供應(yīng)商進行充分的交流，導(dǎo)致零序電流互感器和保護裝置的元器件選擇存在問題，不能滿足系統(tǒng)接地故障時保護裝置可靠動作的需求。