自備電廠系統(tǒng)中性點接地方式探討

駱志恩

（中冶京誠（秦皇島）工程技術(shù)有限公司 河北 秦皇島 066004）

系統(tǒng)中性點接地方式是一個綜合性的、系統(tǒng)性的問題[1－2]，既涉及到供配電系統(tǒng)的安全可靠性，也涉及到供配電系統(tǒng)的經(jīng)濟性。中性點接地方式直接影響到系統(tǒng)設備絕緣水平、系統(tǒng)過電壓水平、過電壓保護元件的選擇、繼電保護方式、系統(tǒng)的運行可靠性。具有發(fā)電機的系統(tǒng)中性點一般采用非直接接地方式，而非直接接地方式又分為3種：中性點不接地方式、中性點經(jīng)消弧線圈接地方式、中性點經(jīng)電阻接地方式。在選擇中性點接地方式時，應根據(jù)不同工程的特點進行具體分析、慎重研究，綜合考慮各種因素，最終確定一種安全、可靠、經(jīng)濟、合理的中性點接地方式[3－4]。

下面結(jié)合凌鋼熱電廠系統(tǒng)中性點接地方式選用中性點經(jīng)低電阻接地方式，對自備電廠系統(tǒng)中性點接地方式進行探討。

1 工程特點

凌鋼熱電廠是為了配合建設200萬t/a H型鋼廠項目、實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟和可持續(xù)發(fā)展建設企業(yè)的環(huán)保目標的配套項目，建設一座2×130t/h次高壓蒸汽鍋爐及2×25 MW抽汽式發(fā)電機組自備熱電廠。發(fā)電機出口主母線采用單母線按機分段的接線方式，發(fā)電機出口10.5 kV母線分別經(jīng)兩臺主變接入凌鋼新區(qū)66 kV總降壓變電站35 kV系統(tǒng)，與電力系統(tǒng)并網(wǎng)，同時直接饋出若干條10 kV電源線路給原料廠和其他車間。本項目廠區(qū)內(nèi)所有配電線路均采用電纜，直配電纜線路長度約4 km。

2 系統(tǒng)中性點接地方式的選擇

系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，接地故障電流主要取決于電網(wǎng)對地的電容電流，而電容電流有電力線路和電力設備（發(fā)電機、大容量同步電動機、主變壓器低壓繞組等）兩部分的電容電流組成。但是電力設備的電容電流比線路的電容電流小得多，故一般工程設計中忽略不計。根據(jù)有關(guān)估算公式，計算過程如下：

式中Ic表示單相接地電容電流，單位為 A，Ur表示線路額定線電壓，單位為kV，L表示線路長度，單位為km。

將工程相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式（1）即得：

此工程中性點接地方式的選擇主要依據(jù)以下幾點：

1）單相接地電容電流允許值

中性點不接地方式，即是中性點對地絕緣。由于其結(jié)構(gòu)簡單、投資省、運行經(jīng)濟，且供電可靠性、連續(xù)性高被廣泛采用，應當首選。但是根據(jù)《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》DL/T 620—1997第 3.1.3條的規(guī)定[5]，3～20 kV具有發(fā)電機的系統(tǒng)，采用不接地方式時，其單相接地故障電容電流允許值為3A，當單相接地故障電容電流大于允許值時，在發(fā)生單相接地故障不要求瞬時切除時，應采用中性點經(jīng)消弧線圈接地方式；可以要求瞬時切除時，宜采用中性點經(jīng)電阻接地。

而本工程中單相接地電容電流Ic=4 A＞3 A，所以不能采用中性點不接地方式，而應該采用中性點經(jīng)消弧線圈接地方式或中性點經(jīng)電阻接地方式。

2）線路特點

至于采用中性點經(jīng)消弧線圈接地方式和中性點經(jīng)電阻接地方式中哪一種接地方式，下面再從這兩種中性點接地方式的工作原理及適用特點進行分析、比較。

①中性點經(jīng)消弧線圈接地方式

中性點經(jīng)消弧線圈接地方式，就是在中性點和大地之間接入一個電感消弧線圈，其工作原理是：利用流過故障點的工頻電感電流和工頻電容電流相位差180°的特性，人為地增加一個比單相接地故障電容電流略大一些的電感電流，兩種電流疊加時電容電流被電感電流補償?shù)?，流過接地故障點的接地故障電流僅為補償后數(shù)值很小的殘余電感電流，弧光不能維系燃燒而熄滅，故障點周圍的絕緣介質(zhì)“空氣”得以補償新鮮空氣，從而故障點的絕緣強度能夠恢復到正常的絕緣強度，故障相對地電壓的恢復不能使故障點的絕緣再次擊穿，系統(tǒng)恢復到正常運行。這種故障點絕緣能自動恢復的故障稱為可恢復性故障。

但在有電纜線路組成的供電系統(tǒng)中，電纜發(fā)生單相弧光接地時，消弧線圈卻無法消弧，保障系統(tǒng)供電的安全性。這是因為電纜線路一旦擊穿，故障點的絕緣強度幾乎為零，故障點的絕緣不能恢復到正常絕緣水平，弧光熄滅后故障相對地電壓的恢復會使故障點的絕緣再次擊穿，系統(tǒng)不能恢復到正常對地電壓下運行。這種故障點絕緣不能恢復的故障稱為不可恢復性故障或永久性故障。

即使現(xiàn)代的自動跟蹤補償消弧線圈也不能解決不可恢復性故障的消弧問題，只能適用于可恢復性故障的系統(tǒng)——架空線路，對于不可恢復性故障的電纜線路也是無能為力。

②中性點經(jīng)電阻接地方式

中性點經(jīng)電阻接地方式，即是在中性點與大地之間接入一定電阻值的電阻[6]。當電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時，由于人為地增加了一個與電網(wǎng)接地電容電流相位角相差90°的有功電流，這就使流過故障點的接地故障電流絕對值比不接地電網(wǎng)增大，便于檢測到故障。中性點經(jīng)電阻接地的方式有高電阻接地、中電阻接地、低電阻接地等3種方式。

高電阻接地的系統(tǒng)設計應符合R0≤Xc0的準則，使流過接地點的電阻性電流不小于電容性電流，以限制間歇性電弧接地時的過電壓水平在2.6倍相電壓以內(nèi)。R0是系統(tǒng)等值零序電阻，Xc0是系統(tǒng)每相的對地分布容抗。一般采用接地故障電流小于10 A。國內(nèi)一般認為當接地電流大于10 A時，不允許帶接地故障運行，必須立即跳閘，切除故障點。所以采用高阻接地方式，接地電流被限制到很小，保護裝置只是檢測故障并發(fā)出信號，允許帶接地運行1～2小時，在運行中找出接地點后設法消除。

中電阻和低電阻之間沒有統(tǒng)一的界限，一般認為單相接地故障時通過中性點電阻的電流10～100 A時為中電阻接地方式。

而本工程供配電系統(tǒng)幾乎全部采用電纜線路，有如下特點：

1）受外界環(huán)境條件（雷電、外力、樹木、大風等）影響小，瞬時接地故障很少，接地故障一般都是永久性故障。2）電纜線路發(fā)生接地故障時，接地電弧為封閉性電弧，電弧不易自行熄滅，如不及時跳閘，很容易造成相間短路，擴大事故。3）電纜為弱絕緣設備。例如，10 kV交聯(lián)聚乙稀電纜的一分鐘工頻耐壓為28 kV，而一般10 kV配電設備的絕緣水平為35 kV。在中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中，由于查找故障點時間較長，電纜長時間承受工頻或暫態(tài)過電壓作用，易發(fā)展成相間故障，造成一線或多線跳閘。尤其在使用年限較長、絕緣老化的電纜線路的變配電系統(tǒng)中，在單相接地時，經(jīng)常發(fā)生來不及找出故障線路，非故障線路就發(fā)生電纜爆炸的情況。

由于消弧線圈在電纜線路中不能發(fā)揮消弧的作用，同時為了提高接地保護的靈敏性和選擇性，所以選用中性點經(jīng)低電阻接地方式，當發(fā)生接地故障時，能及時、準確地切除故障點。

3）供電可靠性

中性點經(jīng)低電阻接地方式，當發(fā)生單相接地故障時，是通過切除故障線路來保障電網(wǎng)其它用電設備的正常用電的，所以其供電可靠性略差。為了提高供電可靠性，通過兩段母線互投的方式，任何一臺主變都可以帶兩臺發(fā)電機與系統(tǒng)并網(wǎng)。另外由主母線直配的電源線路均供給一些對電源級別要求不高的車間，再者這些車間都有引自系統(tǒng)的第二路電源，雙電源供電，滿足供電要求。所以整個系統(tǒng)的供電可靠性并沒有因為采用中性點經(jīng)低電阻接地方式而降低。

3 中性點接地裝置的連接方式

由于各變配電站的接線形式不同、安全重要性不一樣，因此也就有不同的連接形式。

1）中性點接地電阻器不經(jīng)斷路器、隔離開關(guān)直接連接在主變壓器二次星形繞組的中性點上。一次繞組為三角形接線，用以抵消單相接地時星形繞組產(chǎn)生的零序磁通，并將一、二次系統(tǒng)隔離。接線簡單，設備少，節(jié)省投資。但是本工程發(fā)電機系統(tǒng)帶直配電源回路，有可能脫網(wǎng)，自成一個獨立的電網(wǎng)運行，倘若這時發(fā)生單相接地故障，接在主變二次側(cè)的接地裝置將不能對發(fā)電機的系統(tǒng)完成保護功能。整個系統(tǒng)就成了中性點不接地系統(tǒng)，所以本工程不能采用這種連接方式。

Bushing軸套力是通過一種數(shù)學模型的方式，利用軟件設置彈性和阻尼來模擬幾個零件之間的連接關(guān)系，通過設置Bushing徑向剛度、軸向剛度和角剛度的數(shù)值來模擬軸承。由于軸承的阻尼很小，因此在本章中忽略不計。根據(jù)軸承類型選取位移剛度數(shù)值為Kx=1.84e5、Ky=1.84e5、Kz=2.6e5，選取的角度剛度數(shù)值為Kxx=1.4e5、Kyy=1.4e5、 Kzz=0[9]。

2）中性點接地裝置（接地變壓器及接地電阻器）經(jīng)開關(guān)柜連接在主母線10 kV母線上。這種連接方式需要在主母線上給專用三相接地變壓器提供回路，接地電阻器接到由專用三相接地變壓器高壓側(cè)引出的中性點上。這種接地裝置的連接方式既可以在與電力系統(tǒng)并網(wǎng)時實現(xiàn)保護功能，又可以在發(fā)電機系統(tǒng)獨立運行時實現(xiàn)保護功能。所以本工程采用中性點接地裝置經(jīng)開關(guān)柜連接在主母線10 kV母線上的連接方式。

4 接地裝置選取

1）中性點接地電阻器阻值的計算

近年來，在冶金企業(yè)中采用電阻接地方式逐漸多起來，尤其是在3～10 kV配電系統(tǒng)中采用低電阻接地方式，對應于電壓選用阻性電流為：3 kV，100 A；6 kV，250 A；10 kV，300 A。根據(jù)公式，計算過程如下：

式中RN表示直接接入的電阻器阻值，單位為kΩ，Ue表示母線的額定線電壓，單位為kV，IR表示接地電阻性電流，單位為A。

將數(shù)據(jù)代入公式（3）即得：

所以接地電阻器選用：額定電壓10 kV，額定電阻值19.2 Ω，額定電流300 A，額定時間10 s的接地電阻器。

2）接地變壓器的選取

接地變壓器采用曲折形的繞組聯(lián)結(jié)法，即接地變壓器由6個繞組組成，每一鐵心柱上有2個繞組，然后反極性串聯(lián)成曲折形的星形繞組。曲折形聯(lián)結(jié)的接地變壓器對三相平衡負荷呈高阻抗作用，對單相接地故障呈低阻抗作用，當系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，接地電流通過曲折變的接地阻抗，進入曲折變的中性點。由于該變?nèi)@組通過的電流是流過相等的低阻抗通路，故三相繞組流過的電流都相等。

由于選取了額定電壓10 kV，額定電阻值19.2 Ω，額定電流300 A的接地電阻器，所以通過接地變壓器中性點的短路電流按要求為300 A，流過接地變壓器各相繞組短路電流則為300/3=100 A。

則該接地變壓器的短時容量應為：

由于受到場地的限制，接地變壓器及接地電阻器等接地裝置安裝于主控樓一層的房間內(nèi)。

所以接地變壓器應選用額定一次電壓10.5 kV，額定中性點電流300 A，額定容量2 000 kVA的干式接地變壓器。

綜上可見，凌鋼熱電廠選用中性點經(jīng)低電阻接地方式，中性點接地裝置經(jīng)開關(guān)柜連接在10 kV主母線上，選用額定電壓10 kV、額定電阻值19.2 Ω、額定電流300 A的接地電阻器以及額定一次電壓10.5 kV、額定中性點電流300 A、額定容量2 000 kVA的干式接地變壓器。當發(fā)生接地故障時，保護裝置能及時、準確地切除故障點，保障系統(tǒng)能安全、可靠運行，此方案是可行的、優(yōu)越的，接地裝置的選擇是合理的，故采用此中性點經(jīng)低電阻接地方式。

5 結(jié)束語

工礦企業(yè)尤其是冶金行業(yè)自備電廠供配電網(wǎng)絡幾乎全部采用電纜線路，特別是已經(jīng)運行多年的電網(wǎng)，電纜的絕緣已降低和老化。由于電纜線路長，單相接地故障電容電流一般都大于允許值，同時隨著老化電纜的絕緣減低，或為了節(jié)省電纜投資，降低電纜對地的絕緣水平，當系統(tǒng)在發(fā)生單相接地故障時，為避免事態(tài)擴大，繼電保護動作，應能迅速將故障切除。從另一方面來說提高了其它正常線路的供電可靠性。因此，自備電廠系統(tǒng)中性點接地方式采用經(jīng)低電阻接地，接地裝置參數(shù)選擇合理，當發(fā)生接地故障時，保護裝置能及時、準確地切除故障點，保障系統(tǒng)安全、可靠運行，應是優(yōu)選方案，是合理的、經(jīng)濟的、切實可行的。

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