淺析發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式的選擇

汪波濤，王明芳，田 侃，蘭 柏，王 勇，陳 瑞

（國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100161）

淺析發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式的選擇

汪波濤，王明芳，田 侃，蘭 柏，王 勇，陳 瑞

（國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100161）

本文對(duì)各種接地方式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較，對(duì)一起發(fā)電廠電纜著火事故進(jìn)行了分析，并結(jié)合廠用電系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出了適合廠用電系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地方式。

中性點(diǎn)；接地；廠用電

目前，我國(guó)電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式主要有以下幾種：不接地、直接接地、低阻接地、高阻接地、諧振接地等。這幾種接地方式廣泛運(yùn)用于我國(guó)電力系統(tǒng)，各有優(yōu)缺點(diǎn)。中性點(diǎn)接地方式的選擇涉及過(guò)電壓、絕緣配合、繼電保護(hù)、供電可靠性等方面的因素，需要根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)以及設(shè)備狀況綜合考慮。發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)主要由電動(dòng)機(jī)、電纜等絕緣較為薄弱的設(shè)備組成，因此，需根據(jù)廠用電系統(tǒng)的特點(diǎn)，結(jié)合各種接地方式的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇相應(yīng)的中性點(diǎn)接地方式。

1 各種接地方式

1.1 中性點(diǎn)不接地

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)可以視為經(jīng)容抗接地的接地系統(tǒng)，該電容是由電網(wǎng)中的電纜、架空線路、電機(jī)、變壓器等所有電氣設(shè)備對(duì)地耦合電容所組成。當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，流經(jīng)故障點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)電流是對(duì)地電容電流，一般故障電流較小，當(dāng)故障電流在允許的范圍內(nèi)，能帶故障運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間，供電可靠性較高。

但是當(dāng)電纜回路多，線路較長(zhǎng)時(shí)，電容電流將很大，單相接地時(shí)接地電弧則不能自動(dòng)熄滅，會(huì)造成事故擴(kuò)大。而且，當(dāng)發(fā)生單相接地時(shí)，非故障相的電壓會(huì)升高為線電壓，中性點(diǎn)電壓也會(huì)上升為相電壓，嚴(yán)重威脅著設(shè)備絕緣。中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)見圖1。

圖1 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)Fig.1 Isolated neutral system

在GB/T 50064—2014中有如下規(guī)定：不直接連接發(fā)電機(jī)、由電纜線路構(gòu)成的6～20kV系統(tǒng)，當(dāng)單相接地故障電容電流不大于10A時(shí)，可采用中性點(diǎn)不接地方式。

1.2 中性點(diǎn)直接接地

中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)生單相接地時(shí)，由于存在短路回路，所以接地電流很大，繼電保護(hù)裝置將動(dòng)作跳閘，因而供電可靠性差。同時(shí)，由于故障電流很大，可能會(huì)灼傷設(shè)備，尤其是因各種原因引起繼電保護(hù)裝置不能正確動(dòng)作，或者不能及時(shí)動(dòng)作時(shí)，則很有可能造成相間短路，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損害設(shè)備。

但是，中性點(diǎn)直接系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生單相接地時(shí)，非故障相電壓不會(huì)升高，可以降低系統(tǒng)的絕緣水平。同時(shí)，單相接地產(chǎn)生較大的短路電流，保護(hù)裝置能準(zhǔn)確做出判斷，提高了保護(hù)的靈敏度。

中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)主要運(yùn)用于110kV以上的高壓系統(tǒng)，對(duì)于高壓系統(tǒng)中性點(diǎn)選擇主要考慮絕緣配合，若中性點(diǎn)不接地，當(dāng)發(fā)生單相接地時(shí)，未故障相就要承受倍的相電壓，瓷絕緣子體積就要增大近一倍，絕緣投資將大大增加。

1.3 中性點(diǎn)低阻接地

中性點(diǎn)低阻接地系統(tǒng)較直接接地系統(tǒng)，故障電流大大減小，但是一般也達(dá)上百安培，同時(shí)，跟直接接地系統(tǒng)一樣，低阻接地系統(tǒng)過(guò)電壓的危險(xiǎn)也較低。

但是低阻接地系統(tǒng)單相接地時(shí)故障電流也較大，存在燒傷設(shè)備的危險(xiǎn)，同時(shí)，繼電保護(hù)裝置必須動(dòng)作于跳閘，其供電可靠性也不高。

1.4 中性點(diǎn)高阻接地

高阻接地系統(tǒng)是利用高阻大大減小故障電流，一般在數(shù)十安培。目前最常見的高阻接地主要采用配電變經(jīng)二次電阻接地的方式，這種接地方式能將接地故障電流限制在一定的水平內(nèi)，同時(shí)，也能抑制暫態(tài)過(guò)電壓。

但是，高阻接地系統(tǒng)還是未能解決單相接地時(shí)，電弧自熄的問題。在廠用電系統(tǒng)中，電纜較多，一旦電纜發(fā)生單相接地，電弧不能及時(shí)熄滅，會(huì)造成嚴(yán)重的后果。

1.5 中性點(diǎn)諧振接地

中性點(diǎn)諧振接地系統(tǒng)是在中性點(diǎn)通過(guò)消弧線圈接地的方式，這種接地方式是利用消弧線圈的電感電流來(lái)補(bǔ)償電容電流，使單相接地時(shí)的故障電流很小，電弧能自行熄滅，不會(huì)傷害到設(shè)備，也能帶故障運(yùn)行一段時(shí)間，供電可靠性較高。

在中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地電力系統(tǒng)中，由于各相對(duì)地電容不相等，會(huì)引起中性點(diǎn)對(duì)地的位移電壓。這個(gè)位移電壓會(huì)導(dǎo)致三相電壓的不平衡,而中性點(diǎn)位移電壓可表示為［見式（1）］：

式中：ν——脫諧度ν=(IC–IL)/IC；

d——系統(tǒng)的阻尼率，d=3gc/ω(Ca+Cb+Cc)；

gc——對(duì)地電導(dǎo)；

ρ——不對(duì)稱度，ρ=–(Ca+α2Cb+αCc)/(Ca+Cb+Cc)。

從式（1）中可以看出，中性點(diǎn)位移電壓與不對(duì)稱度ρ及三相的對(duì)地電容不對(duì)稱有關(guān)，與系統(tǒng)的阻尼率d有關(guān)，還與脫諧度ν有關(guān)。因此，在消弧線圈接地系統(tǒng)中，要調(diào)整好脫諧度，防止中性點(diǎn)位移電壓過(guò)高，不得超過(guò)規(guī)程規(guī)定相電壓的10%。

消弧線圈的補(bǔ)償一般有過(guò)補(bǔ)償和欠補(bǔ)償。假設(shè)系統(tǒng)的電容電流為Ic，消弧線圈的補(bǔ)償電流為IL，ν=(Ic–IL)/Ic，式中ν為脫諧度，若IL大于Ic，則稱為過(guò)補(bǔ)償，若IL小于Ic，則稱為欠補(bǔ)償。一般電網(wǎng)運(yùn)行中都采用過(guò)補(bǔ)償運(yùn)行，因?yàn)樵谇费a(bǔ)償運(yùn)行時(shí)，若發(fā)生一條線路跳閘，Ic減小，脫諧度減小，會(huì)引起中性點(diǎn)位移電壓增大的情況。尤其在一相斷線情況下，由于電網(wǎng)三相對(duì)地電容不對(duì)稱度增大，中性點(diǎn)位移電壓將隨之增大，為了減少位移電壓，一般在消弧線圈上并聯(lián)電阻，加大系統(tǒng)阻尼率。

目前系統(tǒng)中常用的消弧線圈都需要手動(dòng)調(diào)節(jié)，不能根據(jù)系統(tǒng)對(duì)地電容量的變化進(jìn)行補(bǔ)償，且由于故障電流減小為很小的殘流后，繼電保護(hù)裝置正確識(shí)別故障線路，保護(hù)的選擇性和靈敏度都降低了。

隨著電力科技的高速發(fā)展，自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償消弧線圈加自動(dòng)選線裝置的接地方式（見圖2）在電力系統(tǒng)中得到越來(lái)越廣泛的運(yùn)用。自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償消弧線圈裝置可以自動(dòng)適時(shí)地監(jiān)測(cè)跟蹤電網(wǎng)運(yùn)行方式的變化，快速調(diào)節(jié)消弧線圈的電感值，跟蹤補(bǔ)償變化的電容電流，使脫諧度始終處于規(guī)定的范圍內(nèi)，有效防止內(nèi)部過(guò)電壓。

圖2 自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償消弧線圈加自動(dòng)選線裝置的接地Fig.2 The grounding system with automatic tracking compensation are suppression coil and automatic line selection device

2 各種接地方式的優(yōu)缺點(diǎn)

以上各種中性點(diǎn)接地方式各有特點(diǎn)，這是它們廣泛運(yùn)用于電力系統(tǒng)的原因。對(duì)于某種接地方式的好壞不能一概而論，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)、設(shè)備的情況選擇更適合的接地方式。為了更直觀地了解比較各接地方式的優(yōu)缺點(diǎn)，我們從人身安全、接地電流、過(guò)電壓、供電可靠性、繼電保護(hù)工作可靠性等方面進(jìn)行對(duì)比（見表1）。

表1 各種接地方式優(yōu)缺點(diǎn)比較Tab.1 The advantages and disadvantages of all kinds of grounding method

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)在對(duì)地電容電流較小時(shí)，能自動(dòng)清除單相接地故障，而不必跳閘，供電可靠性有保障，但是一旦電容電流超過(guò)允許值，電弧則不能自動(dòng)熄滅，存在電弧接地過(guò)電壓和燒傷設(shè)備的危險(xiǎn)。因此中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)正逐步被其他接地方式取代。

中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地系統(tǒng)，可以直接消除中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)靈敏而有選擇性的接地保護(hù)，并減少電弧接地過(guò)電壓的危險(xiǎn)。但是從某種程度上說(shuō)，它幾乎同時(shí)具有直接接地、不接地和經(jīng)消弧線圈接地三種方式的主要缺點(diǎn)。

中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)過(guò)電壓較低，也不需要任何附加接地設(shè)備，投資較小，但是，在這種系統(tǒng)中，一切故障都將引起斷路器跳閘，且單相接地電流很大，有時(shí)候還會(huì)超過(guò)三相短路電流，有嚴(yán)重?zé)龘p設(shè)備的危險(xiǎn)。

而自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償消弧線圈加自動(dòng)選線裝置的接地方式，單相接地故障電流小，電弧能自行熄滅，對(duì)人身安全和設(shè)備威脅最小，由于能自動(dòng)跟蹤調(diào)節(jié)，可以將脫諧度控制在適當(dāng)范圍，抑制了過(guò)電壓的水平。

3 某電廠6.3kV中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)電纜著火事故

3.1 電廠6.3kV廠用電系統(tǒng)簡(jiǎn)介

某發(fā)電廠由一期、二期、三期和紅石4座電站構(gòu)成，共安裝11臺(tái)機(jī)組，總裝機(jī)容量200萬(wàn)kW。其中二期電站由2臺(tái)30萬(wàn)kW混流式水輪發(fā)電機(jī)組組成，1992年全部投產(chǎn)發(fā)電。一期、二期、三期電站共有3臺(tái)廠用高壓變壓器，分別是一期21B，二期26B（見圖3），三期27B。廠用高壓變壓器高壓側(cè)接于220kV系統(tǒng)，中性點(diǎn)接地，低壓側(cè)通過(guò)限流電抗器接6.3kV母線，6.3kV系統(tǒng)為不接地系統(tǒng)。

6.3kVⅠ段母線上接2臺(tái)電機(jī)、4臺(tái)變壓器（6.3kV/400V）以及2回與第一、三期連接的饋線；6.3kVⅡ段母線上接1臺(tái)電機(jī)、5臺(tái)變壓器（6.3kV/400V）以及2回與第一、三期連接的饋線。所有設(shè)備均通過(guò)6.3kV電纜與6.3kV母線相連，而且有多回電纜距離較長(zhǎng)，6.3kV系統(tǒng)對(duì)地電容較大。

圖3 某電廠6.3kV廠用電系統(tǒng)第二期廠用高壓變壓器26BFig.3 Phase Ⅱ auxiliary transformer 26B of the 6.3kV auxiliary power system in a power station

3.2 事故原因分析

經(jīng)事故調(diào)查，電廠二期電站火災(zāi)事故的發(fā)生，是由于二期廠用高壓變壓器26B至限流電抗器間6.3kV電力電纜在副廠房三層電纜室電纜豎井轉(zhuǎn)角處，因電纜通道空間狹小，且路徑單一，致使電纜彎曲半徑過(guò)小，損傷絕緣，最終發(fā)展成單相間歇性接地，直至三相短路。

電廠6.3kV系統(tǒng)為不接地系統(tǒng)，單相接地時(shí)，故障電流為系統(tǒng)三相總對(duì)地電容電流Ic，當(dāng)Ic超過(guò)允許值時(shí)，電弧就不能自行熄滅，而電纜的絕緣薄弱，耐火性能較差，繼電保護(hù)裝置又未及時(shí)正確動(dòng)作，隔離故障回路，所以，導(dǎo)致電纜著火，進(jìn)而發(fā)生火災(zāi)，造成了事故進(jìn)一步擴(kuò)大。因此，中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，一旦電容電流超過(guò)允許值，電弧不能自動(dòng)熄滅，將會(huì)嚴(yán)重威脅設(shè)備的安全。

3.3 中性點(diǎn)不接地的6～35kV系統(tǒng)反措要求

《國(guó)家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施》中規(guī)定：對(duì)于中性點(diǎn)不接地的6～35kV系統(tǒng)，應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)發(fā)展每3～5年進(jìn)行一次電容電流測(cè)試。當(dāng)單相接地故障電容電流超過(guò)《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合》（DL/T 620—1997）規(guī)定時(shí)，應(yīng)及時(shí)裝設(shè)消弧線圈；單相接地電流雖未達(dá)到規(guī)定值，也可根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)裝設(shè)消弧線圈，消弧線圈的容量應(yīng)能滿足過(guò)補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)行要求。在消弧線圈布置上，應(yīng)避免由于運(yùn)行方式改變出現(xiàn)部分系統(tǒng)無(wú)消弧線圈補(bǔ)償?shù)那闆r。對(duì)于已經(jīng)安裝消弧線圈、單相接地故障電容電流依然超標(biāo)的應(yīng)當(dāng)采取消弧線圈增容或者采取分散補(bǔ)償方式；對(duì)于系統(tǒng)電容電流大于150A及以上的，也可以根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際情況改變中性點(diǎn)接地方式或者在配電線路分散補(bǔ)償。

4 發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式的選擇

發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)過(guò)去大多選擇中性點(diǎn)不接地，靠電弧自動(dòng)熄滅來(lái)消除單相接地故障。但是，隨著發(fā)電廠高壓廠用電負(fù)荷增加、高壓電纜也不斷增多，電纜線越來(lái)越長(zhǎng)，隨之而來(lái)的是高壓廠用電系統(tǒng)的對(duì)地電容電流不斷增大，直接威脅著設(shè)備的安全。因此，需要結(jié)合目前廠用電系統(tǒng)的特點(diǎn)，從過(guò)電壓、絕緣配合、繼電保護(hù)、供電可靠性等方面來(lái)選擇合適的中性點(diǎn)接地方式。

發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)多為電動(dòng)機(jī)、電纜等絕緣薄弱的設(shè)備，這就要求系統(tǒng)對(duì)地電容電流小，過(guò)電壓威脅小。而且，發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)在供電可靠性方面有特殊的重要性，那么就對(duì)繼電保護(hù)的選擇性和靈敏性有較高的要求。

通過(guò)以上對(duì)各種中性點(diǎn)接地方式的分析比較，自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償消弧線圈加自動(dòng)選線裝置的接地方式適合發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)。這種接地方式單相接地故障電流小，電弧能自行熄滅，對(duì)人身安全和設(shè)備威脅最小，而且由于可以自動(dòng)跟蹤調(diào)節(jié)，將脫諧度控制在適當(dāng)范圍，所以能有效抑制過(guò)電壓水平。

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汪波濤（1980—），男，工程師，本科，主要研究方向：電氣設(shè)備性能技術(shù)監(jiān)督及故障分析。E-mail:240161888@qq.com

王明芳（1963—），女，助理工程師，中專，主要研究方向：控制系統(tǒng)及設(shè)備檢修。

田 侃（1981—），男，高級(jí)工程師，研究生，主要研究方向：電氣一次設(shè)計(jì)。E-mail:27633261@qq.com

蘭 柏（1982—），男，高級(jí)工程師，研究生，主要研究方向：電氣設(shè)備性能技術(shù)監(jiān)督及故障分析。E-mail:13601094639@163.com

王 勇（1981—），男，高級(jí)工程師，研究生，主要研究方向：電氣設(shè)備管理。E-mail:yong-wang.zhw@sgxy.sgcc.com.cn

陳 瑞（1981—），女，河南鄭州人，高級(jí)工程師，碩士，主要研究方向：電力系統(tǒng)高壓電氣設(shè)備試驗(yàn)及狀態(tài)評(píng)價(jià)。E-mail:chenrui 0705@126.com

A Brief Study on the Selection of Neutral Point Grounding Way of Power Plant Auxiliary Power System

WANG Botao, WANG Mingfang, TIAN Kan, LAN Bo, WANG Yong, CHEN Rui
(Technology Center of State Grid Xinyuan Company Ltd, Fengtai District, Beijing 100161, China)

In this paper, the advantages and disadvantages of all kinds of grounding method were compared, and a power cable fire accident was analyzed.Meanwhile, the suitable for auxiliary power system neutral point grounding way was put forward, combined with the characteristics of auxiliary power system.

neutral point; grounding; auxiliary power system

TV74

A 學(xué)科代碼：570.25

10.3969/j.issn.2096-093X.2016.05.012