水電站中壓廠用電系統(tǒng)接地方式研究

張 鑫，任 剛，劉長武，劉書玉

（1. 河北張河灣蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 石家莊 050300；2. 中國電建集團(tuán)北京勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京100024）

0 引言

目前我國水電站中壓廠用電系統(tǒng)普遍采用中性點(diǎn)不接地方式，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，廠用電系統(tǒng)一般可以繼續(xù)運(yùn)行2 h，保證了供電的可靠性，但由于該接地方式下難以實(shí)現(xiàn)靈敏且有選擇性的接地保護(hù)，可能導(dǎo)致單相接地故障擴(kuò)大為事故。近年來，水電站發(fā)生了數(shù)起由于單相接地故障未及時(shí)處置，進(jìn)而發(fā)展成相間短路，最終導(dǎo)致火災(zāi)的事故，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。中性點(diǎn)接地方式直接影響廠用電系統(tǒng)供電的可靠性、連續(xù)性和電站運(yùn)行的安全性。因而有必要對(duì)廠用電系統(tǒng)接地方式進(jìn)行研究，以期快速且有選擇性地切除故障，消除安全隱患。

1 國內(nèi)外中壓電網(wǎng)接地方式現(xiàn)狀

對(duì)中壓電網(wǎng)接地方式，世界各國有不同的觀點(diǎn)及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在各個(gè)國家，甚至同一個(gè)國家中的不同城市中，電網(wǎng)接地方式都不盡相同，主要是依據(jù)各自的經(jīng)驗(yàn)和傳統(tǒng)來確定。

德國在世界上首先使用了消弧線圈，自1917年開始便在各種電壓等級(jí)的電力網(wǎng)中大量采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的電力系統(tǒng)諧振接地方式，已有近百年的歷史，而近年來德國電力公司認(rèn)為電纜網(wǎng)絡(luò)的中性點(diǎn)通過低電阻接地比較合適。

蘇聯(lián)規(guī)定在下列情況下中壓電網(wǎng)采用不接地方式：6 kV電網(wǎng)單相接地電流小于30 A；10 kV電網(wǎng)單相接地電流小于20 A；15～20 kV電網(wǎng)單相接地電流小于15 A；35 kV電網(wǎng)單相接地電流小于10 A。如果單相接地電流超過上述值，則需采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式。

英國架空線路組成的中壓電網(wǎng)逐步由直接接地或電阻接地改為經(jīng)消弧線圈接地，而在電纜為主的電網(wǎng)系統(tǒng)中，采用中性點(diǎn)經(jīng)低電阻接地方式。

日本中壓系統(tǒng)不接地、經(jīng)消弧線圈接地及經(jīng)電阻接地方式都有應(yīng)用。

美國廣泛采用中性點(diǎn)直接接地或經(jīng)低電阻接地方式，以限制弧光過電壓，并瞬時(shí)跳開故障線路。

在我國，建國初期至20世紀(jì)80年代電網(wǎng)完全參照前蘇聯(lián)的規(guī)定，對(duì)3～66 kV電網(wǎng)主要采用不接地或經(jīng)消弧線圈接地2種方式。但上述2種接地方式中有一個(gè)關(guān)鍵的問題沒有得到徹底解決，那就是單相故障的快速、準(zhǔn)確選擇與定位。20世紀(jì)90年代以來，隨著電網(wǎng)規(guī)模越來越大，電纜線路逐漸增多，電容電流也不斷增大，而且運(yùn)行方式經(jīng)常發(fā)生變化，消弧線圈調(diào)諧存在很大困難，一些地區(qū)配電網(wǎng)開始采用中性點(diǎn)經(jīng)低電阻接地方式。當(dāng)前，國內(nèi)水電站中壓廠用電系統(tǒng)多采用不接地方式。在初步調(diào)研的國內(nèi)35座電站中，僅白鶴灘水電站及績溪抽水蓄能電站兩在建項(xiàng)目中壓廠用電系統(tǒng)采用了經(jīng)消弧線圈接地方式，其余均為不接地方式。

2 常見的接地方式及理論分析

我國電力系統(tǒng)常見的接地方式有中性點(diǎn)直接接地、不接地、低/高電阻接地以及消弧線圈接地。

2.1 中性點(diǎn)直接接地

在這種系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)生單相接地時(shí)，這一相直接經(jīng)過接地點(diǎn)和接地的中性點(diǎn)短路，繼電保護(hù)一般都能迅速而準(zhǔn)確地切除故障線路，且保護(hù)裝置簡單，工作可靠。中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)電壓升高不超過系統(tǒng)額定電壓的80%，高壓電網(wǎng)中采用這種接地方式可顯著降低設(shè)備和線路造價(jià)。中性點(diǎn)直接接地的缺點(diǎn)是發(fā)生單相接地故障時(shí)斷路器跳閘，因而供電可靠性較差。目前該接地方式在我國主要應(yīng)用于110 kV及以上系統(tǒng)中。

2.2 不接地系統(tǒng)

不接地系統(tǒng)是指沒有人為采用中性點(diǎn)與大地連接。不接地系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是發(fā)生單相接地故障時(shí)，不形成短路回路，通過接地點(diǎn)的電流僅為接地電容電流，當(dāng)單相接地故障電流很小時(shí)，故障點(diǎn)電弧可以迅速自熄，熄弧后絕緣可自行恢復(fù)，自動(dòng)清除單相接地故障，而無需使線路斷開，可以帶故障運(yùn)行一段時(shí)間，以便查找故障線路，因而大大提高了供電可靠性。

圖1為不接地網(wǎng)絡(luò)接線示意圖。正常情況下，輸電線路存在三相對(duì)稱的對(duì)地電容C0，每一相都有電容電流流入大地，由于三相對(duì)稱，總的電容電流為零。若A相發(fā)生對(duì)地金屬性短路，A相對(duì)地電容被短路，B、C相仍有電容電流流入大地，并通過短路點(diǎn)K流回A相，短路電流為B、C相電容電流的矢量和。同時(shí)由于A相接地，A相電壓變?yōu)榱悖珺、C相對(duì)地電壓變?yōu)榫€電壓，有效值變?yōu)樵瓉淼谋丁?/p>

圖1 不接地網(wǎng)絡(luò)接線示意圖

圖2表示A相接地時(shí)各相電壓和電流的矢量圖，各相對(duì)地電壓為

原中性點(diǎn)發(fā)生偏移，偏移后中性點(diǎn)電壓為

非故障相流向故障點(diǎn)的電容電流為

圖2 A相接地時(shí)矢量圖

我國廠用中壓系統(tǒng)主要采用不接地方式，其主要優(yōu)點(diǎn)是供電的可靠性高，并且成本低，簡單方便。當(dāng)發(fā)生單相金屬性接地故障時(shí)，故障相電壓變?yōu)榱?，非故障相電壓變?yōu)榫€電壓，系統(tǒng)的線電壓仍然三相對(duì)稱。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，如果電容電流不是很大、小于10 A時(shí)，允許持續(xù)供電不超過2 h。國內(nèi)研究表明，當(dāng)短路電流超過10 A時(shí)，短路點(diǎn)電弧就無法自熄滅，會(huì)出現(xiàn)間歇性電弧或持續(xù)電弧，一方面電弧本身容易誘發(fā)火災(zāi)，燒毀輸電線路，導(dǎo)致事故擴(kuò)大，另一方面，會(huì)出現(xiàn)弧光過電壓，過電壓倍數(shù)最高可達(dá)3.5倍。

廠用系統(tǒng)采用不接地方式情況下，一般裝設(shè)單相接地保護(hù)裝置，保護(hù)裝置反應(yīng)零序電壓，原則上一般動(dòng)作于信號(hào)。當(dāng)中壓廠用系統(tǒng)發(fā)生單相接地，由于接地電流較小，允許系統(tǒng)繼續(xù)短時(shí)運(yùn)行，保護(hù)裝置發(fā)出故障信息通知運(yùn)維人員及時(shí)處理。在出線回路數(shù)不多，或難以裝設(shè)有選擇性的單相接地保護(hù)時(shí)，可用依次斷開線路的方法，查找故障線路。當(dāng)出線回路較多，可采用有自動(dòng)選線功能的小電流接地保護(hù)裝置。實(shí)踐證明，當(dāng)發(fā)生單相接地時(shí)，特別是電纜發(fā)生單相接地時(shí)，有很大機(jī)率發(fā)展成為電纜的相間短路。所以當(dāng)廠用電系統(tǒng)采用不接地方式，而相應(yīng)的保護(hù)僅動(dòng)作于信號(hào)，其安全性是值得進(jìn)一步探討的。

2.3 中性點(diǎn)經(jīng)低電阻接地

中性點(diǎn)經(jīng)低電阻接地方式是以獲得快速選擇性繼電保護(hù)所需的足夠電流為目的，一般接地故障電流為100～1 000 A。中性點(diǎn)低電阻接地方式在單相接地時(shí)的異常過電壓抑制在運(yùn)行相電壓的2.8倍以下，可以采用絕緣水平較低的電氣設(shè)備，改善了設(shè)備運(yùn)行條件，提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性，能快速切除單相接地故障，提高系統(tǒng)安全水平。

如圖3所示，系統(tǒng)的中性點(diǎn)經(jīng)一固定阻值的電阻接地，當(dāng)其中的某一條線路發(fā)生單相金屬性接地故障時(shí)，其故障電流分為2部分，一部分為電容電流，另一部分為從中性點(diǎn)經(jīng)接地電阻流出的零序電流，從故障點(diǎn)流回系統(tǒng)，總的故障電流為這2部分電流的矢量和。因發(fā)生的是金屬性接地故障，故障時(shí)中性點(diǎn)電壓的有效值等于額定相電壓（用Uφ表示）。流經(jīng)接地電阻的零序電流有效值則為，與接地電阻的阻值大小成反比關(guān)系。

圖3 中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地故障電流流向圖

下面來推導(dǎo)中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地、A相發(fā)生金屬性接地故障時(shí)，非故障相的電壓變化。對(duì)于10 kV廠用中壓系統(tǒng)，對(duì)地電容一般為μF級(jí)別，對(duì)應(yīng)的容抗值為千歐級(jí)，而小電阻接地，電阻阻值一般不超過10 Ω，中阻接地電阻阻值通常不超過30 Ω，可見接地電阻值遠(yuǎn)小于容抗值，在計(jì)算時(shí)可以忽略電容容抗。

利用對(duì)稱分量法，將故障點(diǎn)電壓分為正、負(fù)、零序分量，其零序等值回路如圖4所示。忽略線路的電阻，即 R1=R2=0，Z1=jX1=Z2=jX2，Z0=R0=3RN。

由零序等值回路可以算出各序電壓分量為

圖4 單相接地故障零序等值回路

故障電流為

非故障相電壓為

帶入可求得

從上式可以看出，非故障相電壓的變化量保持一致且與接地電阻相關(guān)。當(dāng)R0=0時(shí)，當(dāng)時(shí)。其矢量圖如圖5所示，?U˙隨接地電阻阻值的變化而變化，其末端軌跡為半圓型。

圖5 低電阻接地方式下A相接地時(shí)矢量圖

由以上理論分析可以看出，中性點(diǎn)經(jīng)低電阻接地的基本特點(diǎn)是故障電流較大，非故障相依然存在過電壓，但過電壓倍數(shù)較低，且非故障兩相的過電壓倍數(shù)不一致。相比于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，中性點(diǎn)經(jīng)低電阻接地的顯著特點(diǎn)是，由于電阻的阻尼和損耗作用，電弧過零熄滅后，零序殘壓通過電阻放電，避免了電弧重燃—熄滅—重燃的振蕩過程，從而限制了過電壓的升高，將過電壓限制在一個(gè)較低的水平。同時(shí)，為零序電流提供一條通路，接地電阻阻值越小，故障電流越大，可使零序電流保護(hù)繼電器快速靈敏動(dòng)作，及時(shí)切除故障線路，避免事故進(jìn)一步擴(kuò)大。對(duì)于廠用中壓系統(tǒng)接地電阻值的選擇，既要考慮一次設(shè)備的承受能力，又要與保護(hù)裝置的定值整定相配合。

2.4 中性點(diǎn)經(jīng)高電阻接地

高電阻接地方式以限制單相接地故障電流為目的，電阻阻值一般在數(shù)百～數(shù)千歐姆。采用中性點(diǎn)經(jīng)高電阻接地的目的就是給故障點(diǎn)注入阻性電流，以提高接地保護(hù)動(dòng)作靈敏性，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，在接地電弧熄弧后，系統(tǒng)對(duì)地電容中的殘荷將通過中性點(diǎn)電阻泄放，從而減少電弧重燃的可能性，抑制電網(wǎng)過電壓的幅值，從而降低間歇性弧光接地過電壓。

中性點(diǎn)高電阻接地方式可以限制間歇性弧光接地過電壓和諧振過電壓2.5倍以下，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)可不立即清除，繼續(xù)運(yùn)行2 h，供電可靠性高，一般用于發(fā)電機(jī)回路。

2.5 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地

中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障點(diǎn)流過電容電流，中性點(diǎn)的位移電壓產(chǎn)生感性電流流過接地點(diǎn)，補(bǔ)償電容電流，使得接地故障殘流小，達(dá)到自動(dòng)熄弧、繼續(xù)供電的目的。

圖6所示為中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地，消弧線圈本質(zhì)為一電感，因線圈本身存在損耗阻抗，其電路模型可用電感與電阻串聯(lián)表示。當(dāng)A相發(fā)生單相金屬性接地故障，故障相電壓降為零，中性點(diǎn)電壓變?yōu)橛捎谙【€圈一般工作在諧振點(diǎn)附近，電網(wǎng)的零序阻抗趨于無窮大，故線電壓三角形保持不變，非故障相電壓升高到線電壓，有效值變?yōu)樵瓉淼谋?。電壓向量圖如圖7所示。

對(duì)于故障電流，分為兩部分，一部分為電容電流，另一部分為從中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈流出，從故障點(diǎn)流回系統(tǒng)的感性電流，感性電流對(duì)電容電流進(jìn)行補(bǔ)償，減小了故障點(diǎn)的電流。對(duì)電路做變換，可得補(bǔ)償電網(wǎng)的電流諧振等值回路如圖8所示。

圖6 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地故障電流流向圖

圖7 A相接地時(shí)電壓矢量圖

圖8 補(bǔ)償電網(wǎng)的電流諧振等值回路

式中IR為殘留中的有功分量，IC為電網(wǎng)的接地電容電流，IL為消弧線圈的補(bǔ)償電流。

通常消弧線圈工作在諧振點(diǎn)附近的過補(bǔ)償或欠補(bǔ)償狀態(tài)，若恰好工作在全補(bǔ)償狀態(tài)，會(huì)產(chǎn)生很高的諧振過電壓，對(duì)系統(tǒng)造成極大的危害。

由以上的分析可以看出，中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地，由于電感電流的補(bǔ)償作用，能顯著減小故障電流，達(dá)到快速熄弧的目的。非故障相的電壓變?yōu)榫€電壓，有效值變?yōu)樵瓉淼谋?。從穩(wěn)態(tài)過電壓倍數(shù)來看，中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式與中性點(diǎn)不接地方式一致，但是由于故障電流的顯著減小，通常補(bǔ)償后的故障電流不超過10 A，故障點(diǎn)電弧容易熄滅且不易重燃，有效避免了弧光接地過電壓的產(chǎn)生。同時(shí)，消弧線圈能有效減緩恢復(fù)電壓的上升速度，進(jìn)一步降低了故障點(diǎn)電弧重燃的概率。

中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地適用于單相接地故障電容電流大于10 A又需要在接地故障條件下運(yùn)行的架空線路。架空線路的單相接地故障大多數(shù)為瞬時(shí)性故障，中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，允許運(yùn)行1～2 h，有效的降低了發(fā)生瞬時(shí)故障時(shí)的跳閘率，提高了供電的可靠性。同時(shí)，減小了非故障相的過電壓倍數(shù)，降低了對(duì)系統(tǒng)絕緣水平的要求。由于故障電流的減小，對(duì)保護(hù)裝置而言，特征量不明顯，存在保護(hù)不靈敏，選線困難等問題。

我國廠用中壓系統(tǒng)很少采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式，①老電站的廠用電系統(tǒng)普遍比較簡單，單相接地故障電流小于10 A，不需要補(bǔ)償；②廠用中壓系統(tǒng)基本為電纜線路，很少有架空線，中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式并不適用；③廠用電系統(tǒng)工作方式復(fù)雜，電容電流變化較大，若消弧線圈調(diào)諧參數(shù)選擇不當(dāng)，很容易出現(xiàn)諧振過電壓，對(duì)系統(tǒng)危害極大。

3 結(jié)論

《水力發(fā)電廠過電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則》（NB/T 35067-2015）規(guī)定：“3～20 kV不直接連接發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)和35 kV、66 kV系統(tǒng)中性點(diǎn)宜采用不接地方式。當(dāng)單相接地故障電容電流超過10 A，并且需要在接地故障條件下運(yùn)行時(shí)，應(yīng)采用中性點(diǎn)諧振接地方式；6～35 kV主要由電纜線路構(gòu)成的配電系統(tǒng)以及發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)，單相接地故障電容電流較大時(shí)，可采用中性點(diǎn)低電阻接地方式；6 kV和10 kV配電系統(tǒng)以及發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)，單相接地故障電容電流不大于7 A時(shí)，為防止諧振、間歇性電弧接地過電壓等對(duì)設(shè)備的損害，可采用高電阻接地方式”。

水電站中壓廠用電系統(tǒng)變壓器數(shù)量及容量一般均有備用，重要負(fù)荷采用雙電源供電，因而廠用電系統(tǒng)沒有帶接地故障運(yùn)行的必要性；且中壓廠用電系統(tǒng)以電纜線路為主，其為非自恢復(fù)絕緣，發(fā)生單相接地故障一般來說均為永久性故障，必須迅速切斷電源，避免造成相間短路事故擴(kuò)大，即便采用消弧線圈，也只是一定程度上降低了接地故障電流，很難及時(shí)排除故障，在以電纜為主的廠用電系統(tǒng)中不能有效發(fā)揮作用[1]。

而低電阻接地可以使接地故障的檢測手段大為簡單、可靠，準(zhǔn)確快速切除故障，同時(shí)也可降低過電壓水平，減小單相接地發(fā)展成相間短路的概率，防止事故擴(kuò)大[2]。

綜上所述，從確保電站運(yùn)行安全考慮，水電站中壓廠用電系統(tǒng)，當(dāng)單相接地故障電容電流不大于7 A時(shí)，可采用不接地方式，保護(hù)動(dòng)作于信號(hào)（需要現(xiàn)場人工即時(shí)干預(yù)）；當(dāng)單相接地故障電容電流大于7 A時(shí)，宜采用中性點(diǎn)低電阻接地方式，保護(hù)動(dòng)作于跳閘。