一種孤網(wǎng)供電系統(tǒng)中性點接地方式的選擇與應用

林 俊

（安徽海螺川崎工程有限公司）

0 引言

隨著國家“一帶一路”戰(zhàn)略實施，中國企業(yè)走向世界的步伐加快，在海外投資建設的項目會越來越多，水泥作為基礎設施建設主要材料需求越來越多，而基于一些投資國電網(wǎng)系統(tǒng)比較落后，電力不足等因素，國外規(guī)劃建設水泥線的同時也會同步建設自備電站，由電站向水泥工廠提供電力，電站與水泥工廠組成獨立的供電網(wǎng)絡。

根據(jù)水泥生產(chǎn)線的產(chǎn)能和生產(chǎn)生活用電負荷情況，一般會選擇15～50MW 不等的發(fā)電機機組作為主供電源，同時，根據(jù)所規(guī)劃工廠所在地沒有大容量電源可提供的實際情況，一般自備電站在建設過程中，需配置1～2臺大容量的柴油發(fā)電機作為黑啟動電源和機組調(diào)峰電源，有些項目為了效益最大化，也會同步規(guī)劃余熱發(fā)電機組。上述幾臺發(fā)電機組共同構成一套完整的分布式電源供電系統(tǒng)，具有運行穩(wěn)定、負荷調(diào)配方便等優(yōu)點，在東南亞等一些電力欠發(fā)達國家得到廣泛的應用，但孤網(wǎng)供電系統(tǒng)涉及多機組和多種變工況運行，且系統(tǒng)中存在大量的電容電流，一旦發(fā)生接地故障，將會造成發(fā)電機、線路及其他設備損壞，不僅造成經(jīng)濟損失，更會帶來安全事故。因此，多機組孤網(wǎng)供電系統(tǒng)如何選擇一種既安全可靠又經(jīng)濟合理的接地方式顯得非常重要。

本文結合具體項目實例，闡述一些孤網(wǎng)系統(tǒng)中性點接地方式選擇的一些思路，以供大家探討。

1 項目特點

某企業(yè)在印尼規(guī)劃建設一條5000T／D水泥生產(chǎn)線，基于當?shù)氐碾娋W(wǎng)資源短缺而同步建設2套20MW汽輪機組的自備電站，發(fā)電機出口主母線采用單母線按機分段的直配線接線方式，發(fā)電機出口10.5kV母線分別分7路饋線送到水泥工廠的各個生產(chǎn)和生活區(qū)域，由于選址兼顧礦山石灰石原料輸送方便和后期水路運輸，項目廠區(qū)內(nèi)所有配電線路均采用電纜，直配電纜總長約30km，接線如圖1所示。

圖1 孤網(wǎng)供電網(wǎng)絡電氣接線示意圖

2 系統(tǒng)電容電流的計算與接地方式的選擇

依據(jù)電力設計規(guī)程，6～35kV配電網(wǎng)一般采用小電流接地方式，小電流接地通常細分為不接地、電阻接地、消弧線圈接地（也稱諧振接地）三種接地方式，無論選擇哪種接地方式，電容電流都是選擇和判別的基礎。

2.1 電容電流計算

由于孤網(wǎng)供電系統(tǒng)主要由發(fā)電機和機端所連接的配電裝置以及水泥工廠的工藝設備組成，這些發(fā)配電回路和設備存在大小不等的對地電容，當發(fā)生接地時，接地點流過的故障電流即為上述對地電容電流。一般來說，電容電流主要來自長距離輸電電纜，設備本身產(chǎn)生的電容電流相對較小，可以忽略不計，經(jīng)初步計算發(fā)電機產(chǎn)生電容電流加以驗證。

通過查詢本項目發(fā)電機生產(chǎn)廠提供的三相對地電容值0.48μF，通過式（1）計算后僅0.91A，電流值很小。

式中，Ic1為對地電容電流，A；CF為發(fā)電機對地電容；ω為角頻率；UN為額定電壓。

電纜產(chǎn)生的單相接地電容電流計算過程如下：

式中，Ic2為接地電容電流，A；S為電纜芯線的標稱截面，mm2，Ur為線路額定線電壓，kV；L為線路長度，km。

計算孤網(wǎng)系統(tǒng)的電容電流，不僅需要考慮電廠側電纜，水泥廠側也需要考慮。整個系統(tǒng)電纜規(guī)格長度及電流計算值如表1所示。

表1 全廠電纜規(guī)格長度及電流計算值

將表1相關數(shù)據(jù)代入式（2），并考慮發(fā)電機、變壓器、電動機以及配電裝置等電氣設備的電容值，將上述求得的電纜總電容電流乘以系數(shù)1.25為全廠總電容電流的近似值，即得：

2.2 接地方式的選擇

從上述計算看出，總電容電流Ic1接近50A，考慮接地電流較大（30A以上），接地故障將產(chǎn)生穩(wěn)定的電弧，形成持續(xù)性的弧光接地，會損壞設備并造成事故進一步擴大化，所以不能采用中性點不接地方式。根據(jù)DL／T620—1997《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》相應的規(guī)定，3～20kV具有發(fā)電機的系統(tǒng)，當單相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，但結合本項目特點：①由于存在柴油發(fā)電機單獨運行時饋線回路不固定的情況，消弧線圈選型相對困難；②當單臺柴油發(fā)電機帶較少線路運行時，故障零序電流很小，受限于綜保裝置定值有下限，保護定值不易整定；③線路輸送電力時，一旦發(fā)生擊穿接地，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，間歇性弧光過電壓會使故障點的絕緣再次擊穿，采用消弧線圈不能有效地消除單相接地故障殘余電流。為了提高供電系統(tǒng)的安全性，電阻接地方式將是值得推薦的方式，當發(fā)生接地故障時，能及時、準確地切除故障點。

為限制單相接地時的過電壓倍數(shù)在2.6倍以內(nèi)，通過計算，發(fā)電機中性點需要設置電流不小于50A的電阻。如果僅通過發(fā)電機中性點接電阻的形式對系統(tǒng)故障時的電容電流進行釋放，考慮實際生產(chǎn)組織中，會存在幾臺發(fā)電機組不同組合的運行工況，當單臺發(fā)電機運行時，系統(tǒng)中的電容電流由于饋線回路的存在并未降低多少，因此，每臺發(fā)電機中性點均需設1臺不小于50A的電阻才能滿足要求，但當滿負荷生產(chǎn)時，會存在多臺機組（如2臺汽輪機，2臺柴油發(fā)電機組同時運行）運行的工況，這就導致了接地電流以（50A×發(fā)電機運行數(shù)量）的模數(shù)增加，同時，對單相接地保護區(qū)內(nèi)和區(qū)外的判別存在很大困難，保護定值的整定將需考慮到上述四臺發(fā)電機不同組合時（共8種）工況，這就增加了設計和生產(chǎn)組織的難度，且存在安全風險。

為了解決上述難題，如果在供電系統(tǒng)中人為營造一個中性點出來，采用電阻接地，有效地避免了上述接地電流以50A的模數(shù)疊加的問題，也不需要每臺發(fā)電機單獨設接地裝置。通過從系統(tǒng)母線引出接地，母線接地電阻的計算和選型考慮整個系統(tǒng)中的電容電流，同時，當發(fā)電機區(qū)內(nèi)發(fā)生接地故障時，系統(tǒng)提供的電容電流與母線接地電阻提供的電阻電流遠大于發(fā)電機自身的電容電流，利用兩個數(shù)值大小差異就能夠判別出每臺發(fā)電機區(qū)內(nèi)區(qū)外故障，有利于發(fā)電機接地保護的判別和保護定值的整定，提高繼電保護的可靠性。

2.3 中性點接地裝置的連接方式

為了兼顧系統(tǒng)和發(fā)電機，中性點接地裝置需連接在10.5kV母線上。從主母線上提供回路給專用接地變壓器，接地電阻器接到專用接地變壓器高壓側引出的中性點上，這種連接方式既可以讓所有機組運行時實現(xiàn)保護，也能讓單臺發(fā)電機獨立運行時實現(xiàn)保護。考慮主母線是單母線分段型式，母線并列運行時投入1套，母線分列運行時，每段母線投入1套。

具體接線如圖2所示。

圖2 中性點接地裝置接線方式示意圖

3 中性點接地設備的計算

母線中性點接地電阻的計算如下。

1）電阻的額定電壓選擇為：

2）電阻的阻值選擇為：

3）三相接地變壓器的容量選擇為：

其中，K為接地變壓器10s的過載系數(shù)，依據(jù)IEEE-C62.92.3相關要求（見表2），接地變壓器10s過載系數(shù)為額定容量的10.5倍，所以K選擇10.5（K應以設備制造廠家實際過載系數(shù)為準）。經(jīng)過計算，最終選擇電阻的參數(shù)見表3。

表2 中性點接地配電變壓器允許的短時間過載系數(shù)

表3 接地電阻的參數(shù)

4 結束語

中性點接地方式是一個綜合性、系統(tǒng)性、復雜的問題，它與供電的可靠性、設備絕緣水平、過電壓水平、繼電保護方式等技術密切相關，不同的接線系統(tǒng)需選擇合適的接地方式才能保障安全經(jīng)濟運行。本文只是從一種孤網(wǎng)供電系統(tǒng)的實例分析各種接地方式的特點，從而針對多機組、變工況、電纜線路多的孤網(wǎng)系統(tǒng)，提出了一種人為營造中性點并經(jīng)電阻接地的方式，解決多機組不同組合運行工況時，接地電流變化大，故障不好區(qū)分，單臺機組帶較少線路運行時定值不易整定等問題，同時避免了多臺發(fā)電機單獨設置接地裝置帶來的問題，不僅增加了孤網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，提高了接地保護的靈敏性和選擇性，也從一定程度上節(jié)省了投資。因此，采用人為營造中性點并經(jīng)電阻接地，對多機組孤網(wǎng)供電系統(tǒng)是安全可靠的，也是經(jīng)濟可行的。