鋼鐵企業(yè)中壓供配電系統(tǒng)改低電阻接地方式研討

高大全，李 星，楊余杰

（攀鋼集團(tuán)攀枝花鋼釩有限公司能源動(dòng)力分公司，四川攀枝花 617000）

前言

大多數(shù)運(yùn)行多年的鋼鐵企業(yè)6～35 kV 供配電系統(tǒng)采用電纜供電，其中性點(diǎn)均采用不接地或經(jīng)消弧線圈接地的方式，但隨著生產(chǎn)規(guī)模的發(fā)展以及供用電負(fù)荷的增加，供配電系統(tǒng)接地電容電流已大幅超過(guò)當(dāng)初設(shè)計(jì)時(shí)的限值，原有的消弧補(bǔ)償容量已不足，在供配電系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，容易造成電氣設(shè)備絕緣損壞、電纜火災(zāi)等事故，嚴(yán)重影響6～35 kV供配電系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

企業(yè)隨著供配電系統(tǒng)的升級(jí)改造，逐步實(shí)現(xiàn)了供配電變電站分區(qū)域集中監(jiān)控、變電站無(wú)人或少人值守的模式。在現(xiàn)有配電系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式下，如發(fā)生單相接地故障，仍需依靠值班人員在調(diào)度指令下拉合配出回路來(lái)查找判斷接地故障的回路。經(jīng)常在故障查找隔離處置過(guò)程中會(huì)發(fā)生相應(yīng)配出回路過(guò)流保護(hù)動(dòng)作跳閘、電纜放炮著火等事故。因此，配電系統(tǒng)原有的中性點(diǎn)接地方式已不適應(yīng)企業(yè)供配電區(qū)域集中監(jiān)控、變電站無(wú)人或少人值守的運(yùn)行管控要求。

近年來(lái)，新建投運(yùn)的大型發(fā)電廠的廠用電系統(tǒng)或大型企業(yè)的中壓配電系統(tǒng)，普遍采用的是低電阻接地方式，該接地方式具有系統(tǒng)配置簡(jiǎn)單、投資費(fèi)用小、可降低系統(tǒng)過(guò)電壓水平、防止電纜著火、快速隔離故障等優(yōu)點(diǎn)。由于仍有部分技術(shù)人員對(duì)中壓供配電系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式改低電阻接地方式存在疑慮，為證明該接地方式的可行性，通過(guò)對(duì)配電系統(tǒng)現(xiàn)有接地方式存在的問(wèn)題及低電阻接地方式優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，并輔以故障案例及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，論證中壓供配電系統(tǒng)中性點(diǎn)接地改低電阻接地方式的必要性，為企業(yè)實(shí)施中壓供配電系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式改造提供借鑒。

1 中性點(diǎn)接地方式的行業(yè)狀況及存在問(wèn)題

大型鋼鐵企業(yè)具有電力負(fù)荷密度大、供電可靠性要求高、供配電線路以電力電纜為主等特點(diǎn)。供配電系統(tǒng)95%以上配出均采用電纜線路，且隨著電纜長(zhǎng)度不斷增加，配電系統(tǒng)的接地電容電流水平不斷提高，甚至可達(dá)百安培以上（攀鋼某110 kV 變電站的6 kV母線并列運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)電容電流在110 A左右，多個(gè)110 kV變電站的6～10 kV單段母線接地電容電流在30～70 A）。不斷增加的單相接地電容電流已不適用中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地的運(yùn)行方式，已不能滿足當(dāng)前企業(yè)對(duì)供配電系統(tǒng)區(qū)域集控運(yùn)行、無(wú)人或少人值守的運(yùn)行要求。當(dāng)在配電系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，易造成故障損失擴(kuò)大，影響企業(yè)供配電系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

2 中壓供配電系統(tǒng)改中性點(diǎn)低電阻接地系統(tǒng)的分析

中壓供配電系統(tǒng)中性點(diǎn)一般采用非有效接地方式，主要有不接地、經(jīng)消弧線圈接地、低電阻接地3種方式［1］。

中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地，就是在配電系統(tǒng)變壓器中性點(diǎn)或接地變壓器一次側(cè)中性點(diǎn)接入適當(dāng)?shù)碾娮?，該電阻與系統(tǒng)對(duì)地電容構(gòu)成并聯(lián)回路。中性點(diǎn)經(jīng)低電阻接地方式中，一般選擇較小的電阻值，在系統(tǒng)單相接地時(shí)，可以控制流過(guò)接地點(diǎn)的電流在150～1 000 A 左右，通過(guò)各配出開(kāi)路的零序電流互感器接入微機(jī)保護(hù)裝置，沿著供電電源的供電方向，依靠零序過(guò)流保護(hù)定值逐級(jí)配合，在發(fā)生單相接地時(shí)啟動(dòng)相應(yīng)回路的接地零序保護(hù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)接地故障回路的準(zhǔn)確定位，有選擇性就近切除。低電阻接地方式尤其適用于遠(yuǎn)程集中監(jiān)控與無(wú)人值守的配電系統(tǒng)，在系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，不再需要按傳統(tǒng)方式依靠調(diào)度人員指揮各變配電站所崗位人員輪流試切配出開(kāi)路來(lái)確認(rèn)具體故障回路，也不需要各用電負(fù)荷的生產(chǎn)線人員配合查找，大幅降低調(diào)度及運(yùn)行崗位人員的操作量，同時(shí)大幅降低系統(tǒng)過(guò)電壓水平及接地故障持續(xù)時(shí)間。一般發(fā)生單相接地故障后，按接地故障零序電流保護(hù)逐級(jí)配合時(shí)限，僅需0.2～1.5 s即可切除接地故障回路。

低電阻接地方式的主要優(yōu)點(diǎn)［1］：

（1）接地故障時(shí)，非故障相電壓不會(huì)明顯升高，可以將弧光接地過(guò)電壓限制在較低的水平。

（2）克服了不接地系統(tǒng)的鐵磁諧振與消弧線圈接地系統(tǒng)的串聯(lián)諧振問(wèn)題。

（3）繼電保護(hù)配置比較簡(jiǎn)單，零序過(guò)流保護(hù)有較高的靈敏度，易檢出接地線路，故障定位準(zhǔn)確，可以迅速切除接地故障線路，運(yùn)行維護(hù)方便。

（4）系統(tǒng)電容電流增大時(shí)，不需要對(duì)接地裝置進(jìn)行擴(kuò)容改造。

（5）將雙重接地（異相故障）的機(jī)率削減至最低，最大程度降低電纜接地放炮引發(fā)著火事故的可能性，可以減少工廠電纜隧道加裝水霧滅火的配置。

但低電阻接地方式也存在明顯的缺點(diǎn)：

（1）瞬時(shí)性故障也會(huì)導(dǎo)致跳閘，使供電可靠性降低。國(guó)內(nèi)外統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，消弧線圈接地系統(tǒng)改造后短時(shí)停電次數(shù)增加1 倍左右，長(zhǎng)時(shí)間停電次數(shù)增加10%。對(duì)于電纜供電系統(tǒng)，電纜故障一般都是永久性的、幾乎無(wú)瞬時(shí)性故障。

（2）不利于實(shí)現(xiàn)對(duì)經(jīng)高電阻接地的保護(hù)，但對(duì)電纜供電的配電系統(tǒng)不存在架空導(dǎo)線可能發(fā)生的墜地與“樹(shù)閃”之類的高阻故障。

（3）單相接地故障電流大、接地點(diǎn)地電位升高幅度大，存在接觸電壓與跨步電壓觸電風(fēng)險(xiǎn)。

3 單相接地故障案例分析與電容電流實(shí)測(cè)

3.1 單相接地故障案例分析

某鋼鐵企業(yè)6～35 kV 配電系統(tǒng)每年均發(fā)生多次單相接地故障。接地故障發(fā)生后，接地選線裝置不能準(zhǔn)確選線，需在生產(chǎn)工序配合下，結(jié)合部分小電流選線裝置的選線信號(hào)，由值班人員依靠拉合有關(guān)配出饋線的方法來(lái)尋找故障回路，故障處理時(shí)間較長(zhǎng)，多次在發(fā)生單相接地故障幾分鐘內(nèi)就出現(xiàn)配出開(kāi)路過(guò)流保護(hù)跳閘事故。如10 kV 電纜配出開(kāi)路送電后曾發(fā)生間歇性反復(fù)接地，該10 kV 配電系統(tǒng)自動(dòng)消弧補(bǔ)償裝置的容量已不能滿足逐步增加的接地電容電流要求，發(fā)生單相接地后2～20 min 內(nèi)，10 kV 電纜配出開(kāi)路跨回路出現(xiàn)多次異相接地，形成相間短路，相繼導(dǎo)致多回路過(guò)流保護(hù)跳閘，引發(fā)電纜隧道火災(zāi)，燒毀多回路電纜，迫使燒結(jié)、煉鐵工序全部停產(chǎn)，損失巨大。

作為比對(duì)，某鋼鐵企業(yè)自備電廠（300 MW 機(jī)組、6 kV）廠用電系統(tǒng)，由于采用了低電阻接地系統(tǒng)（接地電阻9.09 Ω、10 s，接地電流400 A），其6 kV 細(xì)碎煤機(jī)在2021 年1 月因轉(zhuǎn)子上風(fēng)扇固定銷(xiāo)子脫落導(dǎo)致電機(jī)繞組端部絕緣輕微損傷，在啟動(dòng)時(shí)發(fā)生接地零序過(guò)流保護(hù)，在0.33 s 時(shí)動(dòng)作跳閘（接地過(guò)流零序保護(hù)定值整定為60 A、0.3 s）。經(jīng)檢查該電機(jī)單相接地故障點(diǎn)損傷程度較小，微機(jī)保護(hù)裝置記錄保護(hù)跳閘時(shí)二次零序電壓僅13.2 V、零序電流一次值約129 A，對(duì)機(jī)組廠用電系統(tǒng)運(yùn)行未造成任何影響。該案例充分驗(yàn)證了低電阻接地系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。

3.2 電容電流實(shí)測(cè)

配電系統(tǒng)電容電流大小與該系統(tǒng)的電壓等級(jí)、電纜截面積及電纜長(zhǎng)度密切相關(guān)。在設(shè)計(jì)階段往往僅初步考慮了電源側(cè)變電站的電容電流，而負(fù)荷側(cè)的電容電流未一并考慮，因此造成配電系統(tǒng)的實(shí)際電容電流值超過(guò)規(guī)范要求的10 A，而配電系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式依然采用不接地或經(jīng)消弧線圈接地方式，為后期的安全穩(wěn)定運(yùn)行埋下了隱患。

為掌握企業(yè)配電系統(tǒng)的實(shí)際電容電流，用電容電流測(cè)試儀對(duì)部分變電站中性點(diǎn)不接地的6～35 kV配電系統(tǒng)的電容電流進(jìn)行測(cè)試。

（1）制氧空分系統(tǒng)：該系統(tǒng)為10 kV 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，測(cè)試時(shí)該段由1臺(tái)變壓器供電，其總負(fù)荷電流為423.6 A，功率為6.9 MW，功率因數(shù)是0.90，電容電流為18.93 A。顯然其電容電流超過(guò)了不接地系統(tǒng)允許的規(guī)范限值要求。

（2）熱軋加熱爐與連鑄加熱爐系統(tǒng)：該系統(tǒng)為35 kV 中性點(diǎn)不接地供電系統(tǒng)，測(cè)試時(shí)總負(fù)荷電流為362 A，功率為2.7 MW，無(wú)功為-23.9 MVar，電容電流為16.21 A。

（3）新建投運(yùn)的某110 kV 變電站10 kV 配電系統(tǒng)：該系統(tǒng)為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，其中一段母線的電容電流測(cè)試為27.75 A，另一段母線電容電流為35.97 A。而變電站設(shè)計(jì)時(shí)僅考慮該新建站10 kV母線的電容電流不超8 A，故實(shí)際電容電流值不滿足國(guó)家相關(guān)規(guī)范對(duì)中性點(diǎn)不接地的技術(shù)要求。

通過(guò)以上配電系統(tǒng)電容電流實(shí)測(cè)，可知單臺(tái)變壓器供電系統(tǒng)的電容電流均超過(guò)規(guī)范要求，若考慮電源側(cè)母線段并列運(yùn)行，其電容電流將更大。由于電網(wǎng)發(fā)展的變化，消弧線圈的補(bǔ)償容量已很難滿足工程最終規(guī)模的需要，以電纜配出為主的大型企業(yè)在6～10 kV 配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，原有的消弧線圈運(yùn)行在過(guò)補(bǔ)償?shù)臈l件已難以滿足，對(duì)于中性點(diǎn)不接地的配電系統(tǒng)在發(fā)生單相接地時(shí)容易發(fā)生電磁諧振，諧振過(guò)電壓對(duì)電纜配出系統(tǒng)的安全運(yùn)行將帶來(lái)較大風(fēng)險(xiǎn)，可能造成設(shè)備燒毀炸裂等事故，因此，有必要將原中壓供配電系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式改為低電阻接地方式。

4 改造所涉及相關(guān)問(wèn)題的分析

4.1 低電阻接地系統(tǒng)對(duì)一級(jí)、二級(jí)用電負(fù)荷的影響及對(duì)策

部分企業(yè)對(duì)配電系統(tǒng)改為中性點(diǎn)低電阻接地系統(tǒng)存在顧慮，原因是技術(shù)人員擔(dān)心配電系統(tǒng)中性點(diǎn)改為低電阻接地方式后，一旦發(fā)生配出回路單相接地故障，該配出回路的零序電流保護(hù)將快速動(dòng)作，切除故障回路，導(dǎo)致該回路供電中斷，影響生產(chǎn)。

實(shí)際上配電系統(tǒng)改為低電阻接地系統(tǒng)后，當(dāng)單相接地故障發(fā)生時(shí)，由沿著電源供電方向靠近故障點(diǎn)的零序電流保護(hù)動(dòng)作，有選擇性地快速切除故障源，可避免事故進(jìn)一步擴(kuò)大，并且可以幫助運(yùn)檢人員快速排查故障點(diǎn)，避免因單相接地產(chǎn)生的過(guò)電壓及接地點(diǎn)故障電容電流對(duì)設(shè)備絕緣的進(jìn)一步破壞，整體上更加安全和經(jīng)濟(jì)。

此外，廠內(nèi)重要負(fù)荷一般均有兩個(gè)及以上獨(dú)立電源作為工作電源，配電系統(tǒng)主接線基本為單母線分段接線，重要的電機(jī)負(fù)載一般均有備用或其它安保措施，其中一路電源或負(fù)荷發(fā)生單相接地故障跳閘對(duì)生產(chǎn)影響是有限的，對(duì)重要負(fù)荷的電源系統(tǒng)，若配置電源快速切換裝置，可大幅提升安全運(yùn)行水平。目前新建大型鋼鐵企業(yè)配電系統(tǒng)及電廠廠用電系統(tǒng)通常都采用了低電阻接地系統(tǒng)，多年的運(yùn)行效果也證明了低電阻接地系統(tǒng)對(duì)用電負(fù)荷安全及供電可靠性沒(méi)有顯著影響，對(duì)供電系統(tǒng)的故障查找、故障處理、配電系統(tǒng)安全運(yùn)行更為有利。

4.2 低電阻接地系統(tǒng)對(duì)繼電保護(hù)的要求

目前企業(yè)新建或改造的配電系統(tǒng)項(xiàng)目均采用微機(jī)型綜合保護(hù)裝置，具有接地零序電流保護(hù)功能。對(duì)于以前采用電磁式保護(hù)及沒(méi)有配備接地零序電流保護(hù)功能的老舊微機(jī)保護(hù)裝置則需要進(jìn)行改造更換，且應(yīng)配置專用的接地零序電流互感器。對(duì)于每相并聯(lián)有多根電纜的配出開(kāi)路，若沒(méi)有特別定制的零序電流互感器，則需配置多個(gè)零序電流互感器，其二次回路應(yīng)按相同極性并聯(lián)后，引出接到微機(jī)保護(hù)裝置的零序保護(hù)回路上。此處應(yīng)特別注意，不能將多個(gè)零序電流互感器二次串聯(lián)，一些企業(yè)將每相并聯(lián)有多根電纜的多個(gè)零序互感器二次串聯(lián)接入保護(hù)，造成了并列倒閘操作時(shí)零序保護(hù)誤動(dòng)。［2］

接地零序保護(hù)的定值整定應(yīng)滿足《廠用電繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則》（DL∕T 1502—2016）及《3 kV～110 kV 電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置運(yùn)行整定規(guī)程》（DL∕T 584—2017）中的相關(guān)要求。

對(duì)于直接電動(dòng)機(jī)配出回路，其接地零序電流保護(hù)定值應(yīng)躲過(guò)正常啟動(dòng)時(shí)最大不平衡電流，并具有5～6 的靈敏系數(shù)，其動(dòng)作時(shí)間可按0.10～0.20 s整定。

對(duì)于負(fù)荷的電源供電回路，接地零序保護(hù)定值宜具有4～5的靈敏系數(shù)，且應(yīng)可靠躲過(guò)負(fù)荷的最大不平衡電流，其動(dòng)作時(shí)限應(yīng)滿足上下級(jí)之間的配合關(guān)系，時(shí)差按0.25～0.30 s 整定?！? kV～110 kV 電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置運(yùn)行整定規(guī)程》（DL∕T 584—2017）中建議10～35 kV 低電阻接地系統(tǒng)中接地電阻宜為5～30 Ω，單相接地故障時(shí)零序電流以1 000 A 左右為宜。但考慮到6～35 kV 配電系統(tǒng)單相接地時(shí)零序電流保護(hù)的靈敏度、過(guò)電壓倍數(shù)等因素，建議在6～10 kV 配電系統(tǒng)中，宜將單相接地故障電流限制在300～500 A，一般以400 A 為宜；35 kV配電系統(tǒng)單相接地故障電流宜限制在400～600 A。此外，對(duì)于中性點(diǎn)低電阻接地系統(tǒng)的35 kV母線系統(tǒng)，在滿足系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，一般不宜再配置35 kV母線保護(hù)。

4.3 直接接有小容量發(fā)電機(jī)組的接地保護(hù)配置

鋼鐵企業(yè)6～10 kV 配電系統(tǒng)中，往往有直接并入的小容量發(fā)電機(jī)組（如TRT 機(jī)組與余熱余汽發(fā)電機(jī)組等）。發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)采用不接地或經(jīng)消弧線圈接地方式時(shí)，當(dāng)發(fā)電機(jī)內(nèi)部發(fā)生單相接地故障，接地電流數(shù)值如小于發(fā)電機(jī)的允許值，則發(fā)電機(jī)可以繼續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間，否則應(yīng)及時(shí)停機(jī)。

在配電系統(tǒng)改造為低電阻接地系統(tǒng)后，單相接地故障電流可能會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)的定子與鐵芯造成不同程度的損傷，因此，需對(duì)這些小容量發(fā)電機(jī)配置接地零序電流保護(hù)，以實(shí)現(xiàn)單相接地故障時(shí)快速跳閘（0.3～0.5 s）。

4.4 對(duì)運(yùn)行方式的要求

按《3 kV～110 kV 電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置運(yùn)行整定規(guī)程》（DL∕T 584—2017），低電阻配電系統(tǒng)運(yùn)行主要考慮以下原則：

（1）低電阻接地系統(tǒng)必須且只能有一個(gè)中性點(diǎn)接地運(yùn)行，當(dāng)接地變壓器或中性點(diǎn)電阻失去時(shí)，發(fā)生接地故障，供電變壓器的同級(jí)斷路器應(yīng)斷開(kāi)。

（2）在改造過(guò)渡期間，低電阻接地系統(tǒng)所有配出回路的接地零序電流保護(hù)均投跳閘。若不接地系統(tǒng)與低電阻接地系統(tǒng)進(jìn)行電源切換時(shí)，應(yīng)增設(shè)電源快速切換裝置，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)不同接地系統(tǒng)的快速切換（并列時(shí)間小于0.2 s），杜絕采用傳統(tǒng)的手動(dòng)操作電源并列切換模式，以免兩個(gè)不同中性點(diǎn)接地系統(tǒng)在手動(dòng)并列切換時(shí)，發(fā)生單相接地故障。

4.5 低電阻接地系統(tǒng)改造配合問(wèn)題

鋼鐵企業(yè)供配電系統(tǒng)中性點(diǎn)低電阻接地方式改造涉及多個(gè)配電所，工作量較大且需相應(yīng)生產(chǎn)線設(shè)備停運(yùn)配合。改造應(yīng)先將某供電系統(tǒng)內(nèi)所有配出負(fù)荷的接地零序電流接入微機(jī)保護(hù)，完成定值設(shè)置與調(diào)試，確認(rèn)各級(jí)變配電所接地網(wǎng)的接地電阻滿足要求后，再開(kāi)始接地變壓器及其接地變保護(hù)系統(tǒng)的改造。因改造需涉及生產(chǎn)各工序協(xié)調(diào)配合停電，預(yù)計(jì)全部改造工作需要耗時(shí)1年左右。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析單相接地故障案例并現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)供配電系統(tǒng)的電容電流，證實(shí)了大型鋼鐵企業(yè)供配電系統(tǒng)中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地方式不僅不能滿足國(guó)家相關(guān)規(guī)范要求，影響供配電系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，而且也不能滿足對(duì)變電站所實(shí)施集中監(jiān)控或無(wú)人、少人化值守的要求。因此，在大型鋼鐵企業(yè)6～35 kV 供配電系統(tǒng)中采用中性點(diǎn)低電阻接地系統(tǒng)應(yīng)是優(yōu)先選擇。