自備電廠系統中性點接地方式探討

駱志恩

（中冶京誠（秦皇島）工程技術有限公司 河北 秦皇島 066004）

系統中性點接地方式是一個綜合性的、系統性的問題[1－2]，既涉及到供配電系統的安全可靠性，也涉及到供配電系統的經濟性。中性點接地方式直接影響到系統設備絕緣水平、系統過電壓水平、過電壓保護元件的選擇、繼電保護方式、系統的運行可靠性。具有發電機的系統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、中性點經消弧線圈接地方式、中性點經電阻接地方式。在選擇中性點接地方式時，應根據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、經濟、合理的中性點接地方式[3－4]。

下面結合凌鋼熱電廠系統中性點接地方式選用中性點經低電阻接地方式，對自備電廠系統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、實現循環經濟和可持續發展建設企業的環保目標的配套項目，建設一座2×130t/h次高壓蒸汽鍋爐及2×25 MW抽汽式發電機組自備熱電廠。發電機出口主母線采用單母線按機分段的接線方式，發電機出口10.5 kV母線分別經兩臺主變接入凌鋼新區66 kV總降壓變電站35 kV系統，與電力系統并網，同時直接饋出若干條10 kV電源線路給原料廠和其他車間。本項目廠區內所有配電線路均采用電纜，直配電纜線路長度約4 km。

2 系統中性點接地方式的選擇

系統發生單相接地故障時，接地故障電流主要取決于電網對地的電容電流，而電容電流有電力線路和電力設備（發電機、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。根據有關估算公式，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。

將工程相關數據代入公式（1）即得：

此工程中性點接地方式的選擇主要依據以下幾點：

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。由于其結構簡單、投資省、運行經濟，且供電可靠性、連續性高被廣泛采用，應當首選。但是根據《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條的規定[5]，3～20 kV具有發電機的系統，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，在發生單相接地故障不要求瞬時切除時，應采用中性點經消弧線圈接地方式；可以要求瞬時切除時，宜采用中性點經電阻接地。

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消弧線圈接地方式或中性點經電阻接地方式。

2）線路特點

至于采用中性點經消弧線圈接地方式和中性點經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中性點經消弧線圈接地方式

中性點經消弧線圈接地方式，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掉，流過接地故障點的接地故障電流僅為補償后數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“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中，電纜發生單相弧光接地時，消弧線圈卻無法消弧，保障系統供電的安全性。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——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中性點經電阻接地方式

中性點經電阻接地方式，即是在中性點與大地之間接入一定電阻值的電阻[6]。當電網發生單相接地故障時，由于人為地增加了一個與電網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增大，便于檢測到故障。中性點經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。R0是系統等值零序電阻，Xc0是系統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幾乎全部采用電纜線路，有如下特點：

1）受外界環境條件（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。在中性點經消弧線圈接地系統中，由于查找故障點時間較長，電纜長時間承受工頻或暫態過電壓作用，易發展成相間故障，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中，在單相接地時，經常發生來不及找出故障線路，非故障線路就發生電纜爆炸的情況。

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

3）供電可靠性

中性點經低電阻接地方式，當發生單相接地故障時，是通過切除故障線路來保障電網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電機與系統并網。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的第二路電源，雙電源供電，滿足供電要求。所以整個系統的供電可靠性并沒有因為采用中性點經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斷路器、隔離開關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生的零序磁通，并將一、二次系統隔離。接線簡單，設備少，節省投資。但是本工程發電機系統帶直配電源回路，有可能脫網，自成一個獨立的電網運行，倘若這時發生單相接地故障，接在主變二次側的接地裝置將不能對發電機的系統完成保護功能。整個系統就成了中性點不接地系統，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系，通過設置Bushing徑向剛度、軸向剛度和角剛度的數值來模擬軸承。由于軸承的阻尼很小，因此在本章中忽略不計。根據軸承類型選取位移剛度數值為Kx=1.84e5、Ky=1.84e5、Kz=2.6e5，選取的角度剛度數值為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）經開關柜連接在主母線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并網時實現保護功能，又可以在發電機系統獨立運行時實現保護功能。所以本工程采用中性點接地裝置經開關柜連接在主母線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。

將數據代入公式（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結法，即接地變壓器由6個繞組組成，每一鐵心柱上有2個繞組，然后反極性串聯成曲折形的星形繞組。曲折形聯結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，當系統發生單相接地故障時，接地電流通過曲折變的接地阻抗，進入曲折變的中性點。由于該變三繞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。

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低電阻接地方式，中性點接地裝置經開關柜連接在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，保障系統能安全、可靠運行，此方案是可行的、優越的，接地裝置的選擇是合理的，故采用此中性點經低電阻接地方式。

5 結束語

工礦企業尤其是冶金行業自備電廠供配電網絡幾乎全部采用電纜線路，特別是已經運行多年的電網，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，或為了節省電纜投資，降低電纜對地的絕緣水平，當系統在發生單相接地故障時，為避免事態擴大，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，自備電廠系統中性點接地方式采用經低電阻接地，接地裝置參數選擇合理，當發生接地故障時，保護裝置能及時、準確地切除故障點，保障系統安全、可靠運行，應是優選方案，是合理的、經濟的、切實可行的。

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[6]張述志.系統中性點電阻接地技術[C]//四川省電工技術學會第七屆學術年會論文集，2003.