國內某核電廠中壓廠用電系統中性點接地方式研究

/中國核電工程有限公司 費云艷 車皓/

0 引言

發電廠廠用電系統中性點接地方式的選擇是一個復雜的綜合性問題，它涉及發電廠的安全性、可靠性和連續性、系統的過電壓水平、設備的絕緣水平、單相接地電容電流對設備的損壞程度等許多方面的問題。由于各國電力技術的水平和條件、運行經驗等因素的不同，各個國家對這個問題的處理方式也不盡相同。核電廠初步設計時，設計院將中壓廠用電系統中性點定為不接地系統。但隨著設計深入，BOP子項的增多及電纜長度的增加導致中壓系統電容電流增大，因此設計院重新核算電容電流，并給出中性點接地方式的解決方案。

1 中壓廠用電系統中性點接地方式的設置原則

廠用電系統中性點接地方式確定的原則主要有以下幾點：

1）單相接地故障對連續供電的影響最小，廠用設備能夠繼續連續運行較長時間。

2）單相接地故障時，健全相的過電壓倍數較低，不致破壞廠用電系統絕緣水平，發展為相間短路。

3）發生單相接地故障時，能將故障電流對電動機、電纜等的危害降低到最低限度，同時又有利于實現靈敏而有選擇性的接地保護。

4）盡量減小廠用設備間的影響。

5）接地設備易于訂貨，接地保護簡單，投資少。

2 中壓廠用電系統幾種接地方式分析

廠用電系統中性點接地方式基本上可以劃分為兩大類：凡是需要斷路器遮斷單相接地故障的，屬于大電流接地方式；凡是單相接地電弧能夠瞬間自行熄滅的，屬于小電流接地方式。單相接地電流的電弧能否自動自熄是界定兩種接地方式的必要充分條件。國內研究表明，臨界的接地故障電流為10A。

在大電流接地方式中，主要有：中性點直接接地；中性點經低電阻接地；中性點經中電阻接地。

在小電流接地方式中，主要有：中性點不接地；中性點經高電阻接地；中性點經消弧線圈接地。

下面將具體分析各種接地方式的特點。

2.1 中性點不接地方式

對于中性點不接地方式，當發生單相接地故障時，線間電壓不變，流過故障點的電流為電容性電流。當廠用電系統的單相接地電容電流小于一定值時，允許連續運行1～2小時，為處理故障贏得了時間。但不接地系統有以下幾個缺點：

1）當廠用電系統單相接地電容電流大于10A時，接地電弧不能自動消除，形成穩定性電弧或間歇性電弧，可能燒壞設備或引起兩相、三相短路。

2）當發生單相穩態接地故障時，由于非故障相電壓的升高，使其絕緣老化，進而引發多點故障。

3）在廠用電不接地系統中要實現靈敏而有選擇性的接地保護比較困難。

中性點不接地方式主要適用接地電容電流小于10A的中壓廠用電系統。

2.2 中性點經高阻接地方式

高電阻接地方式為中性點經高電阻接地或中性點經二次側接電阻的配電變壓器接地。單相接地故障時，故障電流過一固定值的電阻性電流，保證饋線的零序保護動作，但是它要使總的接地電流增大。

中性點經高阻接地方式主要適用于接地電容電流小于7A，但為了降低間歇性電弧過電壓水平和便于尋找接地故障點的情況。

2.3 中性點經消弧線圈接地

單相接地故障時，中性點的位移電壓產生感性電流流過接地點，補償電容電流，將接地點的綜合電流限制在10A以下，達到自動熄弧、繼續供電的目的。中性點經消弧線圈接地方式的優點是能補償電容電流，限制健全相的瞬時過電壓，但運行比較復雜，接地設備投資增加，而且接地保護也比較復雜，在國內發電廠中運行經驗尚不多。

2.4 中性點經低電阻或中電阻接地

低電阻接地由于接地電阻較小，故在故障時的單相接地電流較大，繼電保護裝置立即動作，將故障線路切除。

中電阻接地和低電阻接地的特點基本相同，只是接地電流值相對小一些。這樣既克服了低阻接地的弊端，又保留了其優點，目前在國內的電廠已得到越來越多的應用。

3 中壓廠用電系統電容電流計算

3.1 系統單線圖（以最嚴重的一臺高廠變為例） 如圖1所示。

圖1 系統單線圖

3.2 各段母線電容電流計算情況

LGD電纜進線、饋線總電容電流：4.75A

LGC電纜饋線總電容電流：0.94A

LHB電纜饋線總電容電流：1.61A

9LGIA電纜總電容電流：5.64A

9LGIB電纜總電容電流：6.19A

9LGR001TB電纜總電容電流：3.41A（9LGR002TB至1LGC的電纜）

3.3 正常運行方式下中壓系統電容電流

方式1：

L G D+L G C+L H B+9 L G I A=1 2.9 4 A，系統總電容電流=12.94A×1.25=16.18A。

3.4 特殊運行方式下中壓系統電容電流

方式2：

9LGR001TB向1LGC供電，LGD與LGC的聯絡饋線斷開。

電纜總電容電流：

9LGR001TB+1LGC+1LHB+9LGIA=3.41+0.94+1.61+5.64=11.6A

系統總電容電流：11.6A×1.25=14.5A

方式3：

應急柴油發電機并網帶載（大修期間）

LHQ并網時：

LGD+LGC+LHB+9LGIA=3.29+0.74+1.68+5.03=10.72A

系統總電容電流10.72A×1.25=13.4A

方式4：

應急柴油發電機帶應急母線運行

電纜總電容電流： LHB=2.01A

系統總電容電流：2.01A×1.25=2.51A

4 核電廠中壓廠用電系統中性點接地方式選擇

通過上述計算可以看出，在不同運行方式下（柴油發電機組帶應急段運行除外），系統的電容電流均超過10A，當發生單相接地故障時，由于電弧不能自熄，故必須設法解決，考慮以下三個方案：

方案一：高廠變低壓側中性點不接地方案，但10A跳閘。

方案二：高廠變低壓側中性點經低阻或中阻接地。

方案三：高廠變低壓側中性點經消弧線圈并聯電阻接地。

上述三種方案中應急柴油發電機組的中性點均為不接地方式。

下面將就這三個方案具體進行分析。

4.1 中性點不接地方式（方案一）

由于中壓系統的電容電流已超過10A，單相接地故障產生的電弧通常不能自熄，其故障線路應立即跳閘，該保護通過在饋線電纜上安裝零序電流互感器實現，零序電流整定值為10A。下面將具體分析每個回路是否滿足繼電保護靈敏系數要求。為了做好繼電保護配合，有必要對電容電流的分布進行分析。

（1）電容電流分布示意圖

中性點不接地系統發生單相接地后零序電流分布的特點：

1）在非故障元件中流過的零序電流，其數值等于本身的對地電容電流，電容性無功功率的實際方向為由母線流向線路。

2）在故障元件中流過的零序電流，其數值為全系統非故障元件對地帶電容電流之總和；電容性無功功率的實際方向為由線路流向母線。

以下述典型故障為例分析：

線路5，C相故障（末端饋線）如圖2所示。

圖2 非故障線路圖

從圖2可以看出：非故障線路1、2、3、4、6的非故障相（A、B相）的電容電流通過大地經由故障線路5的故障相（C相）流回到電源。如在線路5裝設零序CT, 檢測到的零序電流為系統電容電流之和減去線路5的電容電流；線路6檢測到的零序電流為系統電容電流之和減去線路3、4、5、6的電容電流之和；線路1、2檢測到的零序電流為各自線路的電容電流。從圖中可以看出，線路3、4、5實際上是線路6的饋線，即線路6檢測到的零序電流相當于系統電容電流之和減去線路6（含線路3、4、5、6）的電容電流。符合零序電流分布的特點。

（2）保護配置方案

本電廠正常運行系統電容電流約為16A，且除柴油發電機帶應急母線運行的工況外，系統電容電流均超過10A，故電動機的單相接地保護應瞬時動作于跳閘。

式中：Iop為保護裝置一次動作電流A；

IC∑為系統的總單相接地電容電流 A；

Icx被保護線路外部發生單相接地故障時，從被保護元件流出的電容電流A

取IC∑=16A，Icx（最大）=2.3A

（IC∑-Icx）/1.3=(16-2.3)/1.3=10.54A，故Iop應小于10.54A，以保證故障時可靠動作。

選Iop=10A可以滿足要求。

4.2 中性點經低阻或中阻接地（方案二）

在高壓廠變低壓側繞組中性點和輔助變低壓側繞組中性點增加接地電阻。當發生單相接地故障，瞬時切斷故障回路。采用電阻接地系統的電阻值應考慮以下因素：

（1）滿足限制電弧接地過電壓的要求

從降低電弧接地過電壓的角度看，單相接地電流中的電阻性電流應大于等于電容性電流，電阻性電流越大，越有利于降低電弧接地過電壓。

（2）系統允許的單相接地電流受設備免遭損傷的限制

為防止電動機或變壓器發生單相接地故障時燒傷鐵心，系統允許的單相接地電流還受故障持續時間的限制。為此，系統允許的單相接地電流應滿足100t-0.4：該式表示單相接地電流（A）與電弧持續時間t（s）的關系。如故障切除時間取0.2～0.3s，則系統單相接地電流應小于200A,這個值可視為單相接地電流的上限值?？梢钥闯?，所取的單相接地電流值不宜過大。

與電動機相似，當柴油發電機并網運行時，如柴油發電機定子繞組發生單相接地故障，則故障點將通過較大的故障電流燒傷鐵芯，為日后的維護也增加了很多困難。根據供貨商提供的發電機耐受故障電流與故障時間的曲線計算出發電機允許故障電流值為250A。因此選擇接地電阻時，應將單相接地故障電流限制在250A以下。

（3）保護配置

綜上所述，接地電流應控制在40～200A之間。

繼電保護整定按照以下原則整定：

1）低廠變

躲過區外單相接地故障時流過保護安裝處單相接地電流；

躲過低壓母線三相短路最大不平衡電流。

2）中壓電動機

躲過區外單相接地故障時流過保護安裝處單相接地電流；

躲過電動機起動時零序不平衡電流。

3）中壓饋線

躲過區外單相接地故障時流過保護安裝處單相接地電流；

與下一級配合（下一級單相接地保護最大動作電流）。

4.3 中性點經消弧線圈并聯電阻接地（方案三）

（1）中性點經消弧線圈并聯電阻接地原理

消弧線圈并聯電阻接地原理如圖3所示。

該方案通過在變壓器中性點裝設消弧線圈，當發生單相接地故障時，由于消弧線圈產生的感性電流補償了故障點的電容電流，因而使故障點的殘留變小，從而達到自然熄弧的目的，防止了事故擴大；同時在消弧線圈兩端并聯電阻，當發生單相接地故障時瞬間投切電阻，向接地點注入電流有功分量，使接地點的電流幅值和相位都有明顯變化，可以選出故障線路。

（2）中性點經消弧線圈并聯電阻接地方式的應用

消弧線圈接地方式借助微機技術的支持，解決了過去長期存在的不能實現接地保護選擇性問題及消弧線圈需要人工調諧這兩個主要問題。但這一接地方式不僅需要增加自動跟蹤補償的消弧線圈及并聯接地電阻等接地設備，還要增加電壓互感器等測量元器件和自動調節及控制系統，其結構過于復雜，目前幾乎沒有在大型發電廠的運行經驗，更沒有在核電機組的運行經驗，因此其可靠性尚待進一步確認。

4.4 三種方案比較

綜上所述，可以看出：

方案一雖采用不接地系統，但當接地電流超過10A時必須跳閘，因此在供電連續性方面，方案一并沒有明顯的優勢，而且方案一中幾段電纜無法實現單相接地保護，當這幾段電纜發生單相接地故障時，由于保護不能可靠動作，切除故障回路，很可能導致事故擴大。此外方案一還受運行方式及接觸電阻的影響，整定值的確定需考慮多種因素。該方案雖與標準并不矛盾，但在國內電廠的應用較少，如采用方案一，將存在較大風險。

方案三需要增加消弧線圈自動調諧及接地選線成套裝置，雖然可以達到降低接地故障電流，自動熄弧，提高供電連續性的目的，但其結構較復雜，且目前在發電廠的廠用電系統中運行經驗較少，其設備及控制系統的可靠性尚待進一步確認，因此采用該方案也存在一定風險。

方案二雖然增加了中性點電阻柜及部分零序CT，但接線簡單可靠，并且可以獲得較好的保護靈敏性，最大限度地保護了人身及設備的安全，是國內電廠的成熟做法，雖與RCC-E標準的要求存在一定偏差，但滿足國內規范要求，因此推薦采用方案二。

5 結束語

通過上述分析，可以看出，該由于其負荷較多，且容量較大，系統的電容電流已超過10A，當發生單相接地故障時，電弧將難以自熄，形成穩定性電弧或間歇性電弧。穩定性電弧可能燒壞設備或引起兩相、三相短路。間歇性電弧可能使電網電容、電感形成振蕩回路而產生弧光接地過電壓，從而危及電氣設備的絕緣，故不接地方式已難以滿足供電連續性、可靠、安全運行的要求，所以必須設法解決。

通過分析計算可以看出，如采用方案一，部分回路的保護配置無法滿足靈敏系數的要求，且該運行方式在國內運行經驗不多；方案三雖然可以到達降低接地故障電流，自動熄弧，提高供電連續性的目的，但其結構較復雜，且目前在發電廠的廠用電系統中運行經驗較少，其設備及控制系統的可靠性尚待進一步確認，采用該方案存在一定風險；故建議采用方案二，即成熟的低電阻或中阻接地方式。

該方式雖與RCC-E標準存在一定偏差，但符合國內相關標準規定；同時在國內其他堆型的核電站中，中性點接地方式也并非一定采用不接地方式，如田灣1、2號機組VVER技術采用中阻接地，三門海陽AP1000技術采用小電阻接地方式。因此，該核電廠中壓廠用電系統中性點接地方式采用方案二是可行的。

此外，在后續工程中，建議考慮以下方案。從4.2節的計算可以看出，目前公用段9LGIA、9LGIB的電容電流較大，且不同工程，由于業主的需求與廠址的變化，其電容電流變化較大。故在后續M310工程中，可考慮在BOP區域設置一個變電站，分設兩段母線，母線間設聯絡開關，母線電源分別通過2臺變壓器與1LGC和2LGC連接。所有BOP區域的負荷均從該變電站引接，位于核島的負荷由原9LGIA、9LGIB段引接。由于核島、常規島的負荷及設備布置相對固定，因此對于不同廠址的M310堆型，均可將系統電容電流控制在10A以內，從而保證了系統供電的連續性，滿足RCC-E標準的要求。

[1] 要煥年,曹梅月.電力系統諧振接地[M].北京:中國電力出版社,2009.

[2] 張保會,尹項根.電力系統繼電保護[M].北京:中國電力出版社,2006.

[3] 電力工程電氣設計手冊(電氣一次部分、電氣二次部分)[M].北京水利電力出版社,1998.

[4] 韋鋼.電力系統分析基礎[M].北京:中國電力出版社,2010.

[5] 高春如.大型發電機組繼電保護整定計算與運行技術[M].北京:中國電力出版社,2006.

[6] GB16895.11-2001 低壓電氣裝置對暫時過電壓和高壓系統與地之間的故障的防護[S].

[7] RCC-E（1993） 壓水堆核電站核島電氣設備設計和建造規則[S].

[8] DL/T 5153-2002 火力發電廠廠用電設計技術規定[S].

[9] DL/T620-1997 交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合[S].

[10] 李錫芝.發電廠廠用電系統中性點低電阻接地方式淺析[C].