變壓器-電動組供電方式下中性點接地方式探討

◎萬收蘭

在目前國內中壓配電系統的中性點接地方式由傳統的不接地方式普遍改為低電阻接地方式的環境下，對由單獨的變壓器供電的大電機的來說，其變壓器低壓側中性點接地方式的確定成為用戶關心的問題。因為配電系統中性點接地方式對于電機及其配電裝置安全穩定運行極為重要。本文通過工程項目的實際應用，對相關設計規范和設計手冊的研究比較，最后得出在變壓器低壓側中性點接地方式的確定，需要依據不同的配電系統的設置情況來確定。

一、前言

工業配電系統的運行要求在電氣上與公共電網隔離，這種隔離一般是通過變壓器二次側中性點的接地實現的。通常采用的接地方式有中性不接地方式、經消弧線圈接地和經低電阻接地方式。這些不同的接地方式都只是在配電系統出現接地故障后，其中性點才發生臨時性接地的工況。

石化企業生產裝置的中壓配電系統的中性點接地方式，傳統的方式為不接地方式，其用電負荷大多數是電動機，且負荷比較集中。供電線路基本為交聯聚乙烯絕緣（XLPE）電纜，配電系統電容電流比較大。同時，石化裝置的用電負荷中經常會有大容量的電機，這些大容量電機一般情況下功率值大于5000kW，考慮其啟動裝置的建設投資費用和后期維護費用，采用變壓器-電動機組的供電方式通常是理想的選擇。對這種因解決大電機啟動問題應用而生的變壓器-電動機組供電系統，其變壓器低壓側中性點的接地方式，長期以來也是中性點不接地方式。

二、傳統的中性點接地方式所帶來的問題及近年來的改進

傳統的中性點不接地方式，對地而言系統的中性點是絕緣的，結構簡單，運行維護方便，不用附加設備，投資費用少。發生單相接地故障時產生的電流很小，如若接地故障是在瞬間產生，系統通常情況下能夠自動熄弧。根據相關規定，出現單相接地故障后，中性點不接地系統持續工作時間不得超過兩小時。從而既保證了一定的時間以排除故障，又提高了供電系統的可靠性。但是由于該系統中大量電力電纜的使用，使其有比較大的電容電流，再加之中性點是絕緣的，導致電網的對地電容中存儲了大量的電荷而沒有相應的通路進行釋放，出現弧光接地時，電弧有時會不斷熄滅與重燃給電容持續充電和放電，而由于中性點的絕緣特性使對地電容不能釋放能量，導致電壓逐漸攀升，最后形成弧光接地過電壓或者諧振過電壓，過高的電壓會對電氣設備絕緣造成破壞。

因此，近年來，經低電阻接地的方式越來越多地在中壓配電系統中被采用。這種系統能夠有效地抑制系統在單相接地時的弧光故障過電壓，從而保護電氣設備的絕緣不受或少受損壞，提高設備的絕緣壽命；同時因其單相接地時的電流大，能夠快速切除單相接地故障，提高系統安全水平，降低人身傷亡事故。其缺點為，當電纜發生單相接地時，故障電流較大；另外單相接地時較大的故障電流會對通信電子設備造成較大的干擾。

基于以上兩種接地方式的利弊，近年來有用戶對原有中性點不接地方式逐步改造為中性點經小電阻接地方式，或在新上項目的配電系統的中性點采用小電阻接地方式。那么對于同一裝置的變壓器-電動機組的供電方式，是和整個裝置的配電系統一樣采用中性點經小電阻接地，還是沿用傳統的不接地方式呢？

三、變壓器-電動機組供電系統接地方式確定的工程實例應用

1.工程項目應用中問題的提出。

石化裝置的對大容量電機采用的變壓器-電動機組供電方式，是考慮大電機啟動時不對系統中其它正常運行的負荷產生影響，因此需啟動時供電母線的電壓降落必須滿足的保證值，另外這種啟動方式簡單可靠，經濟性能好。所以變壓器-電動機組供電方式在石化裝置中應用很廣。另外電機配線采用XLPE電纜，配電柜距電機幾百米的距離，系統電容電流很小，一般約幾個安培。這種系統如果采用中性點不接地系統，發生單相接時，接地電流很小，不會形成穩定的電弧。據相關實驗研究表明，電纜單相接地時的熄弧下限與其絕緣型式密切相關，對交聯聚乙烯絕緣電纜來說，接地電流不大于10A時電弧可以熄滅。因此一般不會對電纜和電機的絕緣造成永久性損害。但是因為這種系統在出現單相接地時允許運行一定時間，如果不及時排除故障，有可能發展為多點接地或相間短路，從而損壞電纜和設備的絕緣以致影響壽命。

下圖1為某工程實例中，變壓器-電動機組結線方式下的系統簡圖。項目實施中，就其中性點的接地方式和電機廠商進行了論證，用戶希望在發生接地故障時，從減少弧光接地過電壓從而減小對電機絕緣的損壞的角度考慮采用中性點低電阻接地方式。

圖1：某工程項目的變壓器-電動機組供電系統簡圖

2.方案探討及確定。

針對用戶提出的系統按地方案，電機廠商認為采用低電阻接地系統在接地時的故障電流太大，對電機繞組造成損害的影響比前者更大，并提供了電機的實驗室曲線——單相接地時通過繞組的接地電流和允許時間的曲線，如下圖2。從曲線可以看出，即使選中性點接地電流最小為100A，持續時間0.1秒多也會對繞組造成一定程度的損壞。

圖2：通過電機的接地電流和允許時間曲線

可以看出，從減小單相接地時的弧光過電壓從而保護電機絕緣的角度出發，選擇中性點低電阻接地是不錯的選擇，但因其接地時比較大的接地電流會流過電機這一系統中唯一的用電負荷，從而對電機繞組造成損壞。這種損壞發生的可能性要高于不接地方式在接地故障時弧光間歇過電壓對電機絕緣造成損害。因為以下兩個原因，第一是因為供電電纜為XLPE電纜，單相接地造成的電弧可以熄滅，從而可以避免弧光過電壓。第二，對于不接地方式來說，即使發生了間歇性弧光故障過電壓，其最高為3.5倍的相電壓，而配電設備（如開關柜、變壓器等）和電機的絕緣水平，在國標GB/T50064-2014的表6.4.6和GB/T 22715-2016的表1中分別都有規定，通過比較可以看出電氣設備的額定耐受電壓的數值都高于間歇性弧光故障過電壓可能出現的最大值。比如對于10kV電機來說，其耐沖擊電壓水平最小應值應滿足如下值：

而不接地系統在單相接地時產生的間歇地弧光故障過電壓最高為：

Up‘>Uf，所以，從電機制造的角度來說，其絕緣水平就保證了要滿足回路單相接地時的弧光故障過電壓。為避免采用中性點電阻接地方式過大的故障電流損壞電機繞組，對這種接地線方式來說，最后還是確定采用中性點不接地方案。

四、結語

發生接地故障時保護電機絕緣免受故障過電壓的損壞和避免較大的接地電流損壞電機定子繞組是一個兩難選擇，如何選擇還需要根據系統和負荷情況綜合考慮確定。對于N-1電源的配電系統，由于系統中有比較大的電容電流，單相接地時產生弧光間歇過電壓的可能性稍大，保護電氣設備絕緣不受損壞和防止絕緣擊穿比故障時大的接地電流對設備造成原危害有更大的經濟價值，所以采用中性點低電阻接地系統是一個不錯的選擇。對于為大電機供電的變壓器-電動機組的系統，發生接地故障時，避免大的接地電流損壞電機定子繞組有更重要意義，所以采用中性點不接地方式更合適。