考慮雜散電流和轉移過電壓的接地方式選擇

郭忠華

（中海石油葫蘆島精細化工有限責任公司，遼寧 葫蘆島 125000）

0 引 言

LNG/CNG天然氣三級加氣站地理位置分散，用電負荷一般不超過315 kVA，出于占地空間限制、經濟性以及負荷容量考慮，三級加氣站不會建造獨立的高壓變電所，供電系統一般選擇戶外柱上變壓器臺方式。根據電網公司規定，該方式下用戶在10 kV線路T接節點處不必裝設智能真空分界開關，僅需設置跌落式熔斷開關即可。高壓側也無須設置配電柜，具有較好的經濟性。但處于化工園區腐蝕性環境下的戶外接線端子連接處、鋁制引下線以及鍍鋅圓鋼焊接點等由于腐蝕、松動、外力以及施工工藝質量等不可控因素，存在接地不良甚至斷線隱患，容易造成轉移過電壓危險，某些情況下還會出現雜散電流，危害地下燃氣管道。三級加氣站往往不會配備專業巡檢維護人員，因此在設計施工階段應考慮長期運行風險，而不僅僅是交工測試合格。提高系統安全可靠性，做到本質安全，具有十分重要的意義。

1 原設計接地方式存在的問題

原設計圖紙系統接地方式如圖1所示。

變壓器臺的接地采用高壓避雷器、進線電纜屏蔽層、鎧裝層和變壓器外殼以及低壓中性點“三位一體”的接地方式，共用接地引下線和接地體。該接地方式為電力部門標準接線方案，將殼體、低壓中性點以及高壓避雷器接地端等電位連接后，通過引下線接地，在高壓雷電沖擊或碰殼接地故障時，等電位參考點同時升高，不受接地阻抗壓降的影響，對接地阻值要求不高，即使運行后接地體連接處因氧化或銹蝕阻值增大也能保障變壓器設備自身安全。文獻[1]中比較了3種變壓器臺側接地方式的優缺點，但未考慮變壓器外殼和橫擔金屬構架地電位升高對低壓套管絕緣子、低壓刀熔開關以及電纜的損害。由于低壓側比高壓側絕緣耐壓水平更低，過電壓擊穿風險更大，因此就變壓器臺自身安全防護可靠性而言，選擇如圖1所示的變壓器臺側“三位一體”接地方式是最佳選擇。但對于用戶側，該方案確實也會給用戶低壓配電系統引入轉移過電壓風險，對用戶側設備絕緣和人身安全形成威脅。本文討論CNG站內低壓用電側的接地選取，并采取相應措施消除或減小過電壓和雜散電流危害。

由于變壓器低壓側中性點、變壓器外殼以及高壓側避雷器接地端在柱上共同一點接地，共用接地引下線和接地體，因此當高壓側出現接地故障或雷電流泄放時，低壓側中性線會產生轉移電位差。圖1中Rd和Ld分別為變壓器臺接地電阻及引下線等效電感，當高壓進線電纜或變壓器高壓側發生單相穩定接地時，流過Rd的電流為整個電網系統的總電容電流。近幾年，隨著10 kV電纜線路不斷增加，電容電流較架空線時期大幅提高，穩態下可達30 A，設計接地電阻為4 Ω，工頻狀況下引下線的感抗分量ωLd很小，可忽略不計，則中性線與PE線電位差為：

該電壓值不會對電氣設備造成損壞，但此電位差足以威脅人身安全，同時會干擾或損害敏感的弱電儀表系統。該電壓疊加于相線，施加于計算機電源輸入端Y電容，使其對地漏電流增加，可引起漏電保護跳閘或電容損壞，應予以消除。

圖1 原設計接地方式

上述過電壓是在穩態下的計算值，實際中發生單相接地多數為反復重燃的弧光接地。文獻[2]中指出間歇性電弧接地持續時間可達0.2～2 s，頻率可達300～3 000 Hz，單相接地故障最危險的時刻發生在單相間歇性電弧接地階段，此時在健康相（非故障相）上產生的弧光接地過電壓最高可達3～4倍相電壓，通過電弧接地故障點的高頻振蕩電流也最大，可達數百安培，時間雖短電弧危害卻很大[2]。可見，在高壓進線電纜或變壓器高壓側避雷器出現弧光接地的暫態過程中，接地暫態電流達數百安培，頻率不再是50 Hz，接地感抗分量增大，不再是工頻或直流下的4 Ω，中性線對PE線暫態轉移過電壓可達幾千伏，對設備絕緣和人身安全造成損害。

對于雷電過電壓，避雷器泄放的電流需要通過接地阻抗Rd和Ld，持續時間雖短，但電流可達幾千安培，主要能量范圍的雷電流頻率達上萬赫茲。本項目采用的35 mm2接地引下線的長度為10 m，其電感量為：

此計算值與《工業與民用配電設計手冊第三版》第779頁給出的引下線取1.5 μH/m時的數值一致。

HY5WS-17/50避雷器在8/20 μs雷電波形沖擊中的電流峰值為5 kA，電流陡度按照8 μs時出現峰值電流計算，則引下線處過電壓為：

雷電侵入波形成的轉移過電壓經過直埋電纜后會得到衰減，但依然可能威脅人身安全。地處空曠地的變壓器臺以及水泥桿還可能引入直擊雷，據實際統計直擊雷電流最大可達200 kA，此類情況危害程度更大。

2 改進措施

轉移過電壓存在于站區接地系統和變壓器中性線之間，將N線與PE線在室內進線處用120 mm2導線進行等電位連接，即重復接地。圖2為改進后的接線圖。

該方式消除了中性線與保護接地線之間的電位差，變壓器臺的轉移過電壓將通過PE線出現在設備外殼。由于站區地網范圍大，Rg在1 Ω左右，此時接地電阻是變壓器臺接地電阻和

站區接地電阻的并聯值。轉移過電壓將大幅度減小，被限制在安全dt范 圍內，即：8

因Rg較Rd小，為防止轉移電流流過重復接地線燒毀接地線，選擇截面120 mm2導線進行連接。該方式下，站內零序不平衡電流存在兩條回流路徑，一條為中性線N，另一條通過Rg和Rd流回變壓器。正常狀態下，該系統不存在問題，但在N線接觸電阻增大時，Rg和Rd間將形成雜散電流，該電流在地下的流通路徑不定，加速了地下天然氣管線的腐蝕。1 A電流流經地下鋼鐵類金屬設施時，每年腐蝕損失的鋼鐵質量達9.1 kg，另外交流電流危害程度雖然僅為直流電流的2%，但長期累積也是不可忽視的[3,4]。在本加氣站建設中，選擇采用引流法為雜散電流提供明確的回流路徑，改進后的接地方式如圖3所示。

圖2 接地方式二

圖3 改進措施

將站區地網與變壓器臺區接地連接為共用接地，使雜散電流通過地下扁鐵引流回流消除地下迷流的同時，減小系統總接地阻值，在發生中性線接觸不良或變壓器臺接地引下線斷線的單一故障時仍能保障系統安全，提高供電安全可靠性。為了及時發現故障，在低壓配電間內的重復接地連接線上加裝電流方向檢測裝置，顯示電流方向和大小，提供故障報警，確保系統安全。

3 結 論

電氣系統接地是保障人身和設備安全的重要措施，選取不當會產生過電壓和雜散電流等問題。電氣系統接地對加氣站及防爆場所而言更為重要，且屬于隱蔽工程，交工運營后改造難度大，因此在設計施工階段應根據實際情況，選擇最安全可靠的接地方式。