中性點接地方式的選擇及計算實例分析

張 瑩

(中國恩菲工程技術有限公司,北京 100038)

0 引言

電力系統的中性點的運行方式,是一個十分復雜的問題。它與電壓等級、單相接地短路電流、過電壓水平、保護配置等有關,直接影響到絕緣水平、系統供電的可靠性和連續性、通信干擾等很多方面。作者以往所接觸的工程為國內的用電企業配電網或小型火力發電廠的設計,其中性點接地方式多借鑒成熟設計經驗。本文結合某國外項目的實際設計范例,介紹中性點接地方式的選擇的過程和相關接地元件的參數計算。

1 系統接地方式的介紹

中性點的接地有中性點有效接地系統和中性點非有效接地系統兩大類(也稱中性點直接接地和中性點非直接接地)。也有根據單相接地電流或同點兩相接地時入地電流的大小來區分中性點接地系統,把大于500 A 的稱為大接地短路電流系統,500 A 及以下的稱為小接地短路電流系統。一般情況下,中性點直接接地系統屬于大接地短路電流系統,非直接接地電網屬于小接地短路電流系統。

具體接地形式又分為中性點直接接地、中性點經消弧線圈(消弧電抗器)接地、中性點經電阻器接地、中性點不接地四種。其中,中性點經電阻器接地,按接地電流大小又分為高阻接低和低阻接地。

1.1 中性點直接接地

中性點直接接地或經一低值阻抗接地的系統,稱為有效接地系統。采用中性點經低值(不大于10 Ω)電阻接地,也是有效接地系統。

有效接地系統的優點是系統的過電壓水平和絕緣水平較低。系統的動態電壓升高不超過系統額定電壓的80%,高壓電網中采用這種接地方式降低設備和線路造價,經濟效益顯著。

缺點是發生單相接地故障時單相接地電流很大,為了防止損壞設備,必須迅速切除接地相甚至三相,降低了供電連續性,因而供電可靠性差。此外單線接地電流有時會超過三相短路電流,影響斷路器遮斷能力的選擇,并有對通信線路產生干擾的危險。

1.2 中性點不接地

中性點不接地方式優點是發生單相接地故障時,不形成短路回路,通過接地點的電流僅為電容電流。當單相接地故障電流很小時,無需使線路斷開,可以帶故障運行一段時間,以便查找故障線路,因而大大提高了供電可靠性。另外電網的單相接地電流很小,對鄰近通信線路干擾也小。

缺點是發生單相接地故障時,非接地相的對地電壓卻升高為相電壓的倍,而且會產生弧光重燃過電壓。這種過電壓現象會造成電氣設備的絕緣損壞或開關柜絕緣子閃絡,電纜絕緣擊穿,所以要求系統絕緣水平較高。

1.3 中性點經消弧線圈接地

3～63 kV 電網當單相接地電流超過允許值時,可采用消弧線圈補償電容電流保證接地電弧瞬間熄滅,消除弧光間歇接地過電壓。

1.4 中性點經電阻接地

(1)中性點經高電阻接地。高電阻接地方式以限制單相接地故障電流為目的,電阻阻值一般在數百～數千歐姆。采用高電阻接地的系統可以消除大部分諧振過電壓、對單相間歇弧光接地過電壓具有一定的限制作用,同時可提供足夠的電流和零序電壓,使接地保護可靠動作,單相接地故障電流小于10 A,系統可在接地故障條件下持續運行不中斷供電。缺點是系統絕緣水平要求較高。一般用于大型發電機中性點。

(2)中性點經低電阻接地。6～35 kV 主要有電纜線路構成的送、配電網絡,單相接地故障電容電流較大時,可采用低電阻接地方式,單相接地故障電流100～1 000 A。低電阻接地的優點是快速切除故障,過電壓水平低(參考中性點直接接地系統),可采用絕緣水平較低的電纜和設備。但應考慮供電可靠性要求、故障時瞬態電壓、瞬態電流對電氣設備的影響,對通信的影響和繼電保護技術要求。

該接地方式適用于電纜線路,不容易發生瞬時性單相接地故障且系統電容電流比較大的城市配電網、發電廠廠用電系統及工礦企業配電系統。

總而言之,在電壓等級較高的系統中,絕緣費用在設備總價格中占相當大比重,降低絕緣水平帶來的經濟效益很顯著。所以一般采用中性點直接接地方式,而以其他措施提高供電可靠性。反之,在電壓等級較低的系統中,一般采用中性點不接地方式以提高供電可靠性。在我國,110 kV 及以上的系統中性點直接接地,66 kV 及以下的系統中性點不接地。在國外,由于通常都采用有備用接線方式,供電可靠性有保障,66 kV 及以下的系統中性點往往也直接接地。

2 中性點接地方式的選擇

2.1 示例工程概況

某國外項目建設地點位于西非某國西部冶煉廠區內,為向冶煉廠配套提供硫酸的制酸廠,副產蒸汽發電。硫酸生產規模為1 500 t/d,制酸產生的熱量余熱回收生產蒸汽,除酸廠自用外多余蒸汽采用汽輪機發電。主要的工段有熔硫及儲存、焚硫轉化及余熱回收、干燥吸收、尾氣吸收、發電站、除鹽水站、循環水站、啟動鍋爐房、配電室及綜合樓。電力設計范圍包括廠區內部供配電、余熱發電站、工藝設備控制、生產照明、設備防雷、接地。

開車時,本項目電源由冶煉廠提供。本項目內設33 kV 配電站,利用33 kV 并網線路將冶煉廠電能經主變降壓,送電至6.6 kV 廠用母線,作為項目啟動電源,主變壓器在啟動時作為降壓變壓器。

正常生產后,利用制酸過程中的產生的熱量進行余熱發電。余熱發電首先供給廠內用電負荷,剩余的電量經升壓送至冶煉廠的33 kV 電網,此時主變作為升壓變壓器。發電機出口接入6.6 kV 廠用母線。全廠主接線系統如圖1 所示。

圖1 全廠主接線系統圖

本項目用電負荷情況如下:

(1)中壓6.6 kV 負荷:用電設備臺數1 臺、用電設備容量3 100 kW。計算有功功率:2 480 kW、計算視在功率2 755.6 kVA。

(2)低壓525 V 負荷:用電設備安裝臺數205臺、工作臺數190 臺。用電設備安裝容量5 235 kW、工作容量4 191 kW

廠內設一臺33/6.6 kV 16 MVA 有載調壓變壓器,33 kV 側經電纜由鈾冶煉廠引來,6.6 kV 側經電纜引至廠用母線,6.6 kV 采用單母線接線;

廠內設兩臺SCB11 6.6/0.525 kV 2500 kVA 變壓器,6.6 kV 側經電纜由廠用母線供電;0.525 kV側采用單母線分段接線,放射式供電,為廠內低壓負荷供電;

廠內設一臺三相同步汽輪發電機,額定電壓為6.9 kV,額定頻率50 Hz(3 000 r/min),額定功率為15 MW。發電機出口經母線引至6.6 kV 廠用母線。

2.2 系統接地方式的選擇

本工程業主有文件要求:

33 kV 電源端中性點通過阻抗接地,故障電流限制在300 A 以下;

6.6 kV 電源端中性點通過阻抗接地,故障電流限制在150 A 以下;

525 V 采用TN-S 系統,電源端中性點直接接地。

525 V 接地方式與我國的習慣方式一致,不再論述。本文著重對33 kV 和6.6 kV 系統的中性點接地方式進行分析。

2.2.1 33 kV 系統中性點接地方式的選擇

本項目作為某大型冶煉廠內的一部分,既可以通過余熱發電向冶煉廠提供電源,也可能在余熱發電系統停用的情況下,作為冶煉廠的用電終端。在作為用電終端的情況下,因為本項目沒有其他的33 kV 配電線路,只有一路33 kV 電纜進線連接至主變壓器,此時不需要考慮中性點接地方式的問題。而在向冶煉廠提供電源的情況下,此時主變壓器是一個電源端,就需要考慮它的中性點接地方式。

我國規程規定,3～10 kV 不直接連接發電機的系統和35 kV、66 kV 系統,當單相接地故障電容電流不超過下列數值時,應采用不接地方式;當超過下列數值又需在接地故障條件下運行時,應采用消弧線圈接地方式:

(1)3～10 kV 鋼筋混凝土或金屬桿塔的架空線路構成的系統和所有35 kV、66 kV 系統,10 A。

(2)3～10 kV 非鋼筋混凝土或非金屬桿塔的架空線路構成的系統,當電壓為:

①3 kV 和6 kV 時,30 A;

②10 kV 時,20 A。

(3)3～10 kV 電纜線路構成的系統,30 A。

6～35 kV 主要由電纜線路構成的送、配電系統,單相接地故障電容電流較大時可采用低電阻接地方式,但應考慮供電可靠性要求、故障時瞬態電壓、瞬態電流對電氣設備的影響、對通信的影響和繼電保護技術要求以及本地的運行經驗等。

因為對冶煉廠的電氣情況不了解,無法取得單相接地故障電容電流資料,根據進線回路是電纜回路,推斷整個冶煉廠區33 kV 系統的配電線路以電纜線路為主,單相接地故障電容電流可能較大,加之業主提出要求,因此33 kV 系統采用中性點經電阻接地。在主變壓器33 kV 側加接地電阻器,其參數按業主要求保證故障電流限制在300 A 以下進行選擇。

(1)接地電阻器的額定電壓按下式確定

式中UrR—接地電阻器的額定電壓,kV;

Un—系統的標稱電壓,kV。

(2)接地電阻器的阻值按下式計算

式中R—中性點接地電阻器的阻值,Ω;

Un—系統的標稱電壓,kV;

IR—電阻電流,A;

Ic—系統單相接地的電容電流,A;

K—系數,單相對地短路時電阻電流與電容電流的比值,一般為1.1～1.5。

當K值控制在上述范圍時可以限制內部過電壓不超過2.6 倍。

本項目主變壓器采用YN,d11 聯結組,在33 kV側為YN 接線,因此在33 kV 側Y 型中性點加裝25 kV,70 Ω 接地電阻器。

2.2.2 發電機中性點接地方式的選擇

發電機中性點接地方式如前所述,也有多種方式可以選擇,對于發電機中性點直接接地系統,當發生單相接地故障時,接地故障電流大,即使繼電保護迅速切機,也會對發電機造成損害。發電機中性點經低阻抗接地,隨可以部分限制單相接地電流,但故障點接地電流幅值至少是100 A,在這個接地電流下繼電保護快速切機,鐵芯的嚴重燒毀仍然不可避免。因此發電機中性點常采用非直接接地方式,即發電機中性點不接地方式、經消弧線圈接地方式和經高電阻接地方式。

《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》規定:“3～20 kV 具有發電機的系統,發電機內部發生單相接地故障不要求瞬間切機時,如單相接地故障電容電流不大于表1 所示允許值時,應采用不接地方式;大于該允許值時,應采用消弧線圈接地方式,且故障點殘余電流也不得大于該允許值。”

表1 發電機接地故障電流允許值

本項目6.6 kV 系統單相接地故障電容電流的計算如下所示:

電網中的單相接地電容電流由電力線路和電力設備兩部分的電容電流組成。

(1)電纜線路的單相接地電容電流(A)

(2)發電機電容電流(A)

(3)變電站電容電流(A)

(4)本項目電容電流(A)

由計算結果可以看出,單相接地故障電容電流很小,不超過允許值。發電機中性點不接地方式適用于125 MW 及以下中小機組。本項目余熱發電機組容量為15 MW,屬于這種情況。采用發電機中性點不接地方式,并在發電機中性點裝設電壓為額定相電壓的避雷器,防止三相進波在中性點反射引起過電壓。

2.2.3 6.6 kV 系統中性點接地方式的選擇

本項目6.6 kV 系統為發電機母線和廠用工作母線共用《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》規定:6 kV 和10 kV 配電系統以及發電廠廠用電系統,單相接地故障電容電流較小時,為防止諧振、間歇性電弧接地過電壓等對設備的損害,可采用高電阻接地方式。

本項目33 kV、6.6 kV 電纜線路較少,單相接地故障電容電流也很小,根據規程可以采用中性點不接地方式或是高電阻接地方式。而業主要求的“6.6 kV 電源端中性點通過阻抗接地,故障電流限制在150 A 以下”,應該是中性點經低電阻接地方式。作者認為,可能是對于冶煉廠的系統來說,電纜線路較多,單相接地故障電容電流較大;另外本項目所在地為非洲某國家,小電阻接地系統在國外應用較為廣泛,因此提出了這樣的要求。考慮與冶煉廠接地方式統一,且本項目配電回路為母線和電纜,單線接地故障幾率較低,因此也采用中性點經經電阻接地的方式。

(1)接地電阻器的額定電壓按式(1)確定

(2)接地電阻器的阻值按式(2)計算

中性點經高電阻接地的情況下,要求接地電阻流過的故障電流與不接地電網接地電容電流數值相等或略大,即IR=KIc;中性點經低電阻接地的情況下,接地電阻流過的故障電流很大,趨近于中性點直接接地情況下的故障電流,此時IR遠大于KIc。本項目要求6.6 kV 故障電流限制在150 A以下,因此IR按150 A 計算,選擇5 kV、30 Ω 接地電阻器。

在6.6 kV 母線沒有中性點可以引出設備,因此選用Z 型三相接地變壓器來實現系統對中性點接地的要求。

(1)接地變壓器額定電壓

式中UrT—變壓器額定一次電壓,kV。

接于系統母線的三相接地變壓器額定一次電壓與系統標稱電壓一致。

(2)接地電阻器的消耗功率

式中PR—接地電阻器的消耗功率,kVA。(3)接地變壓器額定容量

式中SrT—接地變壓器額定容量,kVA。

選擇1 000 kV、6.6 kV 接地變壓器。

3 結論

選擇系統中性點接地方式是一個綜合問題,需要對概念的深入理解、并進行多種計算。系統在中性點接地方式的選擇上有多種方式,每種方式考慮的側重點不同,要根據工程實際情況,選擇技術上可靠、經濟上優化的方式。