抽水蓄能電站電網內中性點接地方法研究

鄭 偉,王文鵬,張和平,胡小凡,何文波,羅維之

(新疆阜康抽水蓄能有限公司，新疆 阜康 831500)

0 引言

隨著我國電力行業建設步伐的進一步加快，西電東送、南電北送等大型電力工程的開展促進了我國電力能源的進一步發展[1]。大型能源工程的建設較好地實現了綠色能源的集約化發展，推動了能源的優化配置[2]。現階段，我國西北地區能源基地源頭地區的大型煤電項目正陸續投產，特高壓交直流工程也取得了良好的應用。我國電網規模正不斷擴大。抽水蓄能電站是現代電網工程中的一項重要組成部分[3]。抽水蓄能電站可以進行電能與水能的相互轉換。在電網用電量較少的時期，抽水蓄能電站利用電網的電能將水庫中的水抽取至上方水庫中。在后續電網處于用電高峰的時期，抽水蓄能電站又可利用上方水庫的水，將水能轉換為電能，并將電能傳送到電網中[4-5]。隨著電網實際需求量的增加，抽水蓄能電站的應用范圍也逐漸擴大。這對抽水蓄能電站的設計提出了更高的要求。

大量研究表明，在大型水電站，特別是抽水蓄能電站，由于廠用負荷分布范圍大，負荷類別較多，通常采用高低兩級配電系統。其高壓配電系統電壓等級為10 kV或6 kV，中性點大多采用不接地方式[6]。由于抽水蓄能電站復雜的樞紐布置，上下水庫距離較遠，廠房在山體內地下式布置，因此負荷更加分散。同時，電站投資商越來越注重安全可靠性。特別在雷電較多地區，由廠區到上庫電源采用電纜，造成廠用系統的接地電容電流常常超過10 A的閾值限制[7-8]。因此在實際工程中，廠用系統的中性點接地方式和參數的選擇就顯得尤為重要[9]。

本研究基于抽水蓄能電站的實際運行情況，結合抽水蓄能電站的抽蓄特點，對該電站廠用高壓系統中性點接地參數進行詳細的比選論證。本研究分別充分研討了現今抽水蓄能電站在運行時的用電情況以及相關注意事項，針對性地設計了抽水蓄能電站的高壓系統，旨在為抽水蓄能電站高壓系統的建設提供可能的參考方案。

1 接地方法及高壓系統概述

1.1 不同中性點接地方式

①中性點不接地。

中性點不接地方式主要是指在中性點上不存在大地與人的直接連接，主要利用電網對地電容的方式來實現。在系統中的接地處有可能會產生間歇性電弧，并產生高倍數電壓而形成短路，造成一定的安全隱患[10]。中性點不接地方式的優點主要表現在結構簡單、經濟、供電穩定性高以及對周圍環境和人員的影響程度小等方面。

中性點不接地系統如圖1所示。

圖1 中性點不接地系統示意圖

中性點不接地零序等值電路如圖2所示。

圖2 中性點不接地零序等值電路圖

中性點不接地方式在我國早期配電網中應用較為廣泛，又被稱為中性點絕緣。由于在三相電中電源電壓相互對稱，而中性點又在絕緣的方式下運行，此時可以認為中性點處的電壓為0。但在實際操作中，受各類現實因素的影響[11]，中性點處可能會有帶位移的電壓。這種電壓一般控制在5%之內，對實際運行操作無過多影響。在中性點不接地系統中，零序電流的計算如式(1)所示。

(1)

接地點故障電流的計算如式(2)、式(3)所示。

(2)

(3)

式中：Id為接地電阻電流;U為系統額定電壓。

②中性點經消弧線圈接地。

消弧線圈接地方式在電網出現接地故障時會提供感應電流，以補償單相接地的電流。使用中性點消弧線圈接地方式時，利用消弧線圈的電流對接地電容進行電流補償，各中性點和相對絕緣不接地系統均相同[12]。使用該接地方式可以減少接地的故障電流，降低線路的跳閘率，提高電磁兼容性，減少對城市通信設備的影響。中性點經消弧線圈接地系統如圖3所示。

圖3 中性點經消弧線圈接地系統示意圖

中性點經消弧線圈接地零序等值電路如圖4所示。

圖4 中性點經消弧線圈接地零序等值電路圖

中性點經消弧線圈接地系統中，發生的具體運算如式(4)～式(6)所示。

(4)

式中：L為消弧線圈的電感值。

(5)

U0=Uφ

(6)

式中：Uφ為故障前的電壓。

③中性點經低電阻接地。

中性點經低電阻接地運行方式主要是指在配電網中只有一個電阻接入中性點內。該系統主要通過選擇接地的電阻值來保證將電流控制在正常的范圍內。按照實際接地故障電路的不同，接地方式主要分為高電阻、中電阻以及低電阻三種。其中，低電阻阻值小于20 Ω，單相接地故障電流范圍為600～1 000 A；低電阻阻值為20～100 Ω，單相接地故障電流范圍為30～300 A；低電阻阻值為幾百至數千歐姆，單相接地故障電流范圍小于10 A。

在中性點經低電阻接地系統中，發生單相接地故障時，非故障電壓值狀態基本不變。同時，由于流過故障線路的電流較大，零序過流保護較為靈敏，可以檢測出相關故障。在低電阻接地系統中，單相接地的電流較大，使用時可以根據繼電器的可靠動作確定繼電器的動作電流以及互感器的變比。實際應用時，可以優先選用相同電流型的繼電器。

中性點經低電阻接地系統如圖5所示。

圖5 中性點經低電阻接地系統示意圖

中性點經低電阻接地零序等值電路如圖6所示。

圖6 中性點經低電阻接地零序等值電路圖

中性點經低電阻接地系統基本計算如式(7)～式(9)所示。

(7)

式中：Rω為中性點接地電阻。

(8)

(9)

由工頻熄弧理論可知，系統在單相故障時會產生間歇電弧接地過電壓。故障時，A相的過電壓和非故障時B、C兩相的過電壓分別如式(10)、式(11)所示。

(10)

(11)

1.2 中性點接地方式的確定

我國水電站廠用電高壓系統通常采用不接地方式，有部分電站采用消弧線圈接地方式，極少采用低電阻接地方式。已知交聯聚乙烯絕緣電纜熄弧電流閥值為10 A。在不接地方式下，正常運行時接地故障電流已接近10 A。廠用變壓器檢修或故障時，接地故障電流將超出10 A，選擇不接地方式將存在非常大的安全風險。同時，在不接地方式下，接地故障會發生報警，需要人工干預。因此，本研究將不考慮使用不接地方式。

采用消弧線圈接地方式時，全補償時殘余故障電流非常小，電弧能夠很快熄滅，可以帶故障運行2 h。欠補或過補狀態時，故障電流均會增大，且不允許超過10 A。由于其故障電流小，因此準確選線非常困難。據不完全統計，選線正確率為60%。如果選線不成功，故障無法及時排除，依然會存在電纜燒損的風險。低電阻接地方式時的故障電流較大，保護動作迅速，可瞬時切斷故障以保證電纜安全。而且該方式沖擊過電壓低，對電纜絕緣的保護較好。

抽水蓄能電站的廠用電系統可靠性非常高，重要負荷均為雙電源供電。其中，一回路電源來自保安電源。通常，配電系統為了保證供電的連續性，希望發生單相接地故障時能夠運行一段時間。而抽水蓄能電站更看重安全運行。特別是今后抽水蓄能電站智能化要求越來越高，未來需滿足無人值班的要求。因此，迅速切斷故障更加重要。基于此，抽水蓄能電站廠用高壓系統接地方式宜采用低電阻接地方式。

1.3 抽水蓄能電站用電系統概況

抽水蓄能電站用電比較常用的系統方案為：電壓等級為10 kV和0.4 kV兩級配電；10 kV配電系統分為地下和地面兩部分。地下廠房的廠用電系統在1#、3#發電機端各引接一臺高壓廠用工作變壓器，分別接至地下廠用10 kV母線Ⅰ段和Ⅲ段。從施工變電站的10 kV母線引接一回路電源作為廠用備用電源接至地下廠用10 kV母線Ⅱ段，另設置柴油發電機作為廠用電的保安電源同時接至地下廠用10 kV母線Ⅱ段。地下廠用Ⅲ段10 kV母線采用環形接線。地面10 kV用電系統采用單母線分段接線。Ⅳ、Ⅴ段母線工作電源分別引自地下10 kV系統Ⅰ、Ⅲ段母線。另從35 kV施工變電站的10 kV母線引接一回路備用電源，作為地面10 kV用電系統的備用電源接至Ⅴ段母線上。

抽水蓄能電站典型接線如圖7所示。

圖7 抽水蓄能電站典型接線圖

由圖7可知，廠用電系統正常情況是分段運行。當一臺高壓廠用工作變壓器退出運行時，由另一臺帶全部負荷運行。當兩臺工作變壓器均退出運行時，地面和地下廠用系統解列，各自由外來電源負責供電，柴油發電機只為保安負荷提供電源。

1.4 高壓系統用電參數計算式及參照

①接地電容電流計算。

在實踐中，電纜線路和架空線路單相接地電容電流估算分別如式(12)、式(13)所示。

Ic=0.1UnL

(12)

式中：Ic為線路單相接地電容電流，A；Un為線路額定電壓，kV；L為線路長度，km。

Ic=kUnL×10-3

(13)

式中：k為相關系數。

②接地電流設計要求。

在低電阻接地系統中，接地電流應滿足以下要求。首先，應限制電弧接地過電壓。在單相接地中，電容性電流的值應小于等于電阻性電流，電阻性電流越大越有利于降低過電壓。此值各電站需要根據實際計算，對于裝機4×300 MW的典型抽水蓄能電站而言，電阻性接地電流至少應大于20 A。其次，應保證設備不損壞。這主要是防止接地電流過大燒損設備。低電阻接地系統故障持續時間較短，因此不限制電阻值選取。最后，應滿足外殼對地電壓的允許值。當出現變壓器的高壓段發生單相外殼接地時，低壓設備外殼對地電壓值與最大故障時間的值都應符合GB 16895.11的規定。如保護動作時間為0.3 s，加上斷路器動作時間等，故障最大持續時間按照0.4 s取值。查GB 16895.11曲線可知，允許的外殼對地電壓值約為200 V。典型抽水蓄能電站的接地電阻允許值一般在0.4～1 Ω之間，則接地電流最大值在200～500 A之間。

③低電阻值的計算。

低電阻值的計算如式(14)所示。

(14)

式中：R為接地電阻，Ω；U為系統額定電壓，V；I為接地電流，A。

2 抽水蓄能電站接地系統計算結果與討論

2.1 接地電容電流與接地電流計算

本研究對抽水蓄能電站的接地電容以及接地電流進行了計算，并分別討論了使用架空線路以及使用電纜兩種情況下的單相接地電容電流。通過計算可知，采用架空線路時，線路長度一般不超過15 km，單相接地電容電流最大為0.495 A；采用電纜時，電容電流最大將達到15 A。

對抽水蓄能電站的廠用電系統進行分析可知，本抽水蓄能電站廠用電系統正常運行方式為地下廠房10 kV三段母線獨立運行，即當一臺工作變壓器退出時，另一臺工作變壓器帶兩段工作母線運行。如果兩臺工作變壓器均退出運行，由備用變壓器帶全部母線段運行。正常運行時，單母線段系統單相接地電容電流最小。

本研究按照抽水蓄能電站典型布置方式計算可知，單母線段負荷供電電纜的長度通常在6～10 km之間。如果上水庫電源采用電纜，長度可達20 km以上。如果上水庫電源不從廠內引接或者從廠內采用架空線引接，電容電流有可能低于10 A。但上水庫電源由廠內提供電纜引接，電容電流超過閥值的可能性非常大，因此，抽水蓄能電站進行設計時應進行電容電流估算，選定接地方式。綜合以上分析，典型抽水蓄能電站接地故障電流值應大于20 A，最大值應根據各電站接地網接地電阻值進行計算，選擇時應盡量靠近上限。

2.2 接地電阻引接方式選擇

由于抽水蓄能電站廠用10 kV系統一般為中性點不接地系統，沒有中性點引出，因此首先要解決中性點如何引出的問題。對于抽水蓄能電站廠用10 kV系統而言，有兩種方法。

第一種方法是選擇10 kV側為Y型接線的廠用高壓變壓器，變壓器中性點引出接電阻后接地。該方法比較簡單，增加的設備少，占地面積小，節省投資。

第二種方法是在廠用10 kV母線上增設曲折型聯結接地變壓器以便引出中性點，通過低電阻后接地。該方法需要增加10 kV開關柜及接地變壓器等設備，而且母線電源有可能來自于10 kV系統，在母線電源切換時需要同時投切接地變壓器。如果一段母線運行的單相接地電容電流超過限值，還需要考慮接地變壓器與母線運行狀態的投切關系，二次控制系統相對復雜。

抽水蓄能電站廠用工作變壓器與備用變壓器不允許并列運行，而且抽水蓄能電站的廠用10 kV高壓開關室在地下廠房，空間較小，完全可以采用第一種方法。有些電站10 kV高壓開關室無法布置接地變壓器等設備，需要另行尋找布置場地。因此，新建抽水蓄能電站廠用高壓變壓器建議采用Δ-Y接線，10 kV廠高變低壓側選用中性點經低電阻接地。如果接地電流選擇200 A，根據式(3)計算可知，低電阻值為28.9 Ω，可取整為30 Ω。

綜上所述，抽水蓄能電站廠用高壓系統中性點相關接地參數如下：單相接地電容電流(無電纜架空線路)為0.495 A；單相接地電容電流(采用電纜)小于15 A；抽水蓄能電站接地故障電流值大于20 A；接地方式為低電阻接地；高壓變壓器接地方式為Δ-Y接線。

3 結論

鑒于現行接地方式規程規范的局限性，本文通過對抽水蓄能電站廠用電系統具體特點的分析，結合三種中性點接地方式的比選，得出以下結論。

抽水蓄能電站用電負荷分布區域廣，布置分散，大部分為電纜線路，單相接地電容電流較大，而且負荷電源多數為冗余配置，故障線路切除對供電連續性影響小，適合采用安全的低電阻接地方法。本研究推薦廠用高壓變壓器采用Δ-Y接線，而10 kV廠高變低壓側中性點的接地方式應選擇經低電阻接地。