自備電廠系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式探討

摘要：文中以凌鋼熱電廠為工程實(shí)例對自備電廠系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式的選擇進(jìn)行了全面分析，闡述了自備電廠系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式選擇的一些思路，介紹了一種接地裝置參數(shù)的計(jì)算方法，并指出在其它自備電廠，尤其是冶金行業(yè)的自備電廠，系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式采用低電阻接地方式是切實(shí)可行的。
關(guān)鍵詞：中性點(diǎn)接地方式；接地故障電流；接地變壓器；電阻器

系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式是一個(gè)綜合性的、系統(tǒng)性的問題，既涉及到供配電系統(tǒng)的安全可靠性，也涉及到供配電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。中性點(diǎn)接地方式直接影響到系統(tǒng)設(shè)備絕緣水平、系統(tǒng)過電壓水平、過電壓保護(hù)元件的選擇、繼電保護(hù)方式、系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。具有發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)中性點(diǎn)一般采用非直接接地方式，而非直接接地方式又分為3種：中性點(diǎn)不接地方式、中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式、中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地方式。在選擇中性點(diǎn)接地方式時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同工程的特點(diǎn)進(jìn)行具體分析、慎重研究，綜合考慮各種因素，最終確定一種安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、合理的中性點(diǎn)接地方式。
下面結(jié)合凌鋼熱電廠系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式選用中性點(diǎn)經(jīng)低電阻接地方式，對自備電廠系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式進(jìn)行探討。

1 工程特點(diǎn)
凌鋼熱電廠是為了配合建設(shè)200萬t／a H型鋼廠項(xiàng)目、實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展建設(shè)企業(yè)的環(huán)保目標(biāo)的配套項(xiàng)目，建設(shè)一座2x130t／h次高壓蒸汽鍋爐及2x25 MW抽汽式發(fā)電機(jī)組自備熱電廠。發(fā)電機(jī)出口主母線采用單母線按機(jī)分段的接線方式，發(fā)電機(jī)出口10．5 kV母線分別經(jīng)兩臺(tái)主變接入凌鋼新區(qū)66 kV總降壓變電站35 kV系統(tǒng)，與電力系統(tǒng)并網(wǎng)，同時(shí)直接饋出若干條10 kV電源線路給原料廠和其他車間。本項(xiàng)目廠區(qū)內(nèi)所有配電線路均采用電纜，直配電纜線路長度約4 km。

2 系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式的選擇
系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，接地故障電流主要取決于電網(wǎng)對地的電容電流，而電容電流有電力線路和電力設(shè)備(發(fā)電機(jī)、大容量同步電動(dòng)機(jī)、主變壓器低壓繞組等)兩部分的電容電流組成。但是電力設(shè)備的電容電流比線路的電容電流小得多，故一般工程設(shè)計(jì)中忽略不計(jì)。根據(jù)有關(guān)估算公式，計(jì)算過程如下：
Ic=0．1UrL (1)
式中Ic表示單相接地電容電流，單位為A，Ur表示線路額定線電壓，單位為kV，L表示線路長度，單位為km。
將工程相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式(1)即得：
Ic=0．1UrL=0．1×10x4=4A (2)
此工程中性點(diǎn)接地方式的選擇主要依據(jù)以下幾點(diǎn)：
1)單相接地電容電流允許值
中性點(diǎn)不接地方式，即是中性點(diǎn)對地絕緣。由于其結(jié)構(gòu)簡單、投資省、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)，且供電可靠性、連續(xù)性高被廣泛采用，應(yīng)當(dāng)首選。但是根據(jù)《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》DL／T 620—1997第3．1．3條的規(guī)定，3～20 kV具有發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)，采用不接地方式時(shí)，其單相接地故障電容電流允許值為3A，當(dāng)單相接地故障電容電流大于允許值時(shí)，在發(fā)生單相接地故障不要求瞬時(shí)切除時(shí)，應(yīng)采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式；可以要求瞬時(shí)切除時(shí)，宜采用中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地。
而本工程中單相接地電容電流Ic=4 A>3 A，所以不能采用中性點(diǎn)不接地方式，而應(yīng)該采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式或中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地方式。
2)線路特點(diǎn)
至于采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式和中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地方式中哪一種接地方式，下面再從這兩種中性點(diǎn)接地方式的工作原理及適用特點(diǎn)進(jìn)行分析、比較。
①中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式
中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式，就是在中性點(diǎn)和大地之間接入一個(gè)電感消弧線圈，其工作原理是：利用流過故障點(diǎn)的工頻電感電流和工頻電容電流相位差180°的特性，人為地增加一個(gè)比單相接地故障電容電流略大一些的電感電流，兩種電流疊加時(shí)電容電流被電感電流補(bǔ)償?shù)?，流過接地故障點(diǎn)的接地故障電流僅為補(bǔ)償后數(shù)值很小的殘余電感電流，弧光不能維系燃燒而熄滅，故障點(diǎn)周圍的絕緣介質(zhì)“空氣”得以補(bǔ)償新鮮空氣，從而故障點(diǎn)的絕緣強(qiáng)度能夠恢復(fù)到正常的絕緣強(qiáng)度，故障相對地電壓的恢復(fù)不能使故障點(diǎn)的絕緣再次擊穿，系統(tǒng)恢復(fù)到正常運(yùn)行。這種故障點(diǎn)絕緣能自動(dòng)恢復(fù)的故障稱為可恢復(fù)性故障。
但在有電纜線路組成的供電系統(tǒng)中，電纜發(fā)生單相弧光接地時(shí)，消弧線圈卻無法消弧，保障系統(tǒng)供電的安全性。這是因?yàn)殡娎|線路一旦擊穿，故障點(diǎn)的絕緣強(qiáng)度幾乎為零，故障點(diǎn)的絕緣不能恢復(fù)到正常絕緣水平，弧光熄滅后故障相對地電壓的恢復(fù)會(huì)使故障點(diǎn)的絕緣再次擊穿，系統(tǒng)不能恢復(fù)到正常對地電壓下運(yùn)行。這種故障點(diǎn)絕緣不能恢復(fù)的故障稱為不可恢復(fù)性故障或永久性故障。
即使現(xiàn)代的自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償消弧線圈也不能解決不可恢復(fù)性故障的消弧問題，只能適用于可恢復(fù)性故障的系統(tǒng)——架空線路，對于不可恢復(fù)性故障的電纜線路也是無能為力。
②中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地方式
中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地方式，即是在中性點(diǎn)與大地之間接入一定電阻值的電阻。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，由于人為地增加了一個(gè)與電網(wǎng)接地電容電流相位角相差90°的有功電流，這就使流過故障點(diǎn)的接地故障電流絕對值比不接地電網(wǎng)增大，便于檢測到故障。中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地的方式有高電阻接地、中電阻接地、低電阻接地等3種方式。
高電阻接地的系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)符合R0≤Xc0的準(zhǔn)則，使流過接地點(diǎn)的電阻性電流不小于電容性電流，以限制間歇性電弧接地時(shí)的過電壓水平在2．6倍相電壓以內(nèi)。R0是系統(tǒng)等值零序電阻，Xc0是系統(tǒng)每相的對地分布容抗。一般采用接地故障電流小于10 A。國內(nèi)一般認(rèn)為當(dāng)接地電流大于10 A時(shí)，不允許帶接地故障運(yùn)行，必須立即跳閘，切除故障點(diǎn)。所以采用高阻接地方式，接地電流被限制到很小，保護(hù)裝置只是檢測故障并發(fā)出信號(hào)，允許帶接地運(yùn)行1～2小時(shí)，在運(yùn)行中找出接地點(diǎn)后設(shè)法消除。
中電阻和低電阻之間沒有統(tǒng)一的界限，一般認(rèn)為單相接地故障時(shí)通過中性點(diǎn)電阻的電流10～100 A時(shí)為中電阻接地方式。
低電阻接地的系統(tǒng)為了獲得快速選擇性繼電保護(hù)所需的足夠電流，擴(kuò)大了故障點(diǎn)電流使繼電保護(hù)能夠檢測到故障點(diǎn)電流，一般采用接地故障電流為100～1 000 A，以提高接地保護(hù)的靈敏性和選擇性。
而本工程供配電系統(tǒng)幾乎全部采用電纜線路，有如下特點(diǎn)：
1)受外界環(huán)境條件(雷電、外力、樹木、大風(fēng)等)影響小，瞬時(shí)接地故障很少，接地故障一般都是永久性故障。2)電纜線路發(fā)生接地故障時(shí)，接地電弧為封閉性電弧，電弧不易自行熄滅，如不及時(shí)跳閘，很容易造成相間短路，擴(kuò)大事故。3)電纜為弱絕緣設(shè)備。例如，10 kV交聯(lián)聚乙稀電纜的一分鐘工頻耐壓為28 kV，而一般10 kV配電設(shè)備的絕緣水平為35 kV。在中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中，由于查找故障點(diǎn)時(shí)間較長，電纜長時(shí)間承受工頻或暫態(tài)過電壓作用，易發(fā)展成相間故障，造成一線或多線跳閘。尤其在使用年限較長、絕緣老化的電纜線路的變配電系統(tǒng)中，在單相接地時(shí)，經(jīng)常發(fā)生來不及找出故障線路，非故障線路就發(fā)生電纜爆炸的情況。
由于消弧線圈在電纜線路中不能發(fā)揮消弧的作用，同時(shí)為了提高接地保護(hù)的靈敏性和選擇性，所以選用中性點(diǎn)經(jīng)低電阻接地方式，當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)，能及時(shí)、準(zhǔn)確地切除故障點(diǎn)。
3)供電可靠性
中性點(diǎn)經(jīng)低電阻接地方式，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，是通過切除故障線路來保障電網(wǎng)其它用電設(shè)備的正常用電的，所以其供電可靠性略差。為了提高供電可靠性，通過兩段母線互投的方式，任何一臺(tái)主變都可以帶兩臺(tái)發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)并網(wǎng)。另外由主母線直配的電源線路均供給一些對電源級(jí)別要求不高的車間，再者這些車間都有引自系統(tǒng)的第二路電源，雙電源供電，滿足供電要求。所以整個(gè)系統(tǒng)的供電可靠性并沒有因?yàn)椴捎弥行渣c(diǎn)經(jīng)低電阻接地方式而降低。