杜淼 關(guān)永樂 苗國(guó)強(qiáng)/大連船舶重工集團(tuán)設(shè)計(jì)研究所有限公司

海工項(xiàng)目中不同接地方式電力系統(tǒng)的比較

杜淼 關(guān)永樂 苗國(guó)強(qiáng)/大連船舶重工集團(tuán)設(shè)計(jì)研究所有限公司

各種不同的中性點(diǎn)接地的電力系統(tǒng)在供電的連續(xù)性、安全性、可靠性和絕緣水平等方面有不同的特點(diǎn)，對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較，可以為不同的海上油氣田項(xiàng)目選用電力系統(tǒng)提供參考。

由于海工項(xiàng)目中不同的中性點(diǎn)接地系統(tǒng)有各自的特點(diǎn)，隨著項(xiàng)目多樣性和復(fù)雜性的增加，需要對(duì)不同的電力系統(tǒng)進(jìn)行研究，以便為不同的項(xiàng)目選用合適的接地方式。其中，選擇發(fā)電機(jī)或變壓器中性點(diǎn)的運(yùn)行方式是一個(gè)比較復(fù)雜的綜合性技術(shù)問題，無論采用哪種方式都涉及到供電的可靠性、故障范圍、用電安全、絕緣水平、過電壓、繼電保護(hù)和通訊干擾等一系列問題。

本文所指的中性點(diǎn)（電力系統(tǒng)）是指三相電力系統(tǒng)中作星形連接的發(fā)電機(jī)或變壓器的中性點(diǎn)。針對(duì)電力系統(tǒng)而言，三相交流電力系統(tǒng)中性點(diǎn)的運(yùn)行方式分為中性點(diǎn)不接地，經(jīng)消弧線圈接地，中性點(diǎn)經(jīng)高電阻接地，中性點(diǎn)經(jīng)低電阻接地，中性點(diǎn)直接接地。研究不同接地方式的電力系統(tǒng)，以便根據(jù)實(shí)際情況，有選擇地選用不同的接地系統(tǒng)。

中性點(diǎn)不接地

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，各相對(duì)的電壓是對(duì)稱的，中性點(diǎn)對(duì)地電壓為零，電網(wǎng)中無零序電壓。由于任意兩個(gè)導(dǎo)體之間隔以絕緣介質(zhì)時(shí)，就形成電容，所以三相交流電力系統(tǒng)中相與相之間以及相與地之間都存在著一定的電容。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，三相電壓UA、UB、UC是對(duì)稱的,三相對(duì)地電容電流Ico.A、Ico.B、Ico.C也是平衡的。所以三相的電容電流相量和等于0，沒有電流在地中流動(dòng)。每個(gè)相對(duì)的電壓就等于相電壓。

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)單相接地故障時(shí)(假設(shè)C相接地)，故障電流Id沒有返回電源的通路，只能通過另外兩非故障相（如A、B相）的對(duì)地電容返回電源。I=U/Xc=ωCU，而C∝S/d，即與電容極板面積成正比、而與極板距離成反比。所以線路對(duì)地電容，特別是架空線路對(duì)地電容很小，容抗很大，所以Id很小，按照規(guī)范，不得大于20A，同時(shí)作為此系統(tǒng)（如10KV系統(tǒng)）負(fù)載工作的10KV變電所（10/0.38KV），其保護(hù)接地電阻按規(guī)范不得大于4Ω（交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范，DL/T 621），所以低壓系統(tǒng)對(duì)地電位升高有限（一般不超過80V，保護(hù)接地電阻做重復(fù)接地時(shí)不超過50V）。此時(shí)C相對(duì)地電壓為0，而A相對(duì)地電壓U'a，B相對(duì)地電壓 U'b相差60度。由此可見，C相接地時(shí)，不接地的A、B兩相對(duì)地電壓由原來的相電壓升高到線電壓（即升高到原來對(duì)地電壓的倍，即1.732倍），相位差60度。

C相接地時(shí)，系統(tǒng)接地電流（電容電流）IC應(yīng)為A、B兩相對(duì)地電容電流之和。由于一般習(xí)慣將從電源到負(fù)荷方向取為各相電流的正方向，所以，IC＝ ICA，又因Ica＝U’A／XC＝ UA／XC＝ IC0，因此IC＝Ica=3IC0，即一相接地的電容電流為正常運(yùn)行時(shí)每相電容電流的3倍。

特別注意：對(duì)地電容電流、接地電容電流是不同的兩個(gè)概念，前者是正常運(yùn)行的線路，后者是接地故障線路。

表1 中性點(diǎn)不同接地方式與運(yùn)行特點(diǎn)比較

中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地

消弧線圈是一個(gè)具有鐵芯的可調(diào)電感線圈，裝設(shè)在變壓器或發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)。當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，可形成一個(gè)與接地電容電流大小接近相等而方向相反的電感電流，這個(gè)滯后電壓90度的電感電流與超前電壓90度的電容電流相互補(bǔ)償，最后使流經(jīng)接地處的電流變得很小以至等于零，從而消除了接地處的電弧以及由其可能產(chǎn)生的危害。消弧線圈的名稱也是這么得來的。當(dāng)電容電流等于電感電流的時(shí)候稱為全補(bǔ)償；當(dāng)電容電流大于電感電流的時(shí)候稱為欠補(bǔ)償；當(dāng)電容電流小于電感電流的時(shí)候稱為過補(bǔ)償。一般都采用過補(bǔ)償，這樣消弧線圈有一定的裕度，不至于發(fā)生諧振而產(chǎn)生過電壓。既不會(huì)中斷供電，同時(shí)避免了通信干擾和鐵路信號(hào)的誤動(dòng)作。而缺點(diǎn)是一旦發(fā)生永久接地，清除故障線路比較困難。

中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的電力網(wǎng)和中性點(diǎn)不接地電力網(wǎng)一樣，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，非故障相的對(duì)地電壓將增大 倍。由于這種電力網(wǎng)的最大長(zhǎng)期工作電壓和過電壓水平都較高，因而當(dāng)其在電壓等級(jí)較高的電力網(wǎng)中使用時(shí)，將顯著地增大絕緣方面的費(fèi)用。

中性點(diǎn)經(jīng)低電阻接地

低電阻接地可將單相接地故障電流限制到三相短路電流的25%-100%的范圍內(nèi)。雖然繼電保護(hù)仍能快速切斷故障，斷開發(fā)電機(jī)組，但鐵芯的嚴(yán)重?zé)龘p依然不可避免。即使將接地故障電流限制到發(fā)電機(jī)額定電流的1.5倍，電阻上消耗的功率仍然可達(dá)到發(fā)電機(jī)容量的一半。因?yàn)樽杩怪档?，熱容量大，所以發(fā)電機(jī)的體積很難縮小。

美國(guó)采用低電阻或低電抗接地增大了接地故障電流，與快速繼電保護(hù)和開關(guān)裝置相配合，可瞬間清除故障線路，總的問題相對(duì)簡(jiǎn)單是其一大優(yōu)點(diǎn)。但必須儲(chǔ)備備用容量，否則無法連續(xù)供電。因接地電流很大，導(dǎo)致故障點(diǎn)電位顯著升高，威脅人身和設(shè)備安全。

中性點(diǎn)經(jīng)高電阻接地

海上油氣田開發(fā)工程設(shè)施上的單機(jī)容量大、電壓等級(jí)高的發(fā)電機(jī)組采用的是經(jīng)高電阻接地的方式，其接地故障電流的允許值為5-15A。這種接地的出發(fā)點(diǎn)是：限制間歇電弧引起的中性點(diǎn)積累性電壓升高，從而降低電弧接地暫態(tài)過電壓。同時(shí)，當(dāng)定子繞組發(fā)生單項(xiàng)接地故障時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)瞬間跳閘，避免損壞發(fā)電機(jī)組。按照國(guó)際上的一般概念，當(dāng)電容電流超過15A，至多20A后，就已經(jīng)不再采用高電阻接地方式了。而且在這種情況下，即使瞬間跳閘，定子鐵芯的損壞也是很難避免的。

中性點(diǎn)直接接地

中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)屬于較大電流接地系統(tǒng)，一般通過接地點(diǎn)的電流較大，可能會(huì)燒壞電氣設(shè)備。發(fā)生故障后，繼電保護(hù)會(huì)立即動(dòng)作，使開關(guān)跳閘，消除故障。因接地系數(shù)甚低，故非故障相的工頻電壓升高和系統(tǒng)中的內(nèi)部過電壓均受到限制。這樣便可降低絕緣水平，節(jié)省巨額基建投資。根據(jù)電壓、電流的互換特性，系統(tǒng)的單相短路電流可超過三相短路電流的1.5倍。

中性點(diǎn)不同接地方式與運(yùn)行特點(diǎn)的比較

對(duì)于不同等級(jí)的電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式也不一樣，可以按下述原則選擇：在陸地上220kV以上電力網(wǎng)，采用中性點(diǎn)直接接地方式；110kV接地網(wǎng)，大都采用中性點(diǎn)直接接地方式，少部分采用消弧線圈接地方式；20—60kV的電力網(wǎng)，從供電可靠性出發(fā)，采用經(jīng)消弧線圈接地或不接地的方式。但當(dāng)單相接地電流大于10A時(shí)，可采用經(jīng)消弧線圈接地的方式；3—10kV電力網(wǎng)，供電可靠性與故障后果是其最主要的考慮因素，多采用中性點(diǎn)不接地方式。海上油氣田開發(fā)工程設(shè)施上大部分的電力系統(tǒng)采用的都是3—10kV以下的電壓等級(jí),因此,中性點(diǎn)不接地的電力系統(tǒng)在海上油氣田中使用的最普遍。隨著海工項(xiàng)目的復(fù)雜性和電站容量的增加，更高電壓等級(jí)的系統(tǒng)也越來越多的使用，其接地系統(tǒng)可參照陸地使用。★