泰安市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 泰安 27100

0 引言

為了滿足特殊工程的需要，起重機(jī)械產(chǎn)品呈現(xiàn)大型化、大噸位化的發(fā)展趨勢(shì)，設(shè)備的電功率也越來(lái)越大。為了提高起重機(jī)電壓等級(jí)，越來(lái)越多的起重設(shè)備由低壓供電改為高壓供電。

現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)主要為基于低壓供電模式下所制定的起重機(jī)接地要求，大量高壓供電系統(tǒng)下的起重機(jī)械設(shè)備基本采用大于1 kV以上（起重機(jī)采用的高壓電源供電一般不超過(guò)10 kV，多為3 kV或6 kV）的高壓電源來(lái)供電。岸邊集裝箱起重機(jī)大多采用國(guó)際通用的6.6 kV/60 Hz供電系統(tǒng)，但GB/T 15361—2009《岸邊集裝箱起重機(jī)》僅對(duì)接地電阻規(guī)定：大車軌道接地電阻應(yīng)不大于4 Ω，規(guī)定應(yīng)接地的所有點(diǎn)整機(jī)接地電阻不大于10 Ω，并未對(duì)高壓供電系統(tǒng)下的接地形式進(jìn)行要求。其根據(jù)GB/T 5226.3—2005《機(jī)械安全 機(jī)械電氣設(shè)備：電壓高于1 000 V DC.或1 500 V AC.但不超過(guò)36 kV的高壓設(shè)備的技術(shù)條件》6.3.2給出[1]：選擇或設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)和中性線接地，同時(shí)建議使用與地隔離的，或設(shè)計(jì)成中性點(diǎn)對(duì)地有高阻抗的電源系統(tǒng)，應(yīng)提供接地故障檢測(cè)設(shè)備，以便在檢測(cè)到接地故障時(shí)發(fā)出報(bào)警。高壓供電系統(tǒng)起重機(jī)械的接地方式有：中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)、中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)和經(jīng)高阻抗電阻接地系統(tǒng)。

1 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)

對(duì)于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，由于大氣與系統(tǒng)無(wú)電氣連接，故發(fā)生單相接地故障時(shí)不會(huì)構(gòu)成回路，理論上系統(tǒng)可以與大地形成所謂的懸浮地，有電容電流產(chǎn)生，但是并未有實(shí)質(zhì)性短路，故電壓仍可視為平衡的，此時(shí)的相間電壓大小和相位仍處于動(dòng)態(tài)性不變狀態(tài)，三相系統(tǒng)平衡可視為未遭到破壞。根據(jù)我國(guó)安全技術(shù)規(guī)程及標(biāo)準(zhǔn)，出現(xiàn)單相接地故障時(shí)，系統(tǒng)可以帶故障點(diǎn)運(yùn)行1～2 h而不必立刻跳閘。隨著長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，且得不到及時(shí)處理，系統(tǒng)仍會(huì)因電壓升高而出現(xiàn)絕緣破壞、兩相短路、弧光放電引發(fā)的系統(tǒng)過(guò)壓等危險(xiǎn)現(xiàn)象，仍會(huì)對(duì)生產(chǎn)、調(diào)度造成很大壓力。

當(dāng)起重機(jī)采用單電源、多饋線中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)時(shí)，若某條線路（如圖1所示相線）發(fā)生故障時(shí)，其系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)下述特點(diǎn)[2]：

1）高壓供電系統(tǒng)采用金屬性接地，系統(tǒng)中的各點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生零序電壓且電壓值一致。

2）故障相對(duì)地電壓（圖1中EA相故障接地）變?yōu)榱?，?duì)地電容被短接，其他兩相的對(duì)地電壓升高倍，對(duì)地電容電流也相應(yīng)地增大倍。

3）故障線路流向母線的零序電流的量值等同于全系統(tǒng)非故障元件對(duì)地電容之和，電容性無(wú)功功率的方向也與非故障線路相反，由線路流向母線。

根據(jù)以上特點(diǎn)，針對(duì)相應(yīng)問(wèn)題進(jìn)行分析：

1）若零序電壓值不一，則視為發(fā)生接地故障，并啟動(dòng)選線電路。如系統(tǒng)發(fā)生非對(duì)稱三相漏電故障，經(jīng)零序電流互感器分析，動(dòng)作繼電器，實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)功能。

2）針對(duì)零序電流流向問(wèn)題，可運(yùn)用比相式原理，判斷線路電流流向，以區(qū)分故障線路與非故障線路，實(shí)現(xiàn)選擇性保護(hù)的目的?？赏ㄟ^(guò)在每段線路的開(kāi)關(guān)柜裝備電流互感器，來(lái)測(cè)量零序電流的流動(dòng)方向。

3）采用反應(yīng)接地故障電流穩(wěn)態(tài)幅值監(jiān)測(cè)零序電流量值。其原理是通過(guò)對(duì)比采集的各線路零序電流值與認(rèn)為設(shè)定的保護(hù)啟動(dòng)值，若零序電流高于定值則為接地線路。保護(hù)啟動(dòng)值IQ應(yīng)最遠(yuǎn)線路接地時(shí)，其最大自身電容電流ICZ.max，即[3]

式中：KK為可靠系數(shù)，當(dāng)延時(shí)時(shí)間約30 ms動(dòng)作時(shí)，KK取1.5～2可躲過(guò)系統(tǒng)短路時(shí)暫態(tài)過(guò)程。

同時(shí)對(duì)整定值IQ還需要校驗(yàn)每一條出線的靈敏度KL

因?yàn)榇吮Ｗo(hù)方式需要對(duì)電容電流值進(jìn)行測(cè)量計(jì)算，可以采用實(shí)測(cè)或估算等方式，同時(shí)需要整定啟動(dòng)定值的范圍，并對(duì)其靈敏度進(jìn)行校驗(yàn)。因此，對(duì)線路運(yùn)行距離較遠(yuǎn)且長(zhǎng)度差別較大的系統(tǒng)在每條線路上將無(wú)法保證足夠的靈敏度。隨著系統(tǒng)規(guī)模變化特別是某條長(zhǎng)線路退出時(shí)，靈敏度也隨之降低甚至嚴(yán)重下降，這種情況就需要重新整定啟動(dòng)定值。對(duì)系統(tǒng)線路較少情況，則系統(tǒng)與大地形成電容電流與故障電流的差別不明，易出現(xiàn)誤動(dòng)或拒動(dòng)現(xiàn)象，影響運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

為了克服此缺陷，解決單相接地的選相問(wèn)題，引入了群體比幅法原理來(lái)選擇接地故障線路。群體比幅法即把接入同一條母線上的所有線路作為一個(gè)群體，比較母線的零序電壓和所有線路零序電流的幅值和相位，原理也是一種基于零序電流幅值變化選擇性保護(hù)。當(dāng)零序電流相位滯后零序電壓π/2且與正常線路零序電流反相，則為故障線路。運(yùn)用此原理可設(shè)計(jì) 群體比幅電路，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)內(nèi)部電路元件會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)此電路，同時(shí)對(duì)該群體每條線路的零序電流信號(hào)進(jìn)行幅值比較，優(yōu)先檢查電流幅值最大的線路，然后關(guān)閉其他線路的保護(hù)動(dòng)作。由于故障線路的零序電流等于所有非故障線路零序電流之和，故大多情況下故障線路的電流幅值最大，其他線路的電流幅值遠(yuǎn)不如故障電流幅值，故該原理無(wú)論靈敏度還是可靠性都比較高[4]。

群體比幅原理選線保護(hù)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，無(wú)需整定計(jì)算，具有自適應(yīng)特性，可以避免不可定量的可變因素，也是目前應(yīng)用較廣泛的一種選線方式。一般情況下，在不接地系統(tǒng)中，一個(gè)群體具有兩條或兩條以上的線路便可實(shí)現(xiàn)動(dòng)作靈敏度，使用效果較好，但應(yīng)注意的是，消弧線圈接地系統(tǒng)中的補(bǔ)償作用會(huì)使這種選線方式失效。

2 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)

對(duì)于碼頭使用的岸邊集裝箱起重機(jī)、輪胎或軌道式集裝箱起重機(jī)等，由于港口是重要裝卸區(qū)與交通要道，不能設(shè)立較多的變電所，故由變電所引出的電纜較長(zhǎng)，如某港口最長(zhǎng)電纜為500余m，最短也有100余m，且具有移動(dòng)工作范圍大、集中裝卸作業(yè)時(shí)數(shù)量多等特點(diǎn)。這些情況會(huì)導(dǎo)致供電系統(tǒng)電容電流增大，若引發(fā)單相接地故障，則產(chǎn)生的持續(xù)電弧會(huì)損壞電纜或用電設(shè)備，或由此而引起的間隙性電弧也會(huì)破壞整個(gè)電網(wǎng)的對(duì)地絕緣問(wèn)題。為了克服這一缺點(diǎn)，可以采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈的接地系統(tǒng)。采用這種接地系統(tǒng)，即使出現(xiàn)單相接地故障狀況，由于消弧線圈的電感電流IL與接地電容電流流向相反，電流值近乎相等，電感電流IL與電容電流IC可有效的相互補(bǔ)償，故障電流被補(bǔ)償，且補(bǔ)償后的殘余電流較小，不足以維持電弧能自行熄滅的范圍，從而可消除接地區(qū)的電弧及其他可能產(chǎn)生的一些危害。消弧線圈也能較為明顯的降低故障線路相電壓的恢復(fù)速度，進(jìn)而保證電弧的熄滅和減少重燃可能性。單接地相故障特點(diǎn)為

1）由于采用消弧線圈的電感電流補(bǔ)償了電網(wǎng)接地電容電流的補(bǔ)償方式，故障線路的電流為補(bǔ)償后的電流，且數(shù)值很小，即補(bǔ)償后的電流為：IL-IJD，且與每條線路電容電流相近，與接地故障電流IJD流向相反。如圖2所示。

圖2 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地電網(wǎng)單相接地時(shí)的電流路徑

2）經(jīng)消弧線圈接地的電網(wǎng)稱為諧振接地系統(tǒng)，故障線路電流中存在較多的高次諧波，主要為二次諧波和五次諧波，正常線路則是以基波分量為主，相對(duì)來(lái)說(shuō)高次諧波占比較少。

針對(duì)1）可采用比相式原理，但沒(méi)有選擇性；針對(duì)2）可采用通過(guò)反應(yīng)接地線路穩(wěn)態(tài)電流高次諧波分量原理判別故障線路，原理是檢出故障線路和正常線路電流中的高次諧波（五次諧波為主），通過(guò)比較結(jié)果，進(jìn)而判別故障線路。由于故障線路中高次諧波分量數(shù)值會(huì)隨著系統(tǒng)結(jié)構(gòu)而改變，但計(jì)算不方便[5]。

3 經(jīng)消弧線圈中性點(diǎn)并高電阻接地系統(tǒng)

較中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)而言，中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)雖然接地安全性得到了提高，但由于電感暫態(tài)特性原因瞬時(shí)過(guò)電壓值依然較大。如果采用中性點(diǎn)經(jīng)電阻系統(tǒng)，可降低電壓值，接地故障也容易被檢測(cè)出來(lái)，但存在電阻值較小的故障電流過(guò)大現(xiàn)象，在某些特殊要求場(chǎng)合如在粉塵較多的場(chǎng)所，仍然會(huì)產(chǎn)生一定的危險(xiǎn)性。因此，汲取這兩種接地系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，可選擇經(jīng)消弧線圈并高電阻接地的中性點(diǎn)接地系統(tǒng)（見(jiàn)圖4）。

圖3中：XL、K1為消弧線圈及投切開(kāi)關(guān)；Rn、K2為中性點(diǎn)并聯(lián)電阻及投切開(kāi)關(guān)；UA、UB、UC為三相電壓；C01、C02為線路L1、L2的等效對(duì)地電容；C03為線路L3故障點(diǎn)至母線之間的等效對(duì)地電容。

圖3 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈并聯(lián)電阻接地示意圖

這種系統(tǒng)由于采用并聯(lián)高電阻接地方式，因此可以增加接地系統(tǒng)的有功分量或增量實(shí)現(xiàn)單相接地故障檢測(cè)，消弧線圈既可以充分補(bǔ)償接地電容電流，又可加速系統(tǒng)儲(chǔ)能的衰減，并且有效抑制共振過(guò)電壓和線性諧振過(guò)電壓，提高單相接地故障自恢復(fù)概率的作用。電弧接地過(guò)電壓值明顯下降，接地電流明顯減小，并且可以采用全補(bǔ)償和過(guò)補(bǔ)償運(yùn)行方式，解除對(duì)脫諧的顧慮，一般用于架空線路電網(wǎng)或電纜與架空線混合組成的電網(wǎng)，對(duì)于6 ～35 kV較大電網(wǎng)而言是一種較為理想的接地方式。

4 故障支路選線方法

所謂低頻信號(hào)注入法，主要采取的是將一個(gè)低頻交流信（如3 Hz超低頻信號(hào)）加注到電網(wǎng)中，如圖4所示。由于電網(wǎng)在接地時(shí)，其零序電流信號(hào)主要為50 Hz的工頻信號(hào)。而變壓器鐵芯和負(fù)荷的非線性特性，產(chǎn)生各類諧波分量，多為頻率大于50 Hz的五次諧波、七次諧波以及其他高頻干擾信號(hào)。當(dāng)電網(wǎng)中某一點(diǎn)接地發(fā)生故障時(shí)，超低頻信號(hào)便可通過(guò)接地點(diǎn)構(gòu)成一回路，從而故障支路零序電流互感器可檢測(cè)到此超低頻信號(hào)，非故障支路則無(wú)法取得該信號(hào)。同時(shí)保護(hù)裝置動(dòng)作整定值僅與超低頻信號(hào)和接地電阻值有關(guān)，與電網(wǎng)的絕緣參數(shù)無(wú)關(guān)。因此選用合適電流信號(hào)，就可保證動(dòng)作的可靠性[6]。

圖4 低頻信號(hào)注入法選擇性接地保護(hù)原理圖

理論上此方法具有較高的準(zhǔn)確率，并能進(jìn)行故障支路點(diǎn)的定位，相對(duì)于配電電網(wǎng)的高電壓、大電流，注入信號(hào)微弱、加之運(yùn)行環(huán)境場(chǎng)所惡劣極易影響注入信號(hào)的提出，經(jīng)常出現(xiàn)誤差或漏選現(xiàn)象等失敗現(xiàn)象，故選擇良好的信號(hào)檢測(cè)技術(shù)對(duì)此法的可行性與有效性至關(guān)重要。

5 結(jié)論

考慮到起重機(jī)械若采用非直接接地電源系統(tǒng)，單相接地若發(fā)生故障，設(shè)備外殼對(duì)地電壓即使不超過(guò)120 V，依據(jù)短路電流的最高值30 A（短路電流值一般不超過(guò)區(qū)間值介于10 ～30 A），則接地電阻應(yīng)為小于120/30=4 Ω。考慮到此時(shí)外殼電壓120 V，仍超出人體所承受的安全電壓值。因此，在設(shè)計(jì)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)時(shí)需要考慮自動(dòng)切斷接地故障的安全保護(hù)裝置[7]。目前，小電流接地系統(tǒng)接地選線保護(hù)大多已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，例如：大中型變電站裝備的監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)參數(shù)信息，并根據(jù)設(shè)定的預(yù)訂方案和程序，采用相應(yīng)的措施。小電流接地系統(tǒng)所涉及的情況比較復(fù)雜，不同系統(tǒng)的故障特性各一，很難找到共性，且某一套設(shè)備很難面面俱到的涉及所有情況，故目前還沒(méi)有完全可靠的設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。建議針對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行安全評(píng)價(jià)與分析，可通過(guò)對(duì)起重機(jī)高壓供電系統(tǒng)建立仿真模型進(jìn)并行仿真計(jì)算和結(jié)果分析，依據(jù)評(píng)估結(jié)論以實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓供電系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性評(píng)估和優(yōu)化[8]。