中核遼寧核電有限公司 高建喜 劉 瀟

1 施工電源接入情況

某核電廠內(nèi)設(shè)置1座輔助電源及施工電源變電站，為核電機(jī)組輔助變壓器和核電廠施工電源供電。變電站經(jīng)過1回220kV 線路與電力系統(tǒng)連接，站內(nèi)220kV 電氣主接線采用雙母線接線，配電裝置采用戶內(nèi)式氣體絕緣金屬封閉組合電器（GIS）。變電站內(nèi)設(shè)置施工變壓器，變壓器型式為雙繞組有載調(diào)壓降壓變壓器，變壓器額定容量16MVA、變比230±8×1.25%/10.5kV，接線組別YNd11。變壓器高壓側(cè)電源引自220kV 配電裝置，低壓側(cè)通過電纜引至變電站內(nèi)的10kV 施工電源段。10kV 施工電源段采用單母線分段接線，每段母線由1臺施工變壓器引接電源，兩段母線之間設(shè)置分段斷路器。每段母線設(shè)置9個(gè)饋線回路供施工單位引接電源。

圖1 電氣主接線圖

220kV 系統(tǒng)中性點(diǎn)采用直接接地方式，10kV配電裝置采用不接單方式。10kV 側(cè)負(fù)荷包括三個(gè)施工用環(huán)形供電網(wǎng)、廠前區(qū)供電網(wǎng)等兩部分。給施工用電供電的三個(gè)環(huán)形供電網(wǎng)每個(gè)均由8～9臺10/0.4kV 干式變壓器構(gòu)成，安裝容量約8MVA。環(huán)網(wǎng)內(nèi)聯(lián)絡(luò)電纜敷設(shè)量合計(jì)35km，電纜型號為YJV-22 3×185mm2。廠前區(qū)供電網(wǎng)給各子項(xiàng)（包括施工期鍋爐、制冷站、食堂、公寓、辦公樓等十余座建筑）的電源也由施工電源中壓側(cè)饋出，總的安裝容量約10MVA,中壓電纜敷設(shè)量約10km,電纜型號為YJV 3×70—3×240mm2。

2 電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式及問題的提出

國內(nèi)3～35kV 中壓配電系統(tǒng)普遍采用了中性點(diǎn)非有效接地方式，可分為中性點(diǎn)不接地，經(jīng)消弧線圈接地，經(jīng)大、中、小電阻接地方式。本文中核電廠采用的就是中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)。

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于：當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，雖然接地相對地電壓為零，但系統(tǒng)線電壓仍然對稱，系統(tǒng)運(yùn)行方式（線電壓）沒有破壞。中壓系統(tǒng)還可連續(xù)運(yùn)行1～2小時(shí)；這種方式的缺點(diǎn)在于：隨著電纜線路的大量使用，系統(tǒng)內(nèi)電纜線路、變電站內(nèi)母線的分布電容引起的對地電容電流大幅度增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，和架空線路相比較，在同等長度內(nèi)電纜線路的電容電流是架空輸電線路的50～100倍。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，在大量采用電纜線路進(jìn)行長距離供電的系統(tǒng)中電容電流有可能超過規(guī)程規(guī)定的安全可熄滅電流。

依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范》GB/T50064中3.1.3條的要求，由電纜線路構(gòu)成的6～20kV 系統(tǒng)，當(dāng)單相接地故障電容電流不大于10A 時(shí)，可采用中性點(diǎn)不接地方式。當(dāng)大于10A 又需要在接地故障條件下運(yùn)行時(shí)，宜采用中性點(diǎn)諧振接地方式。第3.1.4條規(guī)定6kV～35kV主要由電纜線路構(gòu)成的配電系統(tǒng)、發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電廠集電系統(tǒng)和除礦井的工業(yè)企業(yè)供電系統(tǒng)，當(dāng)單相接地故障電容電流較大時(shí)可采用中性點(diǎn)經(jīng)低電阻接地方式。

同時(shí)，由于接地電流超過規(guī)程規(guī)定，電弧不能自行熄滅，接地的交流電流在過零點(diǎn)后重燃，產(chǎn)生間歇性弧光過電壓，在最不利情況下過電壓可達(dá)4倍的相電壓，極有可能破壞電纜的絕緣，進(jìn)而形成相間短路接地，使故障范圍擴(kuò)大并波及并行敷設(shè)的相臨電纜線路。而且受環(huán)境和其它因素影響，接地電流往往經(jīng)過過渡電阻（包括電弧過渡電阻），接地電流極不穩(wěn)定，繼電保護(hù)靈敏度降低，很難正確動(dòng)作，選線的正確性不能保證。

中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于：充分發(fā)揮電感線圈和分布電容相位相反的優(yōu)勢，對電容電流進(jìn)行補(bǔ)償，使接地電流補(bǔ)償?shù)奖M可能小的程度；這種方式的缺點(diǎn)在于：在饋出線路較多的系統(tǒng)中極可能發(fā)生全補(bǔ)償?shù)那闆r，為避免發(fā)生此種情況一般系統(tǒng)均采取過補(bǔ)償?shù)姆绞?，但仍受饋出線路的影響導(dǎo)致電感電流的增大。

中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于：當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)接地電流通過電阻形成回路，根據(jù)接地電阻大小的不同接地電流被加大到上百、乃至上千安培，繼電保護(hù)靈敏度提高，能可靠動(dòng)作迅速切除故障線路、消除故障點(diǎn)，對電纜線路形成了很好的保護(hù)作用，防止故障范圍擴(kuò)大；其缺點(diǎn)在于：過大的接地電流要求繼電保護(hù)可靠動(dòng)作，否則故障范圍會(huì)擴(kuò)大。同時(shí)過大的接地電流對通訊線路造成干擾。

該核電廠施工電源投運(yùn)后，10kV 環(huán)網(wǎng)電纜發(fā)生多次中性點(diǎn)接地后引起的相間擊穿故障。經(jīng)現(xiàn)場工程技術(shù)人員反復(fù)討論分析，隨著認(rèn)識的不斷深入，由最初的單純分析電纜接頭制作工藝、密封性不嚴(yán)導(dǎo)致的受潮進(jìn)水、到夏季電纜溝進(jìn)水后潮氣通過電纜接頭串入電纜內(nèi)部并在電纜內(nèi)部聚集、冬季時(shí)受該地區(qū)氣溫低結(jié)冰后形成冰漲最終形成接地故障，最終認(rèn)識到中性點(diǎn)接地故障后由于過電壓引起的電容電流過大，同時(shí)在諧振過電壓的作用下導(dǎo)致電弧不能自行熄滅，或者電弧過零點(diǎn)熄滅后又重燃，最終發(fā)展成相間短路接地故障。

3 電容電流計(jì)算

單相接地電容電流的計(jì)算方法為Ic=1.732 UeωC×10-3，ω=2πf。式中Ic 為單相接地電容電流，A；Ue 為廠用電系統(tǒng)額定線電壓，kV；ω 為角頻率；C 為廠用電系統(tǒng)每相對地電容，μF，求得的電容值乘以1.25即為全系統(tǒng)總的電容近似值（包括廠用變壓器繞組、電動(dòng)機(jī)以及配電裝置等）；f 為頻率，Hz。對于具備金屬護(hù)層的10kV 三芯電力電纜，截面積95mm2電纜的每相對地電容為0.35（μF/km），截面積185mm2電纜的每相對地電容為0.45（μF/km），截面積240mm2電纜的每相對地電容為0.5（μF/km）。

對于廠前區(qū)中壓負(fù)荷，由于大部分電纜截面較小， 故選取95mm2電纜做基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì) 算。 施 工 環(huán) 網(wǎng) 電 容 電 流Ic1=1.732UeωC×10-3=1.732×10×2×3.14×50(0.45×35× 1.25)×10-3=107A， 廠前區(qū)供電網(wǎng)電容電流Ic2=1.732UeωC×10-3=1.732×10×2× 3.14×50(0.35×10×1.25)×10-3=23.8A，總的電容電流Ic=Ic1+Ic2=107+23.8 =130.8A。

從以上計(jì)算結(jié)果可看出：本系統(tǒng)采用中性點(diǎn)不接地方式時(shí)，電容電流超過國家標(biāo)準(zhǔn)10倍以上。不管系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障引起電纜著火的表象原因是哪種，其根本原因是接地電容電流大幅度超過國家標(biāo)準(zhǔn)，從而在接地故障發(fā)生時(shí)產(chǎn)生過電壓使接地點(diǎn)電容電流產(chǎn)生的電弧不能自行熄滅或熄滅后重燃引起的。所以對本系統(tǒng)中性點(diǎn)改造勢在必行。

圖2 局部燒損圖

圖3 事故全景圖

4 中性點(diǎn)接地方式及接地設(shè)備選擇

4.1 中性點(diǎn)接地方式

由計(jì)算結(jié)果可看出，目前情況下不論是改變運(yùn)行方式（采用分段或解環(huán)運(yùn)行）還是調(diào)整繼電保護(hù)定值均不能將電容電流降到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的10A 以下。且隨著建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大后續(xù)仍不斷有新的負(fù)荷接入系統(tǒng)，電容電流有持續(xù)增加的趨勢。所以只有按照國家標(biāo)準(zhǔn)《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范》GB/T50064中對中性點(diǎn)接地方式的規(guī)定，對本系統(tǒng)中性點(diǎn)采取諧振接地或電阻接地模式來解決電容電流超標(biāo)的問題。無論采用諧振接地或電阻接地模式，均需在10kV 側(cè)采用Z 型聯(lián)接的阻抗變壓器制造中性點(diǎn)，并在中性點(diǎn)配置消弧線圈或電阻。

4.2 接地阻抗變壓器容量計(jì)算

消弧線圈容量選擇。消弧線圈容量計(jì)算參照《導(dǎo)體和電器選擇設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》DL/T5222-2005的規(guī)定中的計(jì)算方法：Q=KICUN/1.732，式中Q 為補(bǔ)償容量，kVA；IC為電容電流，A；K 為補(bǔ)償系數(shù)，過補(bǔ)償取1.35；UN為廠用電系統(tǒng)額定線電壓，kV。計(jì)算結(jié)果：補(bǔ)償容量Q=KICUN/1.732=1.35×130.8×10/1.732=1019.5kVA；考慮后續(xù)電纜量增加，消弧線圈和接地變壓器容量選擇1250kVA。

采用經(jīng)電阻接地時(shí)接地變?nèi)萘窟x擇。接地變短路容量Sk=1.732UeIN，根據(jù)IEEE C62.92.3標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于過載短時(shí)容量換算成持續(xù)容量的規(guī)定，接地變持續(xù)容量（10s 過載倍數(shù)為10.5）SN=Sk/10.5，式中Sk為接地時(shí)的相短路容量，kVA；Iφ為短路相電流，A；IN為流入中性點(diǎn)電流；Ue 為廠用電系統(tǒng)額定線電壓，kV。10kV 系統(tǒng)采用小電阻接地，如果接地電阻選擇6Ω，則接地電流Iφ=10000/(1.732×6)=962A。計(jì)算結(jié)果：短路容量Sk=1.732U eIφ=1.732UeIφ/3=1.732×10×962/3=5556kVA；持續(xù)容量SN=Sk/10.5=5556/10.5=529kVA；考慮后續(xù)電纜量增加，接地變壓器容量選擇600kVA。

4.3 設(shè)備選擇及特點(diǎn)分析

4.3.1 諧振接地方式設(shè)備選擇

諧振接地模式指在中性點(diǎn)增加電感性設(shè)備補(bǔ)償發(fā)生單相接地故障時(shí)的電容電流，把總的接地電流限制在一定范圍，電感性設(shè)備一般采用消弧線圈。消弧線圈按電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《導(dǎo)體和電器選擇設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》DL/T5222-2005的規(guī)定選擇。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)的要求，配電網(wǎng)用消弧線圈按過補(bǔ)償方式選擇，以免產(chǎn)生諧振，經(jīng)計(jì)算需安裝的消弧線圈總?cè)萘繛?250kVA，每段母線安裝1套，另外消弧線圈采用自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償?shù)姆绞?，使補(bǔ)償后的接地電流不大于10A，以不改變現(xiàn)有運(yùn)行方式。中性點(diǎn)采用諧振接地的特點(diǎn)是發(fā)生單相接地故障時(shí)通過消弧線圈補(bǔ)償（抵消）單相電容電流，使總的單相接地故障電流不大于10A，把電弧引起的過電壓限制在2.6倍額定電壓以內(nèi)，避免損害系統(tǒng)的絕緣而使事故擴(kuò)大。

這種接地方式的主要優(yōu)點(diǎn)是供電連續(xù)性較好，因?yàn)榭偟慕拥毓收想娏鬏^小，系統(tǒng)可在發(fā)生單相接地故障時(shí)持續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間（一般小于2小時(shí)），此時(shí)保護(hù)動(dòng)作于報(bào)警，用于查找故障回路并消除故障。另外，施工變電站現(xiàn)采用中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，采用諧振接地方式后總的單相接地電流變化不大，原有保護(hù)裝置不用更換，但需要增加1套小電流接地選線裝置；這種接地方式的主要缺點(diǎn)是消弧線圈的補(bǔ)償量需根據(jù)配電系統(tǒng)的負(fù)荷變化調(diào)整，施工變電站內(nèi)由于遠(yuǎn)期負(fù)荷增加較多，且負(fù)荷在各段上的投入也會(huì)隨著運(yùn)行方式調(diào)整，消弧線圈的調(diào)整檔位選擇困難，一旦因裝置原因造成跟蹤困難或檔位選擇不合理可能在系統(tǒng)中產(chǎn)生諧振，或故障時(shí)補(bǔ)償電流過大引起保護(hù)動(dòng)作，無法實(shí)現(xiàn)單相接地故障時(shí)的持續(xù)供電功能。

4.3.2 電阻接地方式設(shè)備選擇

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范》GB/T50064的規(guī)定，當(dāng)單相接地故障電容電流較大時(shí)可采用中性點(diǎn)經(jīng)低電阻接地方式。電阻的作用是發(fā)生單相接地時(shí)，通過電阻形成大于單相接地電容電流并與其并聯(lián)的電阻性電流形成金屬性接地，以限制因電弧引起的過電壓。采用中性點(diǎn)經(jīng)低電阻接地的方式后，發(fā)生單相接地時(shí)保護(hù)瞬時(shí)動(dòng)作于跳閘。優(yōu)點(diǎn)是通過形成金屬回路限制發(fā)生單相接地故障時(shí)的過電壓，同時(shí)保護(hù)裝置瞬時(shí)動(dòng)作，減少故障對設(shè)備和導(dǎo)體的損害；缺點(diǎn)是發(fā)生單相接地故障時(shí)的供電連續(xù)性較差。

5 結(jié)語

10kV 配電網(wǎng)的中性點(diǎn)接入方式與系統(tǒng)的電容電流相關(guān)，并需結(jié)合運(yùn)行方式確定。由于該核電廠建設(shè)規(guī)模較大，根據(jù)對現(xiàn)有供電系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)計(jì)算，總的單相接地電容電流已遠(yuǎn)超過10A，項(xiàng)目大規(guī)模建設(shè)開始后施工負(fù)荷將繼續(xù)增加，10kV 施工電源系統(tǒng)的單相接地電容電流將變得更大，仍采用中性點(diǎn)不接地方式將影響系統(tǒng)的運(yùn)行安全，因此建議改變10kV 系統(tǒng)的接地方式。

經(jīng)過分析，施工電源和廠前區(qū)負(fù)荷均為非重要負(fù)荷，但受工期和北方季節(jié)影響施工期較短等因素影響，對供電的連續(xù)性要求比較高，故決定采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式，限制電容電流在國家標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。