張 瑩

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038)

0 引言

電力系統(tǒng)的中性點的運行方式,是一個十分復(fù)雜的問題。它與電壓等級、單相接地短路電流、過電壓水平、保護(hù)配置等有關(guān),直接影響到絕緣水平、系統(tǒng)供電的可靠性和連續(xù)性、通信干擾等很多方面。作者以往所接觸的工程為國內(nèi)的用電企業(yè)配電網(wǎng)或小型火力發(fā)電廠的設(shè)計,其中性點接地方式多借鑒成熟設(shè)計經(jīng)驗。本文結(jié)合某國外項目的實際設(shè)計范例,介紹中性點接地方式的選擇的過程和相關(guān)接地元件的參數(shù)計算。

1 系統(tǒng)接地方式的介紹

中性點的接地有中性點有效接地系統(tǒng)和中性點非有效接地系統(tǒng)兩大類(也稱中性點直接接地和中性點非直接接地)。也有根據(jù)單相接地電流或同點兩相接地時入地電流的大小來區(qū)分中性點接地系統(tǒng),把大于500 A 的稱為大接地短路電流系統(tǒng),500 A 及以下的稱為小接地短路電流系統(tǒng)。一般情況下,中性點直接接地系統(tǒng)屬于大接地短路電流系統(tǒng),非直接接地電網(wǎng)屬于小接地短路電流系統(tǒng)。

具體接地形式又分為中性點直接接地、中性點經(jīng)消弧線圈(消弧電抗器)接地、中性點經(jīng)電阻器接地、中性點不接地四種。其中,中性點經(jīng)電阻器接地,按接地電流大小又分為高阻接低和低阻接地。

1.1 中性點直接接地

中性點直接接地或經(jīng)一低值阻抗接地的系統(tǒng),稱為有效接地系統(tǒng)。采用中性點經(jīng)低值(不大于10 Ω)電阻接地,也是有效接地系統(tǒng)。

有效接地系統(tǒng)的優(yōu)點是系統(tǒng)的過電壓水平和絕緣水平較低。系統(tǒng)的動態(tài)電壓升高不超過系統(tǒng)額定電壓的80%,高壓電網(wǎng)中采用這種接地方式降低設(shè)備和線路造價,經(jīng)濟(jì)效益顯著。

缺點是發(fā)生單相接地故障時單相接地電流很大,為了防止損壞設(shè)備,必須迅速切除接地相甚至三相,降低了供電連續(xù)性,因而供電可靠性差。此外單線接地電流有時會超過三相短路電流,影響斷路器遮斷能力的選擇,并有對通信線路產(chǎn)生干擾的危險。

1.2 中性點不接地

中性點不接地方式優(yōu)點是發(fā)生單相接地故障時,不形成短路回路,通過接地點的電流僅為電容電流。當(dāng)單相接地故障電流很小時,無需使線路斷開,可以帶故障運行一段時間,以便查找故障線路,因而大大提高了供電可靠性。另外電網(wǎng)的單相接地電流很小,對鄰近通信線路干擾也小。

缺點是發(fā)生單相接地故障時,非接地相的對地電壓卻升高為相電壓的倍,而且會產(chǎn)生弧光重燃過電壓。這種過電壓現(xiàn)象會造成電氣設(shè)備的絕緣損壞或開關(guān)柜絕緣子閃絡(luò),電纜絕緣擊穿,所以要求系統(tǒng)絕緣水平較高。

1.3 中性點經(jīng)消弧線圈接地

3～63 kV 電網(wǎng)當(dāng)單相接地電流超過允許值時,可采用消弧線圈補(bǔ)償電容電流保證接地電弧瞬間熄滅,消除弧光間歇接地過電壓。

1.4 中性點經(jīng)電阻接地

(1)中性點經(jīng)高電阻接地。高電阻接地方式以限制單相接地故障電流為目的,電阻阻值一般在數(shù)百～數(shù)千歐姆。采用高電阻接地的系統(tǒng)可以消除大部分諧振過電壓、對單相間歇弧光接地過電壓具有一定的限制作用,同時可提供足夠的電流和零序電壓,使接地保護(hù)可靠動作,單相接地故障電流小于10 A,系統(tǒng)可在接地故障條件下持續(xù)運行不中斷供電。缺點是系統(tǒng)絕緣水平要求較高。一般用于大型發(fā)電機(jī)中性點。

(2)中性點經(jīng)低電阻接地。6～35 kV 主要有電纜線路構(gòu)成的送、配電網(wǎng)絡(luò),單相接地故障電容電流較大時,可采用低電阻接地方式,單相接地故障電流100～1 000 A。低電阻接地的優(yōu)點是快速切除故障,過電壓水平低(參考中性點直接接地系統(tǒng)),可采用絕緣水平較低的電纜和設(shè)備。但應(yīng)考慮供電可靠性要求、故障時瞬態(tài)電壓、瞬態(tài)電流對電氣設(shè)備的影響,對通信的影響和繼電保護(hù)技術(shù)要求。

該接地方式適用于電纜線路,不容易發(fā)生瞬時性單相接地故障且系統(tǒng)電容電流比較大的城市配電網(wǎng)、發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)及工礦企業(yè)配電系統(tǒng)。

總而言之,在電壓等級較高的系統(tǒng)中,絕緣費用在設(shè)備總價格中占相當(dāng)大比重,降低絕緣水平帶來的經(jīng)濟(jì)效益很顯著。所以一般采用中性點直接接地方式,而以其他措施提高供電可靠性。反之,在電壓等級較低的系統(tǒng)中,一般采用中性點不接地方式以提高供電可靠性。在我國,110 kV 及以上的系統(tǒng)中性點直接接地,66 kV 及以下的系統(tǒng)中性點不接地。在國外,由于通常都采用有備用接線方式,供電可靠性有保障,66 kV 及以下的系統(tǒng)中性點往往也直接接地。

2 中性點接地方式的選擇

2.1 示例工程概況

某國外項目建設(shè)地點位于西非某國西部冶煉廠區(qū)內(nèi),為向冶煉廠配套提供硫酸的制酸廠,副產(chǎn)蒸汽發(fā)電。硫酸生產(chǎn)規(guī)模為1 500 t/d,制酸產(chǎn)生的熱量余熱回收生產(chǎn)蒸汽,除酸廠自用外多余蒸汽采用汽輪機(jī)發(fā)電。主要的工段有熔硫及儲存、焚硫轉(zhuǎn)化及余熱回收、干燥吸收、尾氣吸收、發(fā)電站、除鹽水站、循環(huán)水站、啟動鍋爐房、配電室及綜合樓。電力設(shè)計范圍包括廠區(qū)內(nèi)部供配電、余熱發(fā)電站、工藝設(shè)備控制、生產(chǎn)照明、設(shè)備防雷、接地。

開車時,本項目電源由冶煉廠提供。本項目內(nèi)設(shè)33 kV 配電站,利用33 kV 并網(wǎng)線路將冶煉廠電能經(jīng)主變降壓,送電至6.6 kV 廠用母線,作為項目啟動電源,主變壓器在啟動時作為降壓變壓器。

正常生產(chǎn)后,利用制酸過程中的產(chǎn)生的熱量進(jìn)行余熱發(fā)電。余熱發(fā)電首先供給廠內(nèi)用電負(fù)荷,剩余的電量經(jīng)升壓送至冶煉廠的33 kV 電網(wǎng),此時主變作為升壓變壓器。發(fā)電機(jī)出口接入6.6 kV 廠用母線。全廠主接線系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 全廠主接線系統(tǒng)圖

本項目用電負(fù)荷情況如下:

(1)中壓6.6 kV 負(fù)荷:用電設(shè)備臺數(shù)1 臺、用電設(shè)備容量3 100 kW。計算有功功率:2 480 kW、計算視在功率2 755.6 kVA。

(2)低壓525 V 負(fù)荷:用電設(shè)備安裝臺數(shù)205臺、工作臺數(shù)190 臺。用電設(shè)備安裝容量5 235 kW、工作容量4 191 kW

廠內(nèi)設(shè)一臺33/6.6 kV 16 MVA 有載調(diào)壓變壓器,33 kV 側(cè)經(jīng)電纜由鈾冶煉廠引來,6.6 kV 側(cè)經(jīng)電纜引至廠用母線,6.6 kV 采用單母線接線;

廠內(nèi)設(shè)兩臺SCB11 6.6/0.525 kV 2500 kVA 變壓器,6.6 kV 側(cè)經(jīng)電纜由廠用母線供電;0.525 kV側(cè)采用單母線分段接線,放射式供電,為廠內(nèi)低壓負(fù)荷供電;

廠內(nèi)設(shè)一臺三相同步汽輪發(fā)電機(jī),額定電壓為6.9 kV,額定頻率50 Hz(3 000 r/min),額定功率為15 MW。發(fā)電機(jī)出口經(jīng)母線引至6.6 kV 廠用母線。

2.2 系統(tǒng)接地方式的選擇

本工程業(yè)主有文件要求:

33 kV 電源端中性點通過阻抗接地,故障電流限制在300 A 以下;

6.6 kV 電源端中性點通過阻抗接地,故障電流限制在150 A 以下;

525 V 采用TN-S 系統(tǒng),電源端中性點直接接地。

525 V 接地方式與我國的習(xí)慣方式一致,不再論述。本文著重對33 kV 和6.6 kV 系統(tǒng)的中性點接地方式進(jìn)行分析。

2.2.1 33 kV 系統(tǒng)中性點接地方式的選擇

本項目作為某大型冶煉廠內(nèi)的一部分,既可以通過余熱發(fā)電向冶煉廠提供電源,也可能在余熱發(fā)電系統(tǒng)停用的情況下,作為冶煉廠的用電終端。在作為用電終端的情況下,因為本項目沒有其他的33 kV 配電線路,只有一路33 kV 電纜進(jìn)線連接至主變壓器,此時不需要考慮中性點接地方式的問題。而在向冶煉廠提供電源的情況下,此時主變壓器是一個電源端,就需要考慮它的中性點接地方式。

我國規(guī)程規(guī)定,3～10 kV 不直接連接發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)和35 kV、66 kV 系統(tǒng),當(dāng)單相接地故障電容電流不超過下列數(shù)值時,應(yīng)采用不接地方式;當(dāng)超過下列數(shù)值又需在接地故障條件下運行時,應(yīng)采用消弧線圈接地方式:

(1)3～10 kV 鋼筋混凝土或金屬桿塔的架空線路構(gòu)成的系統(tǒng)和所有35 kV、66 kV 系統(tǒng),10 A。

(2)3～10 kV 非鋼筋混凝土或非金屬桿塔的架空線路構(gòu)成的系統(tǒng),當(dāng)電壓為:

①3 kV 和6 kV 時,30 A;

②10 kV 時,20 A。

(3)3～10 kV 電纜線路構(gòu)成的系統(tǒng),30 A。

6～35 kV 主要由電纜線路構(gòu)成的送、配電系統(tǒng),單相接地故障電容電流較大時可采用低電阻接地方式,但應(yīng)考慮供電可靠性要求、故障時瞬態(tài)電壓、瞬態(tài)電流對電氣設(shè)備的影響、對通信的影響和繼電保護(hù)技術(shù)要求以及本地的運行經(jīng)驗等。

因為對冶煉廠的電氣情況不了解,無法取得單相接地故障電容電流資料,根據(jù)進(jìn)線回路是電纜回路,推斷整個冶煉廠區(qū)33 kV 系統(tǒng)的配電線路以電纜線路為主,單相接地故障電容電流可能較大,加之業(yè)主提出要求,因此33 kV 系統(tǒng)采用中性點經(jīng)電阻接地。在主變壓器33 kV 側(cè)加接地電阻器,其參數(shù)按業(yè)主要求保證故障電流限制在300 A 以下進(jìn)行選擇。

(1)接地電阻器的額定電壓按下式確定

式中UrR—接地電阻器的額定電壓,kV;

Un—系統(tǒng)的標(biāo)稱電壓,kV。

(2)接地電阻器的阻值按下式計算

式中R—中性點接地電阻器的阻值,Ω;

Un—系統(tǒng)的標(biāo)稱電壓,kV;

IR—電阻電流,A;

Ic—系統(tǒng)單相接地的電容電流,A;

K—系數(shù),單相對地短路時電阻電流與電容電流的比值,一般為1.1～1.5。

當(dāng)K值控制在上述范圍時可以限制內(nèi)部過電壓不超過2.6 倍。

本項目主變壓器采用YN,d11 聯(lián)結(jié)組,在33 kV側(cè)為YN 接線,因此在33 kV 側(cè)Y 型中性點加裝25 kV,70 Ω 接地電阻器。

2.2.2 發(fā)電機(jī)中性點接地方式的選擇

發(fā)電機(jī)中性點接地方式如前所述,也有多種方式可以選擇,對于發(fā)電機(jī)中性點直接接地系統(tǒng),當(dāng)發(fā)生單相接地故障時,接地故障電流大,即使繼電保護(hù)迅速切機(jī),也會對發(fā)電機(jī)造成損害。發(fā)電機(jī)中性點經(jīng)低阻抗接地,隨可以部分限制單相接地電流,但故障點接地電流幅值至少是100 A,在這個接地電流下繼電保護(hù)快速切機(jī),鐵芯的嚴(yán)重?zé)龤匀徊豢杀苊狻Ｒ虼税l(fā)電機(jī)中性點常采用非直接接地方式,即發(fā)電機(jī)中性點不接地方式、經(jīng)消弧線圈接地方式和經(jīng)高電阻接地方式。

《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》規(guī)定:“3～20 kV 具有發(fā)電機(jī)的系統(tǒng),發(fā)電機(jī)內(nèi)部發(fā)生單相接地故障不要求瞬間切機(jī)時,如單相接地故障電容電流不大于表1 所示允許值時,應(yīng)采用不接地方式;大于該允許值時,應(yīng)采用消弧線圈接地方式,且故障點殘余電流也不得大于該允許值?！?/p>

表1 發(fā)電機(jī)接地故障電流允許值

本項目6.6 kV 系統(tǒng)單相接地故障電容電流的計算如下所示:

電網(wǎng)中的單相接地電容電流由電力線路和電力設(shè)備兩部分的電容電流組成。

(1)電纜線路的單相接地電容電流(A)

(2)發(fā)電機(jī)電容電流(A)

(3)變電站電容電流(A)

(4)本項目電容電流(A)

由計算結(jié)果可以看出,單相接地故障電容電流很小,不超過允許值。發(fā)電機(jī)中性點不接地方式適用于125 MW 及以下中小機(jī)組。本項目余熱發(fā)電機(jī)組容量為15 MW,屬于這種情況。采用發(fā)電機(jī)中性點不接地方式,并在發(fā)電機(jī)中性點裝設(shè)電壓為額定相電壓的避雷器,防止三相進(jìn)波在中性點反射引起過電壓。

2.2.3 6.6 kV 系統(tǒng)中性點接地方式的選擇

本項目6.6 kV 系統(tǒng)為發(fā)電機(jī)母線和廠用工作母線共用《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》規(guī)定:6 kV 和10 kV 配電系統(tǒng)以及發(fā)電廠廠用電系統(tǒng),單相接地故障電容電流較小時,為防止諧振、間歇性電弧接地過電壓等對設(shè)備的損害,可采用高電阻接地方式。

本項目33 kV、6.6 kV 電纜線路較少,單相接地故障電容電流也很小,根據(jù)規(guī)程可以采用中性點不接地方式或是高電阻接地方式。而業(yè)主要求的“6.6 kV 電源端中性點通過阻抗接地,故障電流限制在150 A 以下”,應(yīng)該是中性點經(jīng)低電阻接地方式。作者認(rèn)為,可能是對于冶煉廠的系統(tǒng)來說,電纜線路較多,單相接地故障電容電流較大;另外本項目所在地為非洲某國家,小電阻接地系統(tǒng)在國外應(yīng)用較為廣泛,因此提出了這樣的要求?？紤]與冶煉廠接地方式統(tǒng)一,且本項目配電回路為母線和電纜,單線接地故障幾率較低,因此也采用中性點經(jīng)經(jīng)電阻接地的方式。

(1)接地電阻器的額定電壓按式(1)確定

(2)接地電阻器的阻值按式(2)計算

中性點經(jīng)高電阻接地的情況下,要求接地電阻流過的故障電流與不接地電網(wǎng)接地電容電流數(shù)值相等或略大,即IR=KIc;中性點經(jīng)低電阻接地的情況下,接地電阻流過的故障電流很大,趨近于中性點直接接地情況下的故障電流,此時IR遠(yuǎn)大于KIc。本項目要求6.6 kV 故障電流限制在150 A以下,因此IR按150 A 計算,選擇5 kV、30 Ω 接地電阻器。

在6.6 kV 母線沒有中性點可以引出設(shè)備,因此選用Z 型三相接地變壓器來實現(xiàn)系統(tǒng)對中性點接地的要求。

(1)接地變壓器額定電壓

式中UrT—變壓器額定一次電壓,kV。

接于系統(tǒng)母線的三相接地變壓器額定一次電壓與系統(tǒng)標(biāo)稱電壓一致。

(2)接地電阻器的消耗功率

式中PR—接地電阻器的消耗功率,kVA。(3)接地變壓器額定容量

式中SrT—接地變壓器額定容量,kVA。

選擇1 000 kV、6.6 kV 接地變壓器。

3 結(jié)論

選擇系統(tǒng)中性點接地方式是一個綜合問題,需要對概念的深入理解、并進(jìn)行多種計算。系統(tǒng)在中性點接地方式的選擇上有多種方式,每種方式考慮的側(cè)重點不同,要根據(jù)工程實際情況,選擇技術(shù)上可靠、經(jīng)濟(jì)上優(yōu)化的方式。