供電系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式的探討

劉 江

[摘要]介紹鋼鐵企業(yè)供電系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式，對(duì)不同中性點(diǎn)接地方式的利弊進(jìn)行分析；針對(duì)弧光接地過電壓的產(chǎn)生及危害和對(duì)如何限制弧光接地過電壓進(jìn)行探討。

[關(guān)鍵詞]中性點(diǎn)接地方式電容電流弧光接地過電壓限制措施

中圖分類號(hào)：TM7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671--7597(2009)1020026--02

一、概述

國家規(guī)程規(guī)定，在1kV及以上的高壓系統(tǒng)中，單相接地電流或同點(diǎn)兩相接地時(shí)入地電流大于500A的稱為太接地短路電流系統(tǒng)。500A及以下的稱為小接地短路電流系統(tǒng)。

一般來說，中性點(diǎn)直接接地或者經(jīng)過低電阻接地的電網(wǎng)屬于大接地短路電流系統(tǒng)；中性點(diǎn)不接地、經(jīng)過消弧線圈或者高、中電阻(簡稱電阻)等接地，屬于小接地短路電流系統(tǒng)。

目前國內(nèi)鋼鐵企業(yè)電壓等級(jí)在66kv及以下的供電系統(tǒng)中，中性點(diǎn)接地方式一般為不接地方式、消弧線圈接地方式和電阻接地方式等。

電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式選擇原則為：

1、保證供電可靠性。

2、電力系統(tǒng)過電壓與絕緣配合。

3、滿足繼電保護(hù)要求。

4、減少對(duì)信息系統(tǒng)的干擾影響。

二、中性點(diǎn)不接地方式

在大多數(shù)鋼鐵企業(yè)中，電網(wǎng)發(fā)展初期，供電系統(tǒng)單相接地電容電流較小，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱，一般采用中性點(diǎn)不接地方式運(yùn)行。這種接地方式投資?。簩?duì)于20～35kV系統(tǒng)單相接地故障電流10A以下、6～10kV系統(tǒng)單相接地故障電流30A以下，單相接地后允許帶接地故障繼續(xù)運(yùn)行1～2h，具有供電連續(xù)性好等優(yōu)點(diǎn)。

但是隨著企業(yè)的發(fā)展，供配電系統(tǒng)的擴(kuò)建，特別是具有固體絕緣的電纜線路逐漸取代架空線路，使電網(wǎng)對(duì)地電容電流增加。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，過大的電容電流形成的電弧接地故障難以自動(dòng)消除，極可能演化成間歇性弧光接地，此時(shí)產(chǎn)生的弧光接地過電壓和由此激發(fā)的鐵磁諧振過電壓將嚴(yán)重威脅電網(wǎng)安全運(yùn)行，有時(shí)繼而發(fā)展為二相短路故障(攀鋼1號(hào)板坯連鑄LF爐35kV電源電纜曾發(fā)生過類似故障)等。這些都是中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)難以克服的缺點(diǎn)。

三、中性點(diǎn)消弧線圈接地方式

為了解決中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)存在的問題，在《電力設(shè)備過電壓保護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定，當(dāng)單相接地故障電流(電容電流)大于下列數(shù)值時(shí)，應(yīng)裝設(shè)消弧線圈進(jìn)行補(bǔ)償：

3～10kV電力網(wǎng)——30A；

20kV及以上電力網(wǎng)——10A。

(一)消弧線圈裝置的應(yīng)用

為了避免由巨大的接地故障電流(電容電流)所帶來的一系列問題，使瞬時(shí)性接地故障自動(dòng)消除而不影響供電，我國在20世紀(jì)60年開始采用固定式消弧線圈裝置。但由于固定式消弧線圈的電感值是固定的(或分成幾個(gè)固定的分接頭)，不能自動(dòng)調(diào)節(jié)。當(dāng)供電系統(tǒng)電容電流變化時(shí)，必須人為地改變分接頭，而且因無手段得到系統(tǒng)的詳細(xì)資料，使得對(duì)調(diào)節(jié)趨向的正確判斷很難掌握，這就使得消弧線圈的電感與系統(tǒng)對(duì)地電容電流的諧振機(jī)率增加。隨著電力工業(yè)的發(fā)展，在20世紀(jì)80年代后期，出現(xiàn)了自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償(或自動(dòng)調(diào)諧)消弧系統(tǒng)。該系統(tǒng)克服了固定式消弧線圈的缺點(diǎn)，同時(shí)因采用了可控式消弧線圈，系統(tǒng)控制器和配以小電流接地選線裝置，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)電容電流的變化，為供電系統(tǒng)提供了較為準(zhǔn)確的補(bǔ)償電流，使瞬時(shí)性單相接地故障得以消除。當(dāng)時(shí)這種接地方式在電力系統(tǒng)和鋼鐵企業(yè)的供電系統(tǒng)中較為普遍采用。

(二)中性點(diǎn)消弧線圈接地方式的利弊

1、電網(wǎng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈(自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償)接地方式的優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)降低了電網(wǎng)絕緣閃絡(luò)(如雷擊閃絡(luò))接地故障電流的建弧率，減少了線路跳閘率。

(2)金屬性接地故障時(shí)，可帶單相接地運(yùn)行一段時(shí)間，改善了電網(wǎng)不間斷供電，提高了供電可靠性。

(3)接地工頻電流(即常稱的殘流)小，降低了地電位升高，減少了跨步電位差和接地電位差，減少了對(duì)低壓設(shè)備的反擊及對(duì)信息系統(tǒng)的干擾等。

(4)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制，滿足無人值班的要求。

2、中性點(diǎn)消弧線圈接地方式也存在以下缺點(diǎn)：

(1)不能消除弧光接地過電壓。

現(xiàn)行所有以消弧線圈設(shè)計(jì)的自動(dòng)跟蹤或自動(dòng)調(diào)諧都是在電網(wǎng)工頻(50Hz)下完成的。電網(wǎng)在單相間歇性電弧接地時(shí)，在健康相(非故障相上)發(fā)生的弧光過電壓和通過電弧接地故障點(diǎn)的總電流是幅值較大的高頻電流，而電網(wǎng)電容和消弧線圈電感在高頻下，兩者頻率特性不同，因此兩者是不可能互相補(bǔ)償或調(diào)諧的。

(2)消弧線圈與系統(tǒng)對(duì)地電容有可能發(fā)生串聯(lián)諧振，產(chǎn)生虛幻接地或串聯(lián)諧振過電壓。

(3)由于消弧線圈的補(bǔ)償作用，使故障點(diǎn)的電流減少，相位發(fā)生變化，導(dǎo)致選線靈敏度降低。

(4)消弧線圈結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)工作量較大，投資費(fèi)用高。

四、中性點(diǎn)電陰接地方式

由于消弧線圈運(yùn)行時(shí)存在上述問題，我國北京、上海、廣州等地區(qū)已逐步將中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地改為經(jīng)電阻接地方式。在許多鋼鐵企業(yè)的供電系統(tǒng)中也采用了中性點(diǎn)電阻接地方式。如寶鋼、上海一鋼公司、武鋼、昆鋼、新疆八鋼等等。

中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地，從根本上解決了消弧線圈正常運(yùn)行中帶來的問題，降低了電弧過電壓和鐵磁諧振過電壓。保護(hù)繼電器能可靠動(dòng)作，快速將故障切除，避免了接地電流造成的設(shè)備損壞。降低了接地故障入地電流造成的地電位升高。減少了對(duì)信息系統(tǒng)的干擾等。但是，此種接地方式也存在一些不足，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，不論是金屬性接地還是弧光接地，均切除故障線路，犧牲了對(duì)用戶供電的可靠性。另外，由于加大了故障電流，發(fā)生弧光接地時(shí)會(huì)加劇故障點(diǎn)的燒損。

不過對(duì)于冶金工廠來講，目前大都采用電纜線路，電纜線路發(fā)生單相接地故障多為永久性故障，對(duì)于永久性故障應(yīng)及時(shí)切除，否則可能引起事故擴(kuò)大。另外，冶金工廠一般采用兩回路電源供電，對(duì)重要負(fù)荷還裝有自動(dòng)投入裝置，因此切除一回永久性故障線路，對(duì)供電可靠性帶來的影響不是太大。

五、弧光接地過電壓的產(chǎn)生及危害

(一)弧光接地過電壓的產(chǎn)生

形成弧光接地過電壓的基礎(chǔ)是間歇性電弧。當(dāng)中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)發(fā)生單相間歇性弧光接地故障時(shí)，由于電弧多次不斷的熄滅和重燃，導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)地電容上的電荷多次不斷的積累和重新再分配，在非故障相的電感一電容回路上引起高頻振蕩過電壓。

供電系統(tǒng)運(yùn)行中單相接地情況，一般是：間歇性電弧接地一穩(wěn)定電弧接地一金屬性接地。根據(jù)有關(guān)資料介紹，間歇性電弧接地持續(xù)時(shí)間可達(dá)0.2～2s，頻率達(dá)300～3000Hz；然后呈穩(wěn)定電弧接地，持續(xù)時(shí)間達(dá)2～10s；最后故障點(diǎn)導(dǎo)線被燒熔成為金屬性接地，即所謂永久性故障接地。另外，最危險(xiǎn)的情況是，發(fā)生在單相間歇性電弧接地時(shí)刻，在非故障相上發(fā)生的弧光接地過電壓最高(可達(dá)3～4倍相電壓)，通過電弧接地故障點(diǎn)的

高頻振蕩電流最大(可達(dá)數(shù)百安培)，時(shí)間雖短，但危害很大，極有可能損壞或破壞元件。

有資料介紹，從弧光接地過電壓產(chǎn)生的整個(gè)過程來看，與系統(tǒng)對(duì)地電容電流的大小并無關(guān)系。有人曾經(jīng)在系統(tǒng)對(duì)地電容電流為1.1～4.5A的情況下做過上千次試驗(yàn)，結(jié)果每次都有弧光接地過電壓產(chǎn)生。

(二)弧光接地過電壓的危害

在電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL／T620中規(guī)定，66KV及以下系統(tǒng)發(fā)生單相間歇性電弧接地故障時(shí)，可產(chǎn)生過電壓，過電壓的高低隨接地方式不同而異。一般情況下最大過電壓如下：

不接地

3.5倍相電壓，

消弧線圈接地

3.2倍相電壓，

電阻接地

2.5倍相電壓。

這對(duì)正常(標(biāo)準(zhǔn))絕緣(非弱絕緣)是無危險(xiǎn)的，但對(duì)弱絕緣是有危險(xiǎn)的。另外由于各種原因會(huì)使正常絕緣老化，變?yōu)槿踅^緣。

1、高幅值的過電壓加劇了電纜等固體絕緣的積累性破壞。

對(duì)于中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)，我國現(xiàn)行規(guī)程規(guī)定允許帶單相接地故障運(yùn)行2h，但并未區(qū)分是架空線路還是電纜線路，也沒有明確是弧光接地還是金屬接地。在高幅值的弧光接地過電壓的持續(xù)作用下，加劇了電纜等固體絕緣的積累性破壞。最終在非故障相的絕緣薄弱環(huán)節(jié)造成對(duì)地?fù)舸?，進(jìn)而發(fā)展成為相間短路事故。

2、弧光接地過電壓導(dǎo)致熔斷器熔斷或互感器燒毀。

普通電壓互感器飽和點(diǎn)一般為1.6～1.8倍，在弧光接地過電壓作用下，使電壓互感器發(fā)生飽和，激發(fā)鐵磁諧振，導(dǎo)致電壓互感器過載，造成熔斷器熔斷或互感器燒毀。

3、弧光接地過電壓導(dǎo)致避雷器爆炸。

弧光接地時(shí)，過電壓的能量由電源提供，持續(xù)時(shí)間較長，能量很大。當(dāng)過電壓的能量超過避雷器所能承受的400A、2ms的能量指標(biāo)時(shí)，就會(huì)造成避雷器的爆炸事故。

六、弧光接地過電壓的限制措施

1、為了能有效抑制弧光接地過電壓，防止電纜放炮等事故的發(fā)生，避免企業(yè)或生產(chǎn)線因被迫停電所帶來的經(jīng)濟(jì)損失，當(dāng)發(fā)生單相電弧接地時(shí)，應(yīng)當(dāng)在以下方面采取措施：

(1)盡快熄滅電弧，防止故障進(jìn)一步發(fā)展。

(2)盡快將過電壓限制在安全水平，避免固體絕緣的積累性破壞。

(3)允許用戶在完成轉(zhuǎn)移負(fù)荷的倒閘操作之后再處理故障線路，避免被迫停電，保證供電可靠性。

2、在中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)生單相電弧接地時(shí)，若能快速地將間歇性電弧接地轉(zhuǎn)換為金屬性接地，則可抑制弧光接地過電壓的產(chǎn)生，并達(dá)到如下效果。

(1)由于故障相直接與地網(wǎng)連接，對(duì)地電壓等于零，工頻電弧和高頻電弧都將立即熄滅。

(2)金屬性接地后，非故障相上的過電壓立即穩(wěn)定在,／3倍相電壓，系統(tǒng)中的設(shè)備可以在這個(gè)電壓下安全運(yùn)行。

(3)因?yàn)殡娀”幌纾^電壓被限制在安全水平，故障不會(huì)再繼續(xù)發(fā)展，為用戶倒閘操作贏得了時(shí)間，保證了供電可靠性。

(4)由于弧光接地的持續(xù)時(shí)間大大縮短，過電壓的能量降低到過電壓保護(hù)器允許的能量指標(biāo)以內(nèi)，避免了過電壓保護(hù)器爆炸事故。

3、消弧及過電壓保護(hù)裝置的應(yīng)用

近幾年來，為了解決因單相間歇性電弧接地所產(chǎn)生的弧光接地過電壓對(duì)電器設(shè)備帶來的危害，新型的消弧及過電壓保護(hù)裝置得到了應(yīng)用。該裝置主要由電壓互感器、微機(jī)控制器、交流真空快速接觸器、過電壓保護(hù)器、高壓隔離開關(guān)、高壓限流熔斷器組件等組成。另外，配套小電流接地選線裝置，達(dá)到自動(dòng)選線的目的。

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相電弧接地時(shí)，微機(jī)控制器立即判別故障類型和相別并向故障相的真空接觸器發(fā)出動(dòng)作指令，真空接觸器在30ms左右完成合閘，間歇性電弧接地隨之被轉(zhuǎn)換為金屬性接地。在真空接觸器動(dòng)作之前的過電壓由過電壓保護(hù)器限制在較低的數(shù)值。當(dāng)由于裝置故障、檢修調(diào)試人員誤接線等原因造成裝置誤判斷，導(dǎo)致相間弧光短路時(shí)，熔斷器組件可在2ms內(nèi)快速熔斷，短路電流遠(yuǎn)沒達(dá)到最大值，不會(huì)造成任何后果，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行沒有影響。裝置結(jié)構(gòu)簡單，體積小、投資較低，安裝、調(diào)試方便。已在攀鋼、重鋼、南鋼、灑鋼等工程中得到了使用。

該裝置雖然克服了弧光接地過電壓帶來的一系列問題，但是在防止電壓互感器飽和避免引起鐵磁諧振，以及消弧裝置與小電流接地選線裝置配合等方面需要不斷的完善。由于裝置投入實(shí)際工程運(yùn)行的時(shí)間不長，所達(dá)到的效果如何有待更長時(shí)間的驗(yàn)證。

七、結(jié)束語

我國各個(gè)鋼鐵企業(yè)供電系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式不盡相同。甚至同一個(gè)鋼鐵企業(yè)同級(jí)電壓多種中性點(diǎn)接地方式并存。每種中性點(diǎn)接地方式的系統(tǒng)，都具各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。因此，在工程設(shè)計(jì)中必須從實(shí)際出發(fā)，權(quán)衡利弊，盡可能做到既滿足供電系統(tǒng)的要求，又達(dá)到投資省的目的。