國(guó)內(nèi)某核電廠中壓廠用電系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式研究

/中國(guó)核電工程有限公司 費(fèi)云艷 車皓/

0 引言

發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式的選擇是一個(gè)復(fù)雜的綜合性問題，它涉及發(fā)電廠的安全性、可靠性和連續(xù)性、系統(tǒng)的過電壓水平、設(shè)備的絕緣水平、單相接地電容電流對(duì)設(shè)備的損壞程度等許多方面的問題。由于各國(guó)電力技術(shù)的水平和條件、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)等因素的不同，各個(gè)國(guó)家對(duì)這個(gè)問題的處理方式也不盡相同。核電廠初步設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)院將中壓廠用電系統(tǒng)中性點(diǎn)定為不接地系統(tǒng)。但隨著設(shè)計(jì)深入，BOP子項(xiàng)的增多及電纜長(zhǎng)度的增加導(dǎo)致中壓系統(tǒng)電容電流增大，因此設(shè)計(jì)院重新核算電容電流，并給出中性點(diǎn)接地方式的解決方案。

1 中壓廠用電系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式的設(shè)置原則

廠用電系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式確定的原則主要有以下幾點(diǎn)：

1）單相接地故障對(duì)連續(xù)供電的影響最小，廠用設(shè)備能夠繼續(xù)連續(xù)運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間。

2）單相接地故障時(shí)，健全相的過電壓倍數(shù)較低，不致破壞廠用電系統(tǒng)絕緣水平，發(fā)展為相間短路。

3）發(fā)生單相接地故障時(shí)，能將故障電流對(duì)電動(dòng)機(jī)、電纜等的危害降低到最低限度，同時(shí)又有利于實(shí)現(xiàn)靈敏而有選擇性的接地保護(hù)。

4）盡量減小廠用設(shè)備間的影響。

5）接地設(shè)備易于訂貨，接地保護(hù)簡(jiǎn)單，投資少。

2 中壓廠用電系統(tǒng)幾種接地方式分析

廠用電系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式基本上可以劃分為兩大類：凡是需要斷路器遮斷單相接地故障的，屬于大電流接地方式；凡是單相接地電弧能夠瞬間自行熄滅的，屬于小電流接地方式。單相接地電流的電弧能否自動(dòng)自熄是界定兩種接地方式的必要充分條件。國(guó)內(nèi)研究表明，臨界的接地故障電流為10A。

在大電流接地方式中，主要有：中性點(diǎn)直接接地；中性點(diǎn)經(jīng)低電阻接地；中性點(diǎn)經(jīng)中電阻接地。

在小電流接地方式中，主要有：中性點(diǎn)不接地；中性點(diǎn)經(jīng)高電阻接地；中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地。

下面將具體分析各種接地方式的特點(diǎn)。

2.1 中性點(diǎn)不接地方式

對(duì)于中性點(diǎn)不接地方式，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，線間電壓不變，流過故障點(diǎn)的電流為電容性電流。當(dāng)廠用電系統(tǒng)的單相接地電容電流小于一定值時(shí)，允許連續(xù)運(yùn)行1～2小時(shí)，為處理故障贏得了時(shí)間。但不接地系統(tǒng)有以下幾個(gè)缺點(diǎn)：

1）當(dāng)廠用電系統(tǒng)單相接地電容電流大于10A時(shí)，接地電弧不能自動(dòng)消除，形成穩(wěn)定性電弧或間歇性電弧，可能燒壞設(shè)備或引起兩相、三相短路。

2）當(dāng)發(fā)生單相穩(wěn)態(tài)接地故障時(shí)，由于非故障相電壓的升高，使其絕緣老化，進(jìn)而引發(fā)多點(diǎn)故障。

3）在廠用電不接地系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)靈敏而有選擇性的接地保護(hù)比較困難。

中性點(diǎn)不接地方式主要適用接地電容電流小于10A的中壓廠用電系統(tǒng)。

2.2 中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地方式

高電阻接地方式為中性點(diǎn)經(jīng)高電阻接地或中性點(diǎn)經(jīng)二次側(cè)接電阻的配電變壓器接地。單相接地故障時(shí)，故障電流過一固定值的電阻性電流，保證饋線的零序保護(hù)動(dòng)作，但是它要使總的接地電流增大。

中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地方式主要適用于接地電容電流小于7A，但為了降低間歇性電弧過電壓水平和便于尋找接地故障點(diǎn)的情況。

2.3 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地

單相接地故障時(shí)，中性點(diǎn)的位移電壓產(chǎn)生感性電流流過接地點(diǎn)，補(bǔ)償電容電流，將接地點(diǎn)的綜合電流限制在10A以下，達(dá)到自動(dòng)熄弧、繼續(xù)供電的目的。中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式的優(yōu)點(diǎn)是能補(bǔ)償電容電流，限制健全相的瞬時(shí)過電壓，但運(yùn)行比較復(fù)雜，接地設(shè)備投資增加，而且接地保護(hù)也比較復(fù)雜，在國(guó)內(nèi)發(fā)電廠中運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)尚不多。

2.4 中性點(diǎn)經(jīng)低電阻或中電阻接地

低電阻接地由于接地電阻較小，故在故障時(shí)的單相接地電流較大，繼電保護(hù)裝置立即動(dòng)作，將故障線路切除。

中電阻接地和低電阻接地的特點(diǎn)基本相同，只是接地電流值相對(duì)小一些。這樣既克服了低阻接地的弊端，又保留了其優(yōu)點(diǎn)，目前在國(guó)內(nèi)的電廠已得到越來越多的應(yīng)用。

3 中壓廠用電系統(tǒng)電容電流計(jì)算

3.1 系統(tǒng)單線圖（以最嚴(yán)重的一臺(tái)高廠變?yōu)槔?如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)單線圖

3.2 各段母線電容電流計(jì)算情況

LGD電纜進(jìn)線、饋線總電容電流：4.75A

LGC電纜饋線總電容電流：0.94A

LHB電纜饋線總電容電流：1.61A

9LGIA電纜總電容電流：5.64A

9LGIB電纜總電容電流：6.19A

9LGR001TB電纜總電容電流：3.41A（9LGR002TB至1LGC的電纜）

3.3 正常運(yùn)行方式下中壓系統(tǒng)電容電流

方式1：

L G D+L G C+L H B+9 L G I A=1 2.9 4 A，系統(tǒng)總電容電流=12.94A×1.25=16.18A。

3.4 特殊運(yùn)行方式下中壓系統(tǒng)電容電流

方式2：

9LGR001TB向1LGC供電，LGD與LGC的聯(lián)絡(luò)饋線斷開。

電纜總電容電流：

9LGR001TB+1LGC+1LHB+9LGIA=3.41+0.94+1.61+5.64=11.6A

系統(tǒng)總電容電流：11.6A×1.25=14.5A

方式3：

應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)并網(wǎng)帶載（大修期間）

LHQ并網(wǎng)時(shí)：

LGD+LGC+LHB+9LGIA=3.29+0.74+1.68+5.03=10.72A

系統(tǒng)總電容電流10.72A×1.25=13.4A

方式4：

應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)帶應(yīng)急母線運(yùn)行

電纜總電容電流： LHB=2.01A

系統(tǒng)總電容電流：2.01A×1.25=2.51A

4 核電廠中壓廠用電系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式選擇

通過上述計(jì)算可以看出，在不同運(yùn)行方式下（柴油發(fā)電機(jī)組帶應(yīng)急段運(yùn)行除外），系統(tǒng)的電容電流均超過10A，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，由于電弧不能自熄，故必須設(shè)法解決，考慮以下三個(gè)方案：

方案一：高廠變低壓側(cè)中性點(diǎn)不接地方案，但10A跳閘。

方案二：高廠變低壓側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)低阻或中阻接地。

方案三：高廠變低壓側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈并聯(lián)電阻接地。

上述三種方案中應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的中性點(diǎn)均為不接地方式。

下面將就這三個(gè)方案具體進(jìn)行分析。

4.1 中性點(diǎn)不接地方式（方案一）

由于中壓系統(tǒng)的電容電流已超過10A，單相接地故障產(chǎn)生的電弧通常不能自熄，其故障線路應(yīng)立即跳閘，該保護(hù)通過在饋線電纜上安裝零序電流互感器實(shí)現(xiàn)，零序電流整定值為10A。下面將具體分析每個(gè)回路是否滿足繼電保護(hù)靈敏系數(shù)要求。為了做好繼電保護(hù)配合，有必要對(duì)電容電流的分布進(jìn)行分析。

（1）電容電流分布示意圖

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地后零序電流分布的特點(diǎn)：

1）在非故障元件中流過的零序電流，其數(shù)值等于本身的對(duì)地電容電流，電容性無(wú)功功率的實(shí)際方向?yàn)橛赡妇€流向線路。

2）在故障元件中流過的零序電流，其數(shù)值為全系統(tǒng)非故障元件對(duì)地帶電容電流之總和；電容性無(wú)功功率的實(shí)際方向?yàn)橛删€路流向母線。

以下述典型故障為例分析：

線路5，C相故障（末端饋線）如圖2所示。

圖2 非故障線路圖

從圖2可以看出：非故障線路1、2、3、4、6的非故障相（A、B相）的電容電流通過大地經(jīng)由故障線路5的故障相（C相）流回到電源。如在線路5裝設(shè)零序CT, 檢測(cè)到的零序電流為系統(tǒng)電容電流之和減去線路5的電容電流；線路6檢測(cè)到的零序電流為系統(tǒng)電容電流之和減去線路3、4、5、6的電容電流之和；線路1、2檢測(cè)到的零序電流為各自線路的電容電流。從圖中可以看出，線路3、4、5實(shí)際上是線路6的饋線，即線路6檢測(cè)到的零序電流相當(dāng)于系統(tǒng)電容電流之和減去線路6（含線路3、4、5、6）的電容電流。符合零序電流分布的特點(diǎn)。

（2）保護(hù)配置方案

本電廠正常運(yùn)行系統(tǒng)電容電流約為16A，且除柴油發(fā)電機(jī)帶應(yīng)急母線運(yùn)行的工況外，系統(tǒng)電容電流均超過10A，故電動(dòng)機(jī)的單相接地保護(hù)應(yīng)瞬時(shí)動(dòng)作于跳閘。

式中：Iop為保護(hù)裝置一次動(dòng)作電流A；

IC∑為系統(tǒng)的總單相接地電容電流 A；

Icx被保護(hù)線路外部發(fā)生單相接地故障時(shí)，從被保護(hù)元件流出的電容電流A

取IC∑=16A，Icx（最大）=2.3A

（IC∑-Icx）/1.3=(16-2.3)/1.3=10.54A，故Iop應(yīng)小于10.54A，以保證故障時(shí)可靠動(dòng)作。

選Iop=10A可以滿足要求。

4.2 中性點(diǎn)經(jīng)低阻或中阻接地（方案二）

在高壓廠變低壓側(cè)繞組中性點(diǎn)和輔助變低壓側(cè)繞組中性點(diǎn)增加接地電阻。當(dāng)發(fā)生單相接地故障，瞬時(shí)切斷故障回路。采用電阻接地系統(tǒng)的電阻值應(yīng)考慮以下因素：

（1）滿足限制電弧接地過電壓的要求

從降低電弧接地過電壓的角度看，單相接地電流中的電阻性電流應(yīng)大于等于電容性電流，電阻性電流越大，越有利于降低電弧接地過電壓。

（2）系統(tǒng)允許的單相接地電流受設(shè)備免遭損傷的限制

為防止電動(dòng)機(jī)或變壓器發(fā)生單相接地故障時(shí)燒傷鐵心，系統(tǒng)允許的單相接地電流還受故障持續(xù)時(shí)間的限制。為此，系統(tǒng)允許的單相接地電流應(yīng)滿足100t-0.4：該式表示單相接地電流（A）與電弧持續(xù)時(shí)間t（s）的關(guān)系。如故障切除時(shí)間取0.2～0.3s，則系統(tǒng)單相接地電流應(yīng)小于200A,這個(gè)值可視為單相接地電流的上限值?？梢钥闯?，所取的單相接地電流值不宜過大。

與電動(dòng)機(jī)相似，當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，如柴油發(fā)電機(jī)定子繞組發(fā)生單相接地故障，則故障點(diǎn)將通過較大的故障電流燒傷鐵芯，為日后的維護(hù)也增加了很多困難。根據(jù)供貨商提供的發(fā)電機(jī)耐受故障電流與故障時(shí)間的曲線計(jì)算出發(fā)電機(jī)允許故障電流值為250A。因此選擇接地電阻時(shí)，應(yīng)將單相接地故障電流限制在250A以下。

（3）保護(hù)配置

綜上所述，接地電流應(yīng)控制在40～200A之間。

繼電保護(hù)整定按照以下原則整定：

1）低廠變

躲過區(qū)外單相接地故障時(shí)流過保護(hù)安裝處單相接地電流；

躲過低壓母線三相短路最大不平衡電流。

2）中壓電動(dòng)機(jī)

躲過區(qū)外單相接地故障時(shí)流過保護(hù)安裝處單相接地電流；

躲過電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)零序不平衡電流。

3）中壓饋線

躲過區(qū)外單相接地故障時(shí)流過保護(hù)安裝處單相接地電流；

與下一級(jí)配合（下一級(jí)單相接地保護(hù)最大動(dòng)作電流）。

4.3 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈并聯(lián)電阻接地（方案三）

（1）中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈并聯(lián)電阻接地原理

消弧線圈并聯(lián)電阻接地原理如圖3所示。

該方案通過在變壓器中性點(diǎn)裝設(shè)消弧線圈，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，由于消弧線圈產(chǎn)生的感性電流補(bǔ)償了故障點(diǎn)的電容電流，因而使故障點(diǎn)的殘留變小，從而達(dá)到自然熄弧的目的，防止了事故擴(kuò)大；同時(shí)在消弧線圈兩端并聯(lián)電阻，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)瞬間投切電阻，向接地點(diǎn)注入電流有功分量，使接地點(diǎn)的電流幅值和相位都有明顯變化，可以選出故障線路。

（2）中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈并聯(lián)電阻接地方式的應(yīng)用

消弧線圈接地方式借助微機(jī)技術(shù)的支持，解決了過去長(zhǎng)期存在的不能實(shí)現(xiàn)接地保護(hù)選擇性問題及消弧線圈需要人工調(diào)諧這兩個(gè)主要問題。但這一接地方式不僅需要增加自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償?shù)南【€圈及并聯(lián)接地電阻等接地設(shè)備，還要增加電壓互感器等測(cè)量元器件和自動(dòng)調(diào)節(jié)及控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，目前幾乎沒有在大型發(fā)電廠的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，更沒有在核電機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，因此其可靠性尚待進(jìn)一步確認(rèn)。

4.4 三種方案比較

綜上所述，可以看出：

方案一雖采用不接地系統(tǒng)，但當(dāng)接地電流超過10A時(shí)必須跳閘，因此在供電連續(xù)性方面，方案一并沒有明顯的優(yōu)勢(shì)，而且方案一中幾段電纜無(wú)法實(shí)現(xiàn)單相接地保護(hù)，當(dāng)這幾段電纜發(fā)生單相接地故障時(shí)，由于保護(hù)不能可靠動(dòng)作，切除故障回路，很可能導(dǎo)致事故擴(kuò)大。此外方案一還受運(yùn)行方式及接觸電阻的影響，整定值的確定需考慮多種因素。該方案雖與標(biāo)準(zhǔn)并不矛盾，但在國(guó)內(nèi)電廠的應(yīng)用較少，如采用方案一，將存在較大風(fēng)險(xiǎn)。

方案三需要增加消弧線圈自動(dòng)調(diào)諧及接地選線成套裝置，雖然可以達(dá)到降低接地故障電流，自動(dòng)熄弧，提高供電連續(xù)性的目的，但其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，且目前在發(fā)電廠的廠用電系統(tǒng)中運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)較少，其設(shè)備及控制系統(tǒng)的可靠性尚待進(jìn)一步確認(rèn)，因此采用該方案也存在一定風(fēng)險(xiǎn)。

方案二雖然增加了中性點(diǎn)電阻柜及部分零序CT，但接線簡(jiǎn)單可靠，并且可以獲得較好的保護(hù)靈敏性，最大限度地保護(hù)了人身及設(shè)備的安全，是國(guó)內(nèi)電廠的成熟做法，雖與RCC-E標(biāo)準(zhǔn)的要求存在一定偏差，但滿足國(guó)內(nèi)規(guī)范要求，因此推薦采用方案二。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過上述分析，可以看出，該由于其負(fù)荷較多，且容量較大，系統(tǒng)的電容電流已超過10A，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，電弧將難以自熄，形成穩(wěn)定性電弧或間歇性電弧。穩(wěn)定性電弧可能燒壞設(shè)備或引起兩相、三相短路。間歇性電弧可能使電網(wǎng)電容、電感形成振蕩回路而產(chǎn)生弧光接地過電壓，從而危及電氣設(shè)備的絕緣，故不接地方式已難以滿足供電連續(xù)性、可靠、安全運(yùn)行的要求，所以必須設(shè)法解決。

通過分析計(jì)算可以看出，如采用方案一，部分回路的保護(hù)配置無(wú)法滿足靈敏系數(shù)的要求，且該運(yùn)行方式在國(guó)內(nèi)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)不多；方案三雖然可以到達(dá)降低接地故障電流，自動(dòng)熄弧，提高供電連續(xù)性的目的，但其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，且目前在發(fā)電廠的廠用電系統(tǒng)中運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)較少，其設(shè)備及控制系統(tǒng)的可靠性尚待進(jìn)一步確認(rèn)，采用該方案存在一定風(fēng)險(xiǎn)；故建議采用方案二，即成熟的低電阻或中阻接地方式。

該方式雖與RCC-E標(biāo)準(zhǔn)存在一定偏差，但符合國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定；同時(shí)在國(guó)內(nèi)其他堆型的核電站中，中性點(diǎn)接地方式也并非一定采用不接地方式，如田灣1、2號(hào)機(jī)組VVER技術(shù)采用中阻接地，三門海陽(yáng)AP1000技術(shù)采用小電阻接地方式。因此，該核電廠中壓廠用電系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式采用方案二是可行的。

此外，在后續(xù)工程中，建議考慮以下方案。從4.2節(jié)的計(jì)算可以看出，目前公用段9LGIA、9LGIB的電容電流較大，且不同工程，由于業(yè)主的需求與廠址的變化，其電容電流變化較大。故在后續(xù)M310工程中，可考慮在BOP區(qū)域設(shè)置一個(gè)變電站，分設(shè)兩段母線，母線間設(shè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)，母線電源分別通過2臺(tái)變壓器與1LGC和2LGC連接。所有BOP區(qū)域的負(fù)荷均從該變電站引接，位于核島的負(fù)荷由原9LGIA、9LGIB段引接。由于核島、常規(guī)島的負(fù)荷及設(shè)備布置相對(duì)固定，因此對(duì)于不同廠址的M310堆型，均可將系統(tǒng)電容電流控制在10A以內(nèi)，從而保證了系統(tǒng)供電的連續(xù)性，滿足RCC-E標(biāo)準(zhǔn)的要求。

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