汽車廠區(qū)高、中壓供配電系統(tǒng)的 中性點接地設計

董昕鵬, 李云鵬

(1.北京市工業(yè)設計研究院, 北京 100055;2.吉安集團有限公司, 浙江 嘉興 314304)

0 引 言

電氣引發(fā)的火災占總數(shù)的1/3以上,電氣短路是導致電氣火災最主要的原因,約占電氣火災總數(shù)的40%以上。在這些電氣事故中,部分原因歸結于不合理的系統(tǒng)工作接地設計[1]。

汽車工業(yè)廠區(qū)(汽車工程)中有大量的電氣設備,需要采取相應的電氣接地措施,將系統(tǒng)、裝置或設備的給定點與局部地之間做好良好的電氣連接。本文結合某具體工程,針對110 kV、10 kV電壓等級的主要電氣裝置,探討汽車廠區(qū)高、中壓配電系統(tǒng)的中性點接地設計。

1 中性點接地的概念與方式

1.1 中性點接地的概念

人為將電力系統(tǒng)中性點通過接地裝置與大地之間進行的電氣連接,稱為中性點接地,屬于工作接地。工作接地是為了保障電氣裝置在正常或故障時能夠可靠工作而采取的接地,稱為工作接地,一般通過裝置的中性點來實現(xiàn)。這種接地是一種功能性接地。

1.2 中性點接地方式

根據(jù)系統(tǒng)中性點與局部地之間采用的電氣技術手段(中性點與地之間的物理關系),劃分為下述類型:中性點有效接地方式,采用這種接地方式的系統(tǒng)也稱為大電流接地系統(tǒng),系統(tǒng)的中性點直接接地或經低阻抗(采用低值電抗器)接地;中性點非有效接地方式,采用這種接地方式的系統(tǒng)為小電流接地系統(tǒng),具體的接地方式有中性點不接地方式、中性點低電阻接地方式、中性點高電阻接地方式、中性點諧振接地方式。

上述接地方式是針對功能性接地中的工作接地。

保護性接地是直接接地,如系統(tǒng)的外露可導電部分通過接地裝置與地直接相連接,獲得零電位或建立局部等電位。

2 高壓(110 kV)系統(tǒng)的中性點接地

某整車生產企業(yè)的年生產能力為15萬輛乘用車。全廠由四個主工藝生產車間、輔助車間、試車跑道、存車區(qū)和生活區(qū)等組成。在這些區(qū)域有大量的不同電壓等級的電氣設備運行。設有一座110/10 kV總降壓變電所,屬于一般變電所(非樞紐變電所),其110 kV側為單母線接線,10 kV側采用單母線分段接線,設有兩臺同規(guī)格的主變壓器[2-3]。

2.1 110 kV輸電線路接地形式

總降壓變電所的電源來自于地區(qū)110 kV電網(wǎng),其中性點接地方式為直接接地。這種接地方式的特點是:在發(fā)生單相短路時,短路電源較大,線路或設備需立即切除,雖然降低供電連續(xù)性,但因其過電壓較低,可降低絕緣水平,減少設備投資和建設成本。

輸電線路的敷設方式為架空線,設有避雷線。每基桿塔不連避雷線的工頻接地電阻,在雷季干燥時不宜超過20 Ω。

2.2 110/10 kV主變壓器中性點的接地

2.2.1 110 kV側

該工程總降壓變電所主變壓器的具體規(guī)格為:雙繞組有載調壓,油浸,變比為110±8×1.25%/10.5 kV,繞組結線方式為YNd11,Uk%=10.5。按國家電力部門規(guī)定,電網(wǎng)中性點接地方式為直接接地,因此主變壓器的110 kV側繞組為Y形接法,采用中性點直接接地方式,具體實施的設備為中性點綜合接地裝置。該裝置由水平開啟式隔離開關、氧化鋅避雷器、中性點間隙組合設備、中性點間隙電流互感器等組成。主變壓器中性點綜合接地裝置主要參數(shù)如表1所示。主變壓器中性點綜合接地裝置一次接線如圖1所示。

圖1 主變壓器中性點綜合接地裝置一次接線

序號裝置主要參數(shù)備注1 氧化鋅避雷器 額定電壓72 kV,標稱放電電流1.5 kA,1.5 kV雷電沖擊電流殘壓186 kV,爬電距離1 813 mm 附在線監(jiān)測器1只2 中性點間隙組合設備 間隙額定電壓(有效值)63 kV,系統(tǒng)額定電壓(有效值)110 kV,間隙電極距離可調范圍90～135 mm —3 中性點間隙電流互感器 額定電流比100/5 A,二次繞組容量20 VA,準確級次組合10P20 —

2.2.2 10 kV側

主變壓器二次側為三角形接法,無中性點,不接地。

3 中壓(10 kV)系統(tǒng)接地

該工程的中壓系統(tǒng)電壓等級為10 kV,系統(tǒng)范圍包括總降變電站10 kV系統(tǒng)、車間變電所10 kV系統(tǒng)、10 kV用電設備[4-7]。

3.1 中性點接地方式的選擇

單相接地短路故障占到電氣短路故障的70%～80%,并且絕大多數(shù)相間故障都是由單相接地故障引起的。接地故障與中性點接地方式緊密相聯(lián),即使故障條件相同,但中性點接地方式不同,表現(xiàn)出的故障特點、后果完全不同,采取的保護措施也不相同。

3.1.1 不同接地形式的10 kV配電系統(tǒng)的單相接地短路故障特點

(1) 10 kV有效接地系統(tǒng)。

① 中性點直接接地方式。該系統(tǒng)中單相接地故障發(fā)生后,接地點通過中性點與大地、相導線形成電氣通路,故障相會有較大值的短路電流流過,斷路器須立即跳閘切除故障回路。

② 中性點經低阻抗接地方式。變壓器的中性點經低阻抗值的小電抗器接地系統(tǒng),在單相接地故障發(fā)生后,故障相會有較大值的短路電流流過,此時斷路器跳閘切除故障回路。與其他接地方式相比,中性點的過電壓會大幅下降,不再出現(xiàn)高達相電壓的過電壓,系統(tǒng)的單相短路電流值得到降低,不再出現(xiàn)失地現(xiàn)象,能夠有效降低變壓器中性點的絕緣水平。在實踐中,多用于220 kV及以上系統(tǒng)變壓器的中性點接地。

(2) 10 kV非有效接地系統(tǒng)。

② 中性點經小電阻接地方式。在實際工程中,一些城市(如北京)的10 kV配電網(wǎng)采用電纜埋地敷設方式,系統(tǒng)單相接地故障電流遠超過10 A,接地電容電流過大,難以補償。設于系統(tǒng)中性點與大地之間的小電阻,在發(fā)生單相接地故障時能限制故障電流和故障后過電壓的大小。由于故障電流仍較大,需要斷路器迅速動作切除故障線路而中斷供電。

③ 諧振接地方式。對于中性點不接地系統(tǒng),由于線路分布電容的存在,有數(shù)值不大的電容性電流在導線和大地間流通,該電流在故障點以電弧形式存在。當電容電流較大(如大長度的10 kV電纜系統(tǒng))時,電弧高溫會燒毀設備,引起火災,不穩(wěn)定的電弧燃燒還會引起弧光過電壓,造成相間故障,導致斷路器跳閘,中斷供電。

為消除上述故障,系統(tǒng)中接入消弧線圈,經接地變壓器接地。正常時接于系統(tǒng)與大地之間的線圈中無電流通過,該線圈不起作用;接地故障發(fā)生時,中性點出現(xiàn)零序電壓,將有感性電流通過消弧線圈進入發(fā)生接地故障的電力系統(tǒng),抵消在接地點的容性接地電流,接地點的電弧電流被消除或只有很小的容性電流,能夠消除或減輕電弧電流的危害。

④ 經高電阻接地系統(tǒng)。在單相接地電流電容電流較小(小于10 A)時,為減少故障點的電位梯度、阻尼諧振過電壓,在中性點接入高電阻,電阻值一般大于500 Ω。

在大型發(fā)電機組、部分中壓配電系統(tǒng)、電廠用電系統(tǒng)故障電容電流較小時,為限制單相接地故障電流,以防止諧振、間隙性電弧接地過電壓等對設備的損害,可采用高電阻接地方式。這樣在系統(tǒng)發(fā)生單相接地時可以繼續(xù)運行2 h,在該段時間內故障接地可不跳閘。這與小電阻接地運行方式有著根本不同。

3.1.2 中性點接地方式的選擇

選擇中性點的接地方式主要需考慮供電可靠性(可否在某相發(fā)生接地短路故障時,系統(tǒng)繼續(xù)運行)和限制過電壓。

電力部門行業(yè)運行標準要求:對中性點有效接地系統(tǒng),應迅速切斷接地短路故障(切斷供電);對中性點不接地系統(tǒng),應能迅速反應接地故障的信號,也可裝設延時自動切除故障的裝置(允許發(fā)生故障后繼續(xù)供電一段時間,一般為2 h,期間查找、排除故障)。結合上述要求和不同形式的中性點接地系統(tǒng)發(fā)生接地故障時特點,對中性點接地方式的選擇如下。

(1) 10 kV和20 kV中壓配電網(wǎng),當單相接地電容電流不超過10 A時,應采用不接地方式;當為在小接地電容電流時,抑制單相接地暫態(tài)過電壓,防止產生弧光接地過電壓,應采用經高電阻接地的方式。

(2) 當單相接地電容電流超過10 A而小于150 A時,宜采用經消弧線圈接地方式,接地電流宜控制在10 A以內。對于不直接連接發(fā)電機,由鋼筋混凝土桿或金屬塔桿構成的6～20 kV系統(tǒng)以及由電纜線路構成的6～20 kV系統(tǒng),單相接地故障電流大于10 A,且需在接地故障條件運行時,應采用中性點諧振接地方式。

(3) 當單相接地電流超過150 A或為全電纜網(wǎng)時,宜采用低電阻接地方式,其接地電阻宜按單相接地電流200～1 000 A、接地故障瞬時跳閘方式選擇。

3.2 總降壓變電所10 kV系統(tǒng)的中性點接地方式

總降壓變電所將供電電源經主變壓器降壓后,通過10 kV配電系統(tǒng)(即10 kV母線中壓中置柜系統(tǒng))為廠區(qū)各子項工程及10 kV用電設備供電,是廠區(qū)的配電樞紐中心。因此,正確選擇該系統(tǒng)的接地方式,以保障廠區(qū)供電的連續(xù)性、可靠性,確保廠區(qū)生產的長期正常運行。

3.2.1 線路單相接地電容電流的計算

廠區(qū)內的10 kV配電線路有直埋電纜、電纜橋架兩種敷設形式,其中在室外部分采用埋地敷設方式,在室內采用電纜橋架方式。

廠區(qū)10 kV配電線路如表2所示。

表2 廠區(qū)10 kV配電線路

10 kV電纜線路的單相電容電流計算公式

IC=[(95+1.44S)/(2 200+0.23S)]UrL

(1)

式中:S——電纜芯線的標稱截面,mm2;

Ur——線路額定線電壓,kV;

L——線路長度,km;

IC——接地電容電流,A。

因此,總降壓變電站Ⅰ段、Ⅱ段10 kV母線側的單相接地電容電流值分別為40.80 A、40.68 A。

根據(jù)上述計算結果,并結合主變壓器的繞組接線方式,采用消弧線圈接地方式,設消弧線圈和接地變壓器。

3.2.2 消弧線圈補償容量的計算

消弧線圈的補償容量按下式計算:

Q=0.577KICUn

(2)

式中:IC——接地電容電流,A;

Un——線路標稱電壓,kV;

K——系數(shù),過補償取1.35;

Q——消弧線圈的補償容量,kVA。

因此,可求得總降壓變電站Ⅰ段、Ⅱ段10 kV母線側的消弧線圈的補償容量分別為373 kVA、372 kVA,確定選擇的消弧線圈的設備容量均為400 kVA。

根據(jù)上述計算結果,并結合主變壓器情況,采用Z形接線的三相接地變壓器2臺,分別接在總降壓變電站Ⅰ段、Ⅱ段10 kV母線側,接地變壓器的容量均為400 kVA。

3.3 各車間變電所10 kV系統(tǒng)的中性點接地方式

各車間變電所至相應10/0.38 kV變壓器和10 kV用電設備均采用電纜橋架敷設方式,系統(tǒng)單相接地電容電流遠小于10 A,因此采用中性點不接地方式,可保證供電的可靠性。

3.4 各車間10 kV用電設備的中性點接地方式

全廠僅在涂裝車間設有2臺10 kV用電設備,為制冷機,均為710 kW,其所在的制冷機間與涂裝車間1號變電站毗鄰。制冷機均為鼠籠型電機,其中性點不接地。

3.5 柴油發(fā)電站升壓系統(tǒng)中性點接地設計

為了保障重要工藝設備(如電泳設備、輸調漆設備)及消防負荷的用電需求,該工程設有1個柴油發(fā)電站,站內設有1臺博威BW1000型柴油發(fā)電機組(常用功率為728 kW),輸出電源電壓為0.40/0.23 kV。電源經10/0.4 kV變壓器升壓后,輸送到總降變電站10 kV應急母線段。

該站設有1臺干式變壓器(1 000 kVA),規(guī)格為SG(B)-10/0.4 kV,繞組接線方式為Dyn11。變壓器一次側為低壓側,其中性點直接接地,接地電阻≤1 Ω;二次側為高壓側,不接地。

4 諧波源對中性點接地的影響及治理

焊裝車間設有大量的電焊機,含中頻逆變三相焊機,是典型的諧波源設備,在電網(wǎng)中產生大量的3次、5次、7次諧波,污染電源質量,給電力系統(tǒng)的正常運行帶來危害。三相中頻逆變焊機諧波電流如表3所示。

表3 三相中頻逆變焊機諧波電流

在配電系統(tǒng)(10/0.4 kV)中諧波污染嚴重,并且由于電纜線路對地電容較大(線路長且埋地敷設),10 kV系統(tǒng)中單相接地電容電流中含有較高的諧波成分(總畸變率超過20%),而消弧線圈并不能補償諧波接地電流(僅對單相工頻接地電容電流有作用),造成以諧波為主的殘流值超標,影響補償效果。

在焊裝車間變電所的低壓側對諧波進行治理,采用有源濾波的方式,設置有源濾波柜和低壓無功功率自動補償柜,使治理后的各級電壓配電系統(tǒng)的各次諧波的總諧波畸變率限值小于3%,達到國家標準的要求,從而減少10 kV系統(tǒng)中單相接地電容電流中的諧波成分(總畸變率低于3%),保障消弧線圈裝置的補償效果。

5 結 語

結合總降壓變電站、柴油發(fā)電機站、10 kV車間變電站等場所的供配電系統(tǒng)的中性點接地設計,介紹了汽車工業(yè)廠區(qū)的高、中壓等級供配電系統(tǒng)的工作接地設計要點。建筑電氣設計人員要正確進行供配電系統(tǒng)的接地設計,有效地保證用電設備(系統(tǒng))可靠性,并保護人身和設備的安全,使電力系統(tǒng)長期、可靠、穩(wěn)定運行。