10kV變電所低壓側環(huán)形接地線截面選擇探討

雷海霞

(福建省建筑設計研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

在10kV變電所設計中,低壓側環(huán)形接地線的選擇，多數(shù)參照國家標準圖集《10/0.4kV配電室設備構件》及《防雷與接地》D503-D505[4]中低壓系統(tǒng)接地章節(jié)中的解決方案確定。比如，《防雷與接地》D503-D505中14D504,63頁，“本圖接地干線由沿墻敷設-40×4鍍鋅扁鋼”，但該圖集并未給出 “接地線截面根據(jù)設計決定”這樣的提示語。所以，工程中環(huán)形接地線幾乎都是40×4扁鋼的“普遍做法”，而比較少根據(jù)《交流接地裝置設計規(guī)范》中針對接地線可能承擔不同角色而加以判定?；?，該“普遍做法”在一些比較特殊的情況(變壓器低壓出線始端發(fā)生單相接地短路)下是否合理，是否具有普遍合理性，則值得質(zhì)疑。

鑒于此，本文立足變電所變壓器中性點在不同的接地方式下環(huán)形接地線作用，分析國家標準圖集以及實際工程中環(huán)形接地線“普遍做法”的潛在問題，通過在變壓器低壓起始端發(fā)生單相接地故障時短路電流的計算及環(huán)形接地線截面驗算，提出針對“普遍做法”的優(yōu)化方案。

1 環(huán)形接地線的作用

1.1 環(huán)形接地線的作用與低壓側系統(tǒng)接地形式有關

目前，變電所設計中，變壓器低壓側的接線方式常規(guī)有兩種，一種是中性點直接接地，另一種是由變壓器中性點引出的PEN干線(絕緣)在低壓柜內(nèi)與PE母排聯(lián)結實現(xiàn)接地，其示意圖分別如圖1～圖2所示(注：圖1～圖2的做法如果在多電源系統(tǒng)中，也是行業(yè)討論比較熱門的“多點接地”“一點接地”)

圖1 變壓器中性點直接接地

圖2 變壓器中性點引出的PEN干線(絕緣)在低壓柜內(nèi)與PE母排聯(lián)結并實現(xiàn)接地

1.2 不同接地形式下，環(huán)形接地線作用

1.2.1圖1中環(huán)形接地線作用

由圖3可知，該環(huán)形接地線主要起保護聯(lián)結用，不承受預期故障接地電流[5]。

圖3 單相接地故障電流路徑示意圖一

1.2.2圖2中環(huán)形接地線作用

由圖4可知，該環(huán)形接地線在變壓器低壓出線始端發(fā)生單相接地短路時,接地故障電流從變壓器相線始端經(jīng)環(huán)形接地線、低壓柜內(nèi)PEN排，流回變壓器中性點，形成一個完整的故障電流回路。從這個故障電流回路可知，環(huán)形接地線扮演接地干線的角色，屬于保護接地導體(PE)，承受接地故障電流[5]。

圖4 單相接地故障電流路徑示意圖二

2 環(huán)形接地線截面選擇

2.1 圖1中環(huán)形接地線截面選擇

根據(jù)圖3中環(huán)形接地線的作用(保護聯(lián)結)，主要考慮因素為聯(lián)結導體的防腐、防機械損傷。根據(jù)《交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》(GB/T50065-2011)中第8.3.1條規(guī)定：作為總等電位聯(lián)接的保護聯(lián)接導體和按本規(guī)范第8.1.4條的規(guī)定接到總接地端子的保護聯(lián)結導體，其截面積不應小于下列數(shù)值：

銅為6mm2；

鍍銅鋼為25mm2；

鋁為16mm2；

鋼為50mm2。

綜上可知，圖3中性點直接接地的情況下，環(huán)形接地線采用的40×4鍍鋅扁鋼可滿足要求，其截面選擇可不考慮變壓器容量、預期單相接地故障電流大小的影響。

2.2 圖4中環(huán)形接地線截面選擇

從圖4可知，圖2中的環(huán)形接地線在特殊接地故障狀態(tài)下承受接地故障電流。根據(jù)《交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》(GB/T50065-2011)，第8.2.1條規(guī)定：每根PE的截面應符合現(xiàn)行國家標準《建筑物電氣裝置第4-41部分：安全防護-電擊防護》(GB16895.21-2004)的第411.1條規(guī)定，并應能承受預期的故障電流。圖集中40×4扁鋼的統(tǒng)一做法，并沒有給出該部分的截面選擇需要工程設計分析確定，那么40×4扁鋼對不同的系統(tǒng)容量、變壓器是否都能滿足呢？曾有同行對這種特殊接地故障情況作了可能性結論，大概意思是扁鋼的阻抗大于銅排，接地故障回路中一段扁鋼的的接入，預期短路電流會降低，可能也滿足要求。對此，筆者以為這種假設缺乏必要性的數(shù)據(jù)論證。基于此，本文計算該單相接地故障下電流值，以索求驗證。

3 預期故障電流計算

3.1 計算基礎條件確定

(1)系統(tǒng)短路容量：500MVA

一般工程中，10kV系統(tǒng)短路容量不超過500MVA，為便于說明問題，本計算中，系統(tǒng)短路容量按500MVA考慮。

(2)干式變壓器：SCB11-DYn11

民用建筑中，考慮到建筑設備的能效標準以及電氣節(jié)能，工程中通常選用的變壓器為低損耗、低噪音的節(jié)能產(chǎn)品，本計算中選用SCB11，接線方式為DYn11的干式變壓器。

(3)低壓出線母線長度：不考慮

考慮接地故障點發(fā)生在變壓器低壓側母線的始端處，低壓銅母線長度不計入。

(4)環(huán)形接地線：5m

根據(jù)變電所單臺變壓器的平面布置，變壓器接外殼接地點至變壓器中性點的環(huán)形長度取平均距離5m。

(5)PE導體至相導體的幾何均距D0∶3.5m

根據(jù)《工業(yè)與民用供配電設計手冊》第四版，以下簡稱“配四”公式4.6-43確定D0值[1]。

3.2 計算模型及等效電路

根據(jù)圖4得出如下計算模型圖(圖5)。

圖5 計算模型及等效電路

3.3 計算公式及說明

(1)10kV高壓系統(tǒng)、變壓器、線路相保阻抗計算公式見“配四”中P308頁[1]，計算公式如下：

單相接地短路電路中任意元件的相保阻抗Zph·p計算公式為：

(1)

R(0)=R(0)ph+3R(0)p

X(0)=X(0)ph+3X(0)p

式中，Rphp—— 相保電阻，Ω；

Xphp—— 相保電抗，Ω；

R(1)，X(1)——高壓系統(tǒng)，變壓器及線路的正序電阻和正序電抗，Ω；

R(2)，X(2)——負序電阻和負序電抗，Ω；

R(0)，X(0)——零序電阻和零序電抗，Ω；

R(0)ph，X(0)ph——相導體的零序電阻和零序電抗，Ω；

R(0)p，X(0)p——PE導體的零序電阻和零序電抗，Ω。

根據(jù)上述計算公式，線路相保阻抗可分為兩個部分：相線阻抗+PE線阻抗，其中PE線阻抗為零序阻抗(R(0)p,X(0)p)；根據(jù)計算模型及等效電路，線路部分中的相線低壓母排長度不考慮，故母排相線阻抗不考慮，主要計算PE線零序阻抗。

(2)PE扁鋼零序阻抗計算：根據(jù)《工業(yè)與民用供配電設計手冊》第四版P308～P310頁中，關于扁鋼零序阻抗分為兩部分(鋼導體的零序電阻+鋼導體的零序電抗)，零序電抗又分為零序內(nèi)感抗、零序外感抗，其中零序電阻和零序內(nèi)感抗的計算中均需要一個基礎數(shù)據(jù)(鋼導體的磁飽和系數(shù)β)，磁飽和系數(shù)的計算需明確鋼導體相對磁導率μ，查配四手冊中的圖4.6-11(μ=f(H)曲線),結合變電所的預期短路電流值，發(fā)生接地故障時預期磁場強度值遠超該曲線圖能查的數(shù)值，故不能得到確切的數(shù)值進行精確計算。為能讓計算結果說明在圖4中選擇40×4扁鋼的普遍做法是否具有普遍合理性的假設，其扁鋼的阻抗值可以取稍大值替代，以驗證在計算結果稍小于實際短路電流值情況下PE(40×4)截面的選擇情況。

(3)扁鋼的零序電阻、零序內(nèi)感抗根據(jù)圖6取值。零序外感抗根據(jù)表1取值(1)圖6、表1引自“配四”P310。

表1 扁鋼作為PE導體時的零序外感抗X(0)p·wmΩ/m

扁鋼規(guī)格a×b(mm×mm)扁鋼至相導體的幾何均距D0(mm)300600150025003500450060025×40.2400.2840.3420.3740.3950.4110.42940×40.2140.2580.3150.3480.3690.3840.402

圖6 扁鋼及圓鋼的交流電阻R、零序內(nèi)感抗X(0)p·n與通過電流的關系曲線

(4)分析圖6可知，對于40×4扁鋼，隨著預期接地故障電流值的增大，其零序內(nèi)感抗和零序電阻值是遞減的，但其幅度逐步縮小。為便于說明結果，根據(jù)該工程的預期短路電流值(表2)，零序電阻(R(0)p)、零序內(nèi)感抗(X(0)p·n)按相對大值選取，R(0)p=0.8mΩ/m，X(0)p·n=0.9 mΩ/m (按預期電流2800A選定)； 表一中關于鋼導體的阻抗計算中，零序電阻的電阻率已取鋼導體工作溫度為40℃時的電阻率(詳見配四式4.6-47～48)，故不需要再根據(jù)“在計算單相短路電流時，假設的計算溫度升高，電阻值增大，其值一般為20℃時的1.5倍”調(diào)整溫度系數(shù)。

(5)分析表2可知，對于40×4扁鋼，零序外感抗值主要取決于PE導體與相導體的幾何間距，文中幾何間距D0=3.5m，根據(jù)表二，零序外感抗X(0)p·w=0.37mΩ/m；

(6)綜上，PE導體長度5m，故PE線的計算零序電阻R(0)p=4mΩ，零序電抗X(0)p=X(0)p·n+X(0)p·w=6.35mΩ。

(7)單相接地故障電流：

根據(jù)“配四”公式6-1-55，TN接地系統(tǒng)的低壓網(wǎng)絡單相接地故障電流Ik1的計算公式為：

(4)

Zphp=Zphp·Q+Zphp·T+Zphp·L

(5)

Zphp：接地故障回路相保阻抗計算值mΩ；

Zphp·Q：10kV高壓系統(tǒng)相保阻抗計算值mΩ；

Zphp·T：變壓器相保阻抗計算值mΩ；

Zphp·L：線路相保阻抗計算值mΩ；

Ik1：單相接地故障電流kA。

3.4 計算結果

(1)10kV高壓系統(tǒng)、變壓器相保阻抗計算詳見表3。

表2 工程預期短路電流值

注：該表計算值引自配四表4.3.5

(2)計算回路接地故障點的相保阻抗

根據(jù)公式(5)，接地故障回路的相保阻抗等于表2(系統(tǒng)+變壓器)計算值+線路相保阻抗。根據(jù)故障點位置，線路阻抗主要為(PE導體)的零序阻抗，其計算值為：零序電阻R(0)p=4mΩ，零序電抗X(0)p=6.3mΩ，接地故障回路的相保阻抗及短路值詳表3所示。

表3 短路點(K1) 單相接地故障電流值

3.5 PE導體截面復核

(1)根據(jù)《交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》(GB/T50065-2011)第8.2.1條第2點規(guī)定,切斷時間超過5s，PE的截面積不應小于式(6)要求：

(6)

式中：S——截面積(mm2)

I——通過保護電器的阻抗可忽略的故障產(chǎn)生的預期故障電流有效值(A);

t——保護電器自動切斷時的動作時間(s);

k——由PE、絕緣和其他部分的材料以及初始和最終溫度決定的系數(shù)，按本規(guī)范附錄G的規(guī)定取值。

本文中t保護電氣自動切斷時的動作時間，取t=0.5s，(根據(jù)故障點位置，保護動作應該為10kV系統(tǒng)的高壓綜保，保護裝置的動作時限一般為0.3～0.5s，為保障可靠性，t取0.5s)。

k值，根據(jù)《交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》GB/T50065-2011中附錄G中關于k值的計算說明，引用《GB16895.3-2004/IEC60364-5-64 建筑物電氣裝置第5-54部分[3]：電氣設備的選擇和安裝接地裝置、保護導體、和保護聯(lián)結導體》附錄A中的表A.54.6,正常環(huán)境下，鋼導體取k=58。

(2)經(jīng)復核，結果如表4所示。

表4 PE最小截面復核表

3.6 計算結果說明、分析

(1)由于40×4接地扁鋼的零序阻抗計算中，零序電阻及內(nèi)感抗采用了較大值作替代計算，其實際接地故障電流應大于本文計算值，但在其小于實際值的情況下，一些大容量變壓器(大于1000kVA)供電時，其截面復核已經(jīng)不能通過，實際情況是在小于1000kVA時便可能出現(xiàn)不滿足的情況。

(2)在圖4的接地故障回路中，由于40×4扁鋼的接入，對比分析表2～表3結果可知，單相接地故障電流有較大下降。結合表1(不同電流與扁鋼的零序電阻和內(nèi)感抗的關系)，降低故障電流的主要因素為接地線的長度增加而引起的阻抗增大，從而降低接地故障電流。該長度與變壓器中性點的接地位置及變壓器外殼接地點位置均有關。

(3)40×4扁鋼作為環(huán)形接地線只有在小容量變壓器，(根據(jù)國家標準圖集《建筑電氣常用數(shù)據(jù)，表4.4變壓器低壓側出線選擇》)，不大于400kVA變壓器中性點接地材料采用40×4扁鋼時，該環(huán)形接地線可不受接地形式的影響。

(4)圖4中，當發(fā)生單相接地故障時，其故障回路由一段40×4扁鋼+PEN母排兩種不同材質(zhì)、阻抗、熱穩(wěn)定的材料組成，并且發(fā)生導體截面改變的情況，本身的可靠性也欠缺。

綜上，在該接地形式下，40×4扁鋼作為環(huán)形接地線的統(tǒng)一做法不具有普遍合理性，其截面選擇受預期接地故障電流影響，設計中應根據(jù)工程實際情況加以判定選擇。

4 方案優(yōu)化

在圖2以及國家標準圖集《防雷與接地》D503-D505，P68頁中的方案2圖示中，由于接地扁鋼串入了單相接地故障回路，成為短路電流的主要通路，所以設計中需要計算預期接地故障電流。而從上文可知，現(xiàn)有工程設計資料獲得精確的短路電流值不太方便且比較繁瑣，給設計選擇、判定帶來了不便，基此，筆者提供幾個解決思路，拋磚引玉。

方案一： 環(huán)形接地扁鋼還是讓其承當?shù)入娢槐Ｗo聯(lián)結功能，不承受預期接地故障電流。做法：延伸低壓柜內(nèi)PE母排，并與變壓器外殼聯(lián)結，當發(fā)生接單相接地故障時，改變故障電流通路，如圖7所示。

圖7 延伸低壓柜內(nèi)PE排并與變壓器外殼后，發(fā)生單相接地故障時電流回路示意圖

方案二：保持現(xiàn)有”普遍做法”的接線方式，環(huán)形接地線采用與PEN母排等截面或等載流量的導體，在特殊接地故障下，環(huán)形接地線相當于PEN排的延伸，這樣環(huán)形接地線的截面選擇可根據(jù)相關工程設計手冊中變壓器中性點截面選擇，其導體截面的熱穩(wěn)定性亦能滿足。

5 結語

變電所低壓側環(huán)形接地線截面選擇，應根據(jù)低壓側不同的接地方式確定。在接線方式一(圖1)時，其常規(guī)40×4扁鋼做法均能滿足要求；當采用接線方式二(圖2)時，其截面受預期接地故障電流影響，設計中應加以選擇判定，并采取合理的解決方案，以保障系統(tǒng)安全、可靠運行。