IT接地系統(tǒng)單相接地故障后的情況分析

武 攀

[同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司, 上海 200092]

0 引 言

電源的接地制式主要有TN-C、TN-C-S、TN-S、TT、IT接地系統(tǒng)。在我國(guó)目前使用比較多的是TN-C-S、TN-S、TT接地系統(tǒng)。IT接地系統(tǒng)即中性點(diǎn)不接地或經(jīng)高電阻接地系統(tǒng),在我國(guó)并沒(méi)有被廣泛使用,目前主要被用在不間斷供電要求較高和對(duì)接地故障電壓有嚴(yán)格限制的場(chǎng)所,如應(yīng)急電源裝置、消防、礦井下電氣裝置、醫(yī)院手術(shù)室以及有防火防爆要求的場(chǎng)所[1-3]。IT接地系統(tǒng)一般不建議引出中性線,主要是因?yàn)楫?dāng)發(fā)生單相接地故障而設(shè)備仍需繼續(xù)運(yùn)行,這時(shí)中性線和其余兩正常相對(duì)地電壓會(huì)升高,對(duì)人員的生命、線路的安全會(huì)帶來(lái)更大的危險(xiǎn),IEC標(biāo)準(zhǔn)也強(qiáng)烈建議IT接地系統(tǒng)不引出中性線[4-6]。

本文主要分析IT接地系統(tǒng)在發(fā)生單相接地故障情況下的電壓、電流變化,進(jìn)而分析工程中35 kV變配電系統(tǒng)IT接地系統(tǒng)可以使用的情況,供讀者參考。

1 單相接地故障時(shí)電壓變化分析

一般,電壓是指兩點(diǎn)間的電位差,例如電壓220 V是指相線與中性線的電位差,電壓380 V是指三相線路上兩相之間電位差。通常取大地電位為參考0電位,沒(méi)有絕對(duì)電位,只有相對(duì)電位,如果一個(gè)電源系統(tǒng)中性點(diǎn)接地,中性點(diǎn)電位即為大地電位,即0電位,則某點(diǎn)與中性點(diǎn)的電位差是與大地的電位差,即對(duì)地電壓。三相變壓器Δ/Y聯(lián)結(jié)如圖1所示。

圖1 三相變壓器Δ/Y聯(lián)結(jié)

三相變壓器二次側(cè)線圈內(nèi)在的電壓、電流其特性和發(fā)電機(jī)的特性相同,均存在幾個(gè)固有的屬性:

(1) 變壓器二次側(cè)線圈內(nèi)在的三個(gè)相電壓有效值始終相等,相位也始終彼此相差120°,這里的內(nèi)在相電壓是指相與變壓器中心點(diǎn)的電位差,而不是與大地的電位差,即有效值UAN=UBN=UCN,相位角相差120°。

(2) 變壓器二次側(cè)線圈內(nèi)在三個(gè)線電壓有效值始終彼此相等,相位差始終相差120°,內(nèi)在的線電壓是指相與相之間的電位差。即有效值UAB=UBC=UCA,相位角相差120°。

(4) 三相變壓器內(nèi)在的線電壓,相電壓均不隨負(fù)載的情況變化而變化,隨負(fù)載情況變化的是外在的電流、電壓和功率。即UAN、UBN、UCN、UAB、UBC、UCA是變壓器固有的屬性,不隨負(fù)載的情況變化而變化。

正常工作情況下,三相變壓器二次出線側(cè)電壓示意如圖2所示。

圖2 三相變壓器二次出線側(cè)電壓示意

當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí),假設(shè)二次側(cè)A相線路與設(shè)備外殼或者大地發(fā)生單相接地故障,由于IT系統(tǒng)電源側(cè)中性點(diǎn)沒(méi)有接地,單相接地故障電流沒(méi)有通過(guò)大地返回到變壓器中性點(diǎn)的回路,此時(shí)A相的故障點(diǎn)電位非常小,基本降為與大地電位同等,接地故障電流非常小,故障點(diǎn)電壓小于安全電壓50 V,人員沒(méi)有生命危險(xiǎn)。

假設(shè)三相變壓器二次側(cè)線電壓為380 V,相電壓為220 V。當(dāng)發(fā)生A相接地故障時(shí),對(duì)地電位為0,由于UAN沒(méi)有發(fā)生變化,N點(diǎn)相對(duì)地電位相應(yīng)提高到220 V,同時(shí)由于UBN=UCN沒(méi)有變化,此時(shí)B相、C相對(duì)N點(diǎn)電位仍為220 V,對(duì)地電位則提高到380 V。UAB=UBC=UCA=380 V,即A相故障點(diǎn)對(duì)地電位為0,B相、C相對(duì)地電位為380 V。

因此,當(dāng)A相發(fā)生單相接地故障短路時(shí),B相、C相對(duì)N點(diǎn)沒(méi)有變化,但對(duì)地電壓升高,且對(duì)地相角發(fā)生變化,A相發(fā)生接地故障示意圖如圖3所示。

圖3 A相發(fā)生接地故障示意圖

其他兩相對(duì)地電壓升高到380 V,但由于變壓器內(nèi)在三相相電壓、線電壓,相位角均未發(fā)生變化,所以設(shè)備仍可以繼續(xù)運(yùn)行,從而保證設(shè)備運(yùn)行的連續(xù)性和可靠性,但需通過(guò)報(bào)警裝置及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn),排除故障,避免二次故障時(shí)造成設(shè)備的損壞以及人員的危險(xiǎn)。

2 單相接地故障時(shí)電流變化分析

IT接地系統(tǒng)正常工作情況下,必然存在著相線與大地之間的電容電流。當(dāng)三相電容電流平衡時(shí),IT接地系統(tǒng)示意如圖4所示,電容電流相量和為0,即IA+IB+IC相量和為0。

圖4 IT接地系統(tǒng)示意

當(dāng)IT接地系統(tǒng)發(fā)生A相接地故障時(shí),根據(jù)電壓分析,B相、C相對(duì)地電壓發(fā)生變化,B相、C相對(duì)地電壓升為380 V,即有效值UAB=UAC=380 V,此時(shí)B相、C相對(duì)地電容電流也發(fā)生變化,且由于B相、C相對(duì)地電容電流通過(guò)A相接地故障點(diǎn)流回A相線路,三相電容電流原有平衡被打破了,形成新的三相平衡,I′A+I′B+I′C=0。A相發(fā)生接地故障電流流向示意如圖5所示。

圖5 A相發(fā)生接地故障電流流向示意

圖6 A相發(fā)生單相故障相位角示意

3 35 kV配電采用IT接地系統(tǒng)的情況分析

根據(jù)我國(guó)相關(guān)規(guī)范規(guī)定,對(duì)于IT接地系統(tǒng),即中性點(diǎn)不接地方式,當(dāng)單相接地故障時(shí)電容電流不超過(guò)10 A的下列電力系統(tǒng)可采用不接地系統(tǒng):所有的35、66 kV系統(tǒng);不直接連接發(fā)電機(jī)的6～20 kV系統(tǒng)。

根據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》表4.6-10,35 kV變電站電力設(shè)備增加的電容電流百分?jǐn)?shù)為13%,因此I′A=3IA(1+13%)=3ωCU×1.13,其中ω為角頻率,C為每相對(duì)地分布電容,U為相電壓,取5.77 kV(10 kV高壓系統(tǒng)),Cp為每相對(duì)地每千米分布電容。10 kV高壓電纜單相接地故障,電容電流I′A為10 A時(shí)線纜長(zhǎng)度如表1所示,其中I′A=3ωkCpU×1.13=10 A。

表1 10 kV高壓電纜單相接地故障,電容電流I′A為10 A時(shí)線纜長(zhǎng)度

表1中電纜采用交聯(lián)聚乙烯絕緣時(shí)的電容電流計(jì)算。當(dāng)10 kV電纜采用其他絕緣類(lèi)型時(shí),單相電纜電容值為

C=2πεrε0/(lnr2/r1)

(1)

式中:r1——電纜芯線半徑;

r2——電纜外皮內(nèi)半徑;

εr——電纜絕緣材料相對(duì)介電常數(shù),一般取3;

ε0——空氣介電常數(shù),取8.84×10-6。

根據(jù)式(1),從而計(jì)算出單相接地故障電容電流。

因此,當(dāng)10 kV高壓配電電纜長(zhǎng)度不超過(guò)上表對(duì)應(yīng)數(shù)值時(shí),35 kV配電系統(tǒng)可以采用IT接地系統(tǒng)。

4 單相接地故障下不同接地系統(tǒng)的情況分析

對(duì)于IT接地系統(tǒng),當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí),三相變壓器二次側(cè)內(nèi)在相間電壓并沒(méi)有被破壞,設(shè)備仍可以繼續(xù)運(yùn)行,保證設(shè)備運(yùn)行的可靠性,故障點(diǎn)對(duì)地電位接近于零,保障人員的安全性;同時(shí)由于單相接地電容電流很小,也不會(huì)形成穩(wěn)定的接地電弧,故障點(diǎn)電弧可以迅速自熄,防止火災(zāi)發(fā)生;對(duì)臨近通信線路干擾也小。因此,IT接地系統(tǒng)的正確使用具有很多優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是發(fā)生單相接地故障時(shí)會(huì)產(chǎn)生弧光重燃過(guò)電壓,這種過(guò)電壓最高會(huì)達(dá)到線電壓的3.5倍。這種過(guò)電壓現(xiàn)象會(huì)造成電氣設(shè)備的絕緣損壞或開(kāi)關(guān)柜絕緣子閃絡(luò)、電纜絕緣擊穿,所以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)絕緣水平要求較高。當(dāng)系統(tǒng)采用IT接地系統(tǒng)時(shí),需注意以下系統(tǒng)設(shè)備的絕緣等級(jí)及配合:系統(tǒng)相關(guān)的變壓器、配電電纜、相關(guān)開(kāi)關(guān)柜、高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備以及避雷器等。

部分高壓設(shè)備絕緣等級(jí)如表2所示。

表2 部分高壓設(shè)備絕緣等級(jí)

具體工程中,對(duì)于IT接地系統(tǒng),除了提高系統(tǒng)的絕緣等級(jí),還需做好絕緣監(jiān)測(cè)措施。當(dāng)發(fā)生第一次單相接地故障時(shí),可以繼續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間而不切斷電源,同時(shí)及時(shí)報(bào)警引起工作人員的注意,從而通過(guò)查找故障點(diǎn)排除接地故障。如沒(méi)有排除掉,當(dāng)發(fā)生第二次單相接地故障時(shí),可能產(chǎn)生相間短路(通過(guò)大地或者共用接地線),故障點(diǎn)電壓已經(jīng)超過(guò)安全電壓,需即刻切除故障線路,以保證人員和線路的安全。

當(dāng)計(jì)算單相故障電容電流I′A>10 A時(shí),又需要在接地故障情況下運(yùn)行,可采用中性點(diǎn)諧振接地方式,通過(guò)中性點(diǎn)設(shè)置消弧線圈,來(lái)補(bǔ)償單相接地故障時(shí)電容電流,使接地點(diǎn)電弧容易熄滅,減少間歇性電弧的產(chǎn)生,抑制弧光接地過(guò)電壓。變壓器中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地如圖7所示。使用消弧線圈時(shí)可使系統(tǒng)帶接地故障運(yùn)行2 h以下,以提高供電的可靠性。但需注意宜采用具有自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償功能的消弧裝置,系統(tǒng)接地故障殘余電流不應(yīng)大于10 A,且對(duì)不能自動(dòng)調(diào)節(jié)的消弧線圈應(yīng)運(yùn)行在過(guò)補(bǔ)償狀態(tài)下。

圖7 變壓器中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地

自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償消弧裝置消弧部分的容量應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)遠(yuǎn)景年的發(fā)展規(guī)劃確定:

(2)

式中:W——自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償消弧裝置消弧部分的容量;

Ic——接地電容電流;

Un——系統(tǒng)標(biāo)稱(chēng)電壓。

如發(fā)生單相接地故障電流時(shí),為了保證線路的安全、人員電擊的安全和避免火災(zāi)的發(fā)生,可以在變壓器中性點(diǎn)直接接地或經(jīng)小電阻接地。變壓器中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地如圖8所示。

圖8 變壓器中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地

圖8中,三相電流不再平衡,A相電流IA為單相接地故障電流,其取決于變壓器中性點(diǎn)電阻值、大地電阻以及A相接地處的電阻值。當(dāng)單相接地故障電流超過(guò)變壓器出線側(cè)過(guò)電流保護(hù)時(shí),由于單相接地故障電流較大,過(guò)電流保護(hù)裝置將發(fā)生動(dòng)作,切除故障電流,使線路不再有故障的存在,從而保證線路以及人員的安全。

5 結(jié) 語(yǔ)

電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式直接影響電網(wǎng)供電的可靠性、連續(xù)性、運(yùn)行的安全性,同時(shí)不同的接地方式對(duì)工程造價(jià)又有一定的影響,這就要求我們?cè)谶x擇電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式時(shí),根據(jù)具體情況具體分析、綜合考慮,做出正確合理的選擇。