施工電源電容電流分析

中核遼寧核電有限公司 高建喜 劉 瀟

1 施工電源接入情況

某核電廠內設置1座輔助電源及施工電源變電站，為核電機組輔助變壓器和核電廠施工電源供電。變電站經過1回220kV 線路與電力系統(tǒng)連接，站內220kV 電氣主接線采用雙母線接線，配電裝置采用戶內式氣體絕緣金屬封閉組合電器（GIS）。變電站內設置施工變壓器，變壓器型式為雙繞組有載調壓降壓變壓器，變壓器額定容量16MVA、變比230±8×1.25%/10.5kV，接線組別YNd11。變壓器高壓側電源引自220kV 配電裝置，低壓側通過電纜引至變電站內的10kV 施工電源段。10kV 施工電源段采用單母線分段接線，每段母線由1臺施工變壓器引接電源，兩段母線之間設置分段斷路器。每段母線設置9個饋線回路供施工單位引接電源。

圖1 電氣主接線圖

220kV 系統(tǒng)中性點采用直接接地方式，10kV配電裝置采用不接單方式。10kV 側負荷包括三個施工用環(huán)形供電網、廠前區(qū)供電網等兩部分。給施工用電供電的三個環(huán)形供電網每個均由8～9臺10/0.4kV 干式變壓器構成，安裝容量約8MVA。環(huán)網內聯(lián)絡電纜敷設量合計35km，電纜型號為YJV-22 3×185mm2。廠前區(qū)供電網給各子項（包括施工期鍋爐、制冷站、食堂、公寓、辦公樓等十余座建筑）的電源也由施工電源中壓側饋出，總的安裝容量約10MVA,中壓電纜敷設量約10km,電纜型號為YJV 3×70—3×240mm2。

2 電力系統(tǒng)中性點接地方式及問題的提出

國內3～35kV 中壓配電系統(tǒng)普遍采用了中性點非有效接地方式，可分為中性點不接地，經消弧線圈接地，經大、中、小電阻接地方式。本文中核電廠采用的就是中性點不接地系統(tǒng)。

中性點不接地系統(tǒng)的優(yōu)點在于：當發(fā)生單相接地故障時，雖然接地相對地電壓為零，但系統(tǒng)線電壓仍然對稱，系統(tǒng)運行方式（線電壓）沒有破壞。中壓系統(tǒng)還可連續(xù)運行1～2小時；這種方式的缺點在于：隨著電纜線路的大量使用，系統(tǒng)內電纜線路、變電站內母線的分布電容引起的對地電容電流大幅度增加。據統(tǒng)計，和架空線路相比較，在同等長度內電纜線路的電容電流是架空輸電線路的50～100倍。當系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，在大量采用電纜線路進行長距離供電的系統(tǒng)中電容電流有可能超過規(guī)程規(guī)定的安全可熄滅電流。

依據國家標準《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規(guī)范》GB/T50064中3.1.3條的要求，由電纜線路構成的6～20kV 系統(tǒng)，當單相接地故障電容電流不大于10A 時，可采用中性點不接地方式。當大于10A 又需要在接地故障條件下運行時，宜采用中性點諧振接地方式。第3.1.4條規(guī)定6kV～35kV主要由電纜線路構成的配電系統(tǒng)、發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)、風力發(fā)電廠集電系統(tǒng)和除礦井的工業(yè)企業(yè)供電系統(tǒng)，當單相接地故障電容電流較大時可采用中性點經低電阻接地方式。

同時，由于接地電流超過規(guī)程規(guī)定，電弧不能自行熄滅，接地的交流電流在過零點后重燃，產生間歇性弧光過電壓，在最不利情況下過電壓可達4倍的相電壓，極有可能破壞電纜的絕緣，進而形成相間短路接地，使故障范圍擴大并波及并行敷設的相臨電纜線路。而且受環(huán)境和其它因素影響，接地電流往往經過過渡電阻（包括電弧過渡電阻），接地電流極不穩(wěn)定，繼電保護靈敏度降低，很難正確動作，選線的正確性不能保證。

中性點經消弧線圈接地系統(tǒng)的優(yōu)點在于：充分發(fā)揮電感線圈和分布電容相位相反的優(yōu)勢，對電容電流進行補償，使接地電流補償?shù)奖M可能小的程度；這種方式的缺點在于：在饋出線路較多的系統(tǒng)中極可能發(fā)生全補償?shù)那闆r，為避免發(fā)生此種情況一般系統(tǒng)均采取過補償?shù)姆绞剑允莛伋鼍€路的影響導致電感電流的增大。

中性點經電阻接地系統(tǒng)的優(yōu)點在于：當發(fā)生單相接地故障時接地電流通過電阻形成回路，根據接地電阻大小的不同接地電流被加大到上百、乃至上千安培，繼電保護靈敏度提高，能可靠動作迅速切除故障線路、消除故障點，對電纜線路形成了很好的保護作用，防止故障范圍擴大；其缺點在于：過大的接地電流要求繼電保護可靠動作，否則故障范圍會擴大。同時過大的接地電流對通訊線路造成干擾。

該核電廠施工電源投運后，10kV 環(huán)網電纜發(fā)生多次中性點接地后引起的相間擊穿故障。經現(xiàn)場工程技術人員反復討論分析，隨著認識的不斷深入，由最初的單純分析電纜接頭制作工藝、密封性不嚴導致的受潮進水、到夏季電纜溝進水后潮氣通過電纜接頭串入電纜內部并在電纜內部聚集、冬季時受該地區(qū)氣溫低結冰后形成冰漲最終形成接地故障，最終認識到中性點接地故障后由于過電壓引起的電容電流過大，同時在諧振過電壓的作用下導致電弧不能自行熄滅，或者電弧過零點熄滅后又重燃，最終發(fā)展成相間短路接地故障。

3 電容電流計算

單相接地電容電流的計算方法為Ic=1.732 UeωC×10-3，ω=2πf。式中Ic 為單相接地電容電流，A；Ue 為廠用電系統(tǒng)額定線電壓，kV；ω 為角頻率；C 為廠用電系統(tǒng)每相對地電容，μF，求得的電容值乘以1.25即為全系統(tǒng)總的電容近似值（包括廠用變壓器繞組、電動機以及配電裝置等）；f 為頻率，Hz。對于具備金屬護層的10kV 三芯電力電纜，截面積95mm2電纜的每相對地電容為0.35（μF/km），截面積185mm2電纜的每相對地電容為0.45（μF/km），截面積240mm2電纜的每相對地電容為0.5（μF/km）。

對于廠前區(qū)中壓負荷，由于大部分電纜截面較小， 故選取95mm2電纜做基準進行計 算。 施 工 環(huán) 網 電 容 電 流Ic1=1.732UeωC×10-3=1.732×10×2×3.14×50(0.45×35× 1.25)×10-3=107A， 廠前區(qū)供電網電容電流Ic2=1.732UeωC×10-3=1.732×10×2× 3.14×50(0.35×10×1.25)×10-3=23.8A，總的電容電流Ic=Ic1+Ic2=107+23.8 =130.8A。

從以上計算結果可看出：本系統(tǒng)采用中性點不接地方式時，電容電流超過國家標準10倍以上。不管系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障引起電纜著火的表象原因是哪種，其根本原因是接地電容電流大幅度超過國家標準，從而在接地故障發(fā)生時產生過電壓使接地點電容電流產生的電弧不能自行熄滅或熄滅后重燃引起的。所以對本系統(tǒng)中性點改造勢在必行。

圖2 局部燒損圖

圖3 事故全景圖

4 中性點接地方式及接地設備選擇

4.1 中性點接地方式

由計算結果可看出，目前情況下不論是改變運行方式（采用分段或解環(huán)運行）還是調整繼電保護定值均不能將電容電流降到標準規(guī)定的10A 以下。且隨著建設規(guī)模的擴大后續(xù)仍不斷有新的負荷接入系統(tǒng)，電容電流有持續(xù)增加的趨勢。所以只有按照國家標準《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規(guī)范》GB/T50064中對中性點接地方式的規(guī)定，對本系統(tǒng)中性點采取諧振接地或電阻接地模式來解決電容電流超標的問題。無論采用諧振接地或電阻接地模式，均需在10kV 側采用Z 型聯(lián)接的阻抗變壓器制造中性點，并在中性點配置消弧線圈或電阻。

4.2 接地阻抗變壓器容量計算

消弧線圈容量選擇。消弧線圈容量計算參照《導體和電器選擇設計技術規(guī)定》DL/T5222-2005的規(guī)定中的計算方法：Q=KICUN/1.732，式中Q 為補償容量，kVA；IC為電容電流，A；K 為補償系數(shù)，過補償取1.35；UN為廠用電系統(tǒng)額定線電壓，kV。計算結果：補償容量Q=KICUN/1.732=1.35×130.8×10/1.732=1019.5kVA；考慮后續(xù)電纜量增加，消弧線圈和接地變壓器容量選擇1250kVA。

采用經電阻接地時接地變容量選擇。接地變短路容量Sk=1.732UeIN，根據IEEE C62.92.3標準關于過載短時容量換算成持續(xù)容量的規(guī)定，接地變持續(xù)容量（10s 過載倍數(shù)為10.5）SN=Sk/10.5，式中Sk為接地時的相短路容量，kVA；Iφ為短路相電流，A；IN為流入中性點電流；Ue 為廠用電系統(tǒng)額定線電壓，kV。10kV 系統(tǒng)采用小電阻接地，如果接地電阻選擇6Ω，則接地電流Iφ=10000/(1.732×6)=962A。計算結果：短路容量Sk=1.732U eIφ=1.732UeIφ/3=1.732×10×962/3=5556kVA；持續(xù)容量SN=Sk/10.5=5556/10.5=529kVA；考慮后續(xù)電纜量增加，接地變壓器容量選擇600kVA。

4.3 設備選擇及特點分析

4.3.1 諧振接地方式設備選擇

諧振接地模式指在中性點增加電感性設備補償發(fā)生單相接地故障時的電容電流，把總的接地電流限制在一定范圍，電感性設備一般采用消弧線圈。消弧線圈按電力行業(yè)標準《導體和電器選擇設計技術規(guī)定》DL/T5222-2005的規(guī)定選擇。根據該標準的要求，配電網用消弧線圈按過補償方式選擇，以免產生諧振，經計算需安裝的消弧線圈總容量為1250kVA，每段母線安裝1套，另外消弧線圈采用自動跟蹤補償?shù)姆绞?，使補償后的接地電流不大于10A，以不改變現(xiàn)有運行方式。中性點采用諧振接地的特點是發(fā)生單相接地故障時通過消弧線圈補償（抵消）單相電容電流，使總的單相接地故障電流不大于10A，把電弧引起的過電壓限制在2.6倍額定電壓以內，避免損害系統(tǒng)的絕緣而使事故擴大。

這種接地方式的主要優(yōu)點是供電連續(xù)性較好，因為總的接地故障電流較小，系統(tǒng)可在發(fā)生單相接地故障時持續(xù)運行一段時間（一般小于2小時），此時保護動作于報警，用于查找故障回路并消除故障。另外，施工變電站現(xiàn)采用中性點不接地系統(tǒng)，采用諧振接地方式后總的單相接地電流變化不大，原有保護裝置不用更換，但需要增加1套小電流接地選線裝置；這種接地方式的主要缺點是消弧線圈的補償量需根據配電系統(tǒng)的負荷變化調整，施工變電站內由于遠期負荷增加較多，且負荷在各段上的投入也會隨著運行方式調整，消弧線圈的調整檔位選擇困難，一旦因裝置原因造成跟蹤困難或檔位選擇不合理可能在系統(tǒng)中產生諧振，或故障時補償電流過大引起保護動作，無法實現(xiàn)單相接地故障時的持續(xù)供電功能。

4.3.2 電阻接地方式設備選擇

根據國家標準《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規(guī)范》GB/T50064的規(guī)定，當單相接地故障電容電流較大時可采用中性點經低電阻接地方式。電阻的作用是發(fā)生單相接地時，通過電阻形成大于單相接地電容電流并與其并聯(lián)的電阻性電流形成金屬性接地，以限制因電弧引起的過電壓。采用中性點經低電阻接地的方式后，發(fā)生單相接地時保護瞬時動作于跳閘。優(yōu)點是通過形成金屬回路限制發(fā)生單相接地故障時的過電壓，同時保護裝置瞬時動作，減少故障對設備和導體的損害；缺點是發(fā)生單相接地故障時的供電連續(xù)性較差。

5 結語

10kV 配電網的中性點接入方式與系統(tǒng)的電容電流相關，并需結合運行方式確定。由于該核電廠建設規(guī)模較大，根據對現(xiàn)有供電系統(tǒng)的統(tǒng)計計算，總的單相接地電容電流已遠超過10A，項目大規(guī)模建設開始后施工負荷將繼續(xù)增加，10kV 施工電源系統(tǒng)的單相接地電容電流將變得更大，仍采用中性點不接地方式將影響系統(tǒng)的運行安全，因此建議改變10kV 系統(tǒng)的接地方式。

經過分析，施工電源和廠前區(qū)負荷均為非重要負荷，但受工期和北方季節(jié)影響施工期較短等因素影響，對供電的連續(xù)性要求比較高，故決定采用中性點經消弧線圈接地方式，限制電容電流在國家標準范圍內。