某改造項目中35 kV變電站的中性點接地方式的選擇

魏 旗

(中國建材國際工程集團(tuán)有限公司，上海 200063)

選擇電力網(wǎng)中性點接地方式是一個綜合性問題，它與電壓等級、單相接地故障電流、過電壓水平、保護(hù)配置均有關(guān)系。通過一個工程案例，經(jīng)過計算來分析該工程35 kV變電站的中性點接地方式的選擇以及該項目存在的故障的原因，說明了弧光接地隱患對電網(wǎng)的危害以及解決方法。

1 工程現(xiàn)狀

該改造項目已于2021年建成投運，現(xiàn)有2臺10 000 kVA的三相三繞組變壓器，連接組別為YNd11，35 kV系統(tǒng)為單母線分段，現(xiàn)有出線4回，10 kV系統(tǒng)為單母線分段，現(xiàn)有出線16回。35 kV系統(tǒng)和10 kV系統(tǒng)均采用中性點不接地的方式，電氣主接線示意圖如圖1所示。

2 中性點接地方式的選擇

《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》(GB/T 50064—2014)中規(guī)定[1]：35 kV、66 kV系統(tǒng)和不直接連接發(fā)電機、由鋼筋混凝土桿或金屬桿塔的架空線路構(gòu)成的6～20 kV系統(tǒng)，當(dāng)單相接地故障電容電流不大于10 A時，可采用中性點不接地方式；當(dāng)大于10 A又需在接地故障條件下運行時，應(yīng)采用中性點諧振接地方式。

不直接連接發(fā)電機、由電纜線路構(gòu)成的6～20 kV系統(tǒng)，當(dāng)單相接地故障電容電流不大于10 A時，可采用中性點不接地方式；當(dāng)大于10 A又需在接地故障條件下運行時，宜采用中性點諧振接地方式。

《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》(GB/T 50064—2014)的條文說明中給出了單相接地電流小于10 A情況下的10 kV、35 kV系統(tǒng)中性點不接地方式的選擇依據(jù)，即：《6～10 kV電纜單相接地間歇性電弧電流下限的試驗研究》，西北電力技術(shù)，1991年4月第2期。該項試驗是在1∶1的模擬系統(tǒng)上進(jìn)行的，用于試驗研究的三種三芯電纜是3 mm×240 mm的10 kV油紙絕緣電纜、3 mm×70 mm的6 kV全塑絕緣電纜和3 mm×95 mm的6 kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜。研究結(jié)果表明這三種電纜的單相接地電流熄弧下限與絕緣型式密切相關(guān)：對全塑絕緣電纜單相接地電流不大于20 A，對油紙絕緣電纜不大于15 A，對交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜不大于10 A時電弧可以熄滅。為安全計，最終給出統(tǒng)一的熄弧電流10 A的閾值。

該項目中35 kV線路、10 kV線路均為電纜線路，中性點采用不接地的運行方式。下面估算單相接地電容電流，根據(jù)《電力工程電氣設(shè)計手冊》(電氣一次部分)[3]，電纜線路的電容電流可用下式近似估算

Ic=0.1UcL

式中，Ic為電纜線路的電容電流；Uc為電纜線路的額定線電壓；L為電纜線路的長度。該工程35 kV線路長度共約2 km ，10 kV線路長度約5 km。

因此該站35 kV電纜的電容電流值為：Ic=0.1×35×2=7 A；該站10 kV電纜的電容電流值為：Ic=0.1×10×5=5 A。另外考慮到35 kV變電站電力設(shè)備對電容電流的附加值[5]，因此35 kV側(cè)發(fā)生單相接地故障時，產(chǎn)生的電容電流：ΣIc=7×(1+13%)=7.91 A；10 kV側(cè)發(fā)生單相接地故障時，產(chǎn)生的電容電流：ΣIc=5×(1+16%)=5.8 A；因此，該變電站的35 kV系統(tǒng)、10 kV系統(tǒng)均采用了中性點不接地的方式。

3 中性點不接地系統(tǒng)帶來的電弧接地可引起過電壓

當(dāng)電力系統(tǒng)中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，故障點將流過電容電流，如果電容電流值很小，當(dāng)故障原因消失后，電弧一般可自行熄滅，系統(tǒng)很快恢復(fù)正常。如果電弧造成的影響擴大，能發(fā)展為兩相或三相短路，尤其當(dāng)接地處發(fā)生所謂斷續(xù)電弧，也就是周期性熄滅與重燃的電弧，它與電網(wǎng)振蕩回路的相互作用可能引起相與地之間的諧振過電壓。這種電壓可以達(dá)到(2.5～3)倍相電壓值，進(jìn)而導(dǎo)致非接地相絕緣擊穿形成相間短路。在項目所述案例中，當(dāng)中性點不接地系統(tǒng)的單相接地故障電流大于10 A時，電弧不能自動熄滅，引起單相接地故障。在電力系統(tǒng)中接地電容電流大于5 A時就可能引起斷續(xù)電弧，進(jìn)而導(dǎo)致線路上絕緣地點的絕緣被擊穿。雖然電弧不致于穩(wěn)定燃燒，但電弧時燃時滅的不穩(wěn)定狀態(tài)，會導(dǎo)致電磁能量的強烈震蕩，并在健全相和故障相上產(chǎn)生過電壓，這就是間歇性電弧接地過電壓?？諝獬睗裣魅趿私^緣效果，該文所述案例，在濕度大于65%的雷雨季節(jié)，從高壓柜底部窗口可以看到閃絡(luò)電弧。

4 單相間歇性電弧可引起電壓互感器異常損壞

已有的研究認(rèn)為：電壓互感器損壞的原因是，在電網(wǎng)中性點偏移電壓作用下，電壓互感器與中性點對地電容構(gòu)成的L-C串聯(lián)鐵磁諧振。電網(wǎng)對地電容較小時發(fā)生幾率較大，因此采取在電壓互感器上加裝消諧器等措施以消除諧振。但是，近年來的運行情況表明，電壓互感器的異常損壞是由系統(tǒng)故障狀況下，電壓互感器的飽和特性和電網(wǎng)的對地電容相互作用在電壓互感器中產(chǎn)生的暫態(tài)過電流造成的。單相間歇性電弧接地故障發(fā)生時，電壓互感器端電壓的不斷切換，將電壓互感器推進(jìn)深度飽和區(qū)，加重其與電容相互作用產(chǎn)生的暫態(tài)過電流，更容易造成電壓互感器異常損壞。實驗證明鐵磁諧振已不是電壓互感器損壞的主要原因，當(dāng)系統(tǒng)單相接地故障消失后，系統(tǒng)電容的放電電流造成電壓互感器中較大的暫態(tài)過電流，導(dǎo)致其損壞。

5 如何消除電弧引起的過電壓

為消除電弧接地過電壓、消除間歇性電弧，最有效的方法是將中性點直接接地，目前110 kV及以上電網(wǎng)大都采用中性點直接接地的運行方式。發(fā)生單相接地故障時，線路斷開，待故障消除后恢復(fù)供電，但是在我國低壓配電系統(tǒng)中，單相接地事故概率相對較大，如采用中性點直接接地，勢必引起斷路器頻繁跳閘，故采用中性點絕緣的運行方式。電網(wǎng)過電壓保護(hù)和絕緣配合比較復(fù)雜，過電壓(雷擊、線路碰線、電容耦合等)是造成開關(guān)爆炸、開關(guān)柜失火、電力設(shè)備損壞的重要原因。為使電弧容易熄滅，我國35 kV及以下電壓等級的配電網(wǎng)采用中性點不接地或者中性點經(jīng)消弧線圈接地的運行方式。消弧線圈接于系統(tǒng)的中性點處，補償流過故障點的短路電流，使電弧能自行熄滅，降低故障相上的恢復(fù)電壓上升的速度，減少電弧重燃的可能性。

6 中性點經(jīng)消弧線圈接地運行狀況分析

消弧線圈接地方式是利用電抗器的感性電流補償電網(wǎng)的容性電流，使接地電流大為減少[4]。當(dāng)中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，流過接地點的電流是接地電容電流Ic和流過消弧線圈的電感電流IL的向量和。由于Ic超前Uc90°，IL滯后Uc90°，兩電流相抵后使流過接地點的電流減小。

根據(jù)IL與IC的矢量值不同，消弧線圈的補償有3種方式：1)全補償，IL=Ic；2)欠補償 ，ILIc。實際上都采用過補償，以防止由全補償引起的諧振過電壓、損壞設(shè)備絕緣，或者欠補償因部分線路斷開造成全補償。

中性點經(jīng)消弧線圈接地發(fā)生單向接地故障時，相間電壓的相位不改變，故障相對地電壓為0，非故障相對地電壓升高至線電壓，三相設(shè)備仍可照常運行，但不能長期帶故障運行，必須裝設(shè)單相接地保護(hù)或絕緣監(jiān)視裝置，在發(fā)生單相接地故障時發(fā)出報警信號或指示，以便工作人員及時處理。

消弧線圈需要安裝在電力系統(tǒng)的中性點，但是該項目35 kV系統(tǒng)、10 kV系統(tǒng)都沒有中性點引出，這時就需要在系統(tǒng)中另外設(shè)置一個中性點來連接消弧線圈。為此在母線上需要裝設(shè)接地變壓器。接地變壓器也可以同時為變電站設(shè)備正常運行提供電源。

7 關(guān)于消弧線圈和過電壓的認(rèn)識誤區(qū)

雖然消弧線圈可以消除單相接地故障，但是消弧線圈的自動跟蹤、自動調(diào)諧裝置都是在工頻條件下工作的，在弧光產(chǎn)生的高頻震蕩的過程中，消弧線圈不能起到補償電網(wǎng)電容的作用。同時消弧線圈也不能補充諧波電流，諧波電流也可能發(fā)生弧光接地過電壓。

8 結(jié) 語

工廠35 kV變電站的設(shè)計、選址應(yīng)結(jié)合電網(wǎng)實際情況，理解規(guī)范制定的出發(fā)點，合理選擇中性點接地方式，重視電弧閃絡(luò)帶來的過電壓危害，要做到從實際出發(fā)，具體問題具體分析。