35 kV配網(wǎng)小電阻接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

葉敏良 陳朝暉

（伊犁新天煤化工有限責(zé)任公司，新疆 伊犁 835004）

0 引言

新天公司總降變電站35 kV系統(tǒng)為10個(gè)化工裝置區(qū)負(fù)荷提供電源，從巴彥岱變電所引入兩回110 kV進(jìn)線，經(jīng)過#1、#2主變接入總降變電站35 kVⅠ、Ⅲ段母線；熱電站3臺(tái)50 MW發(fā)電機(jī)組，經(jīng)過#1、#2、#3升壓變分別接入總降變電站的35 kVⅠ、Ⅱ、Ⅲ段母線；化工用電負(fù)荷分別接在35 kVⅠ和Ⅲ段母線上。因此，35kV系統(tǒng)供電可靠性，直接影響化工負(fù)荷供電可靠性。近年來，35 kV系統(tǒng)電纜或母線單相接地故障多次引發(fā)了過電壓，導(dǎo)致電氣設(shè)備損壞，造成了化工雙系列停運(yùn)事故。

1 現(xiàn)狀問題

新天公司35 kV系統(tǒng)出線間隔多，負(fù)荷電纜長，系統(tǒng)電容電流較大，將近80 A。在2020年6月前，因35 kV系統(tǒng)為不接地系統(tǒng)，在35 kV系統(tǒng)發(fā)生的多起單相接地故障中，系統(tǒng)均出現(xiàn)過電壓現(xiàn)象，在短時(shí)間內(nèi)引發(fā)多點(diǎn)故障，造成化工雙系列停運(yùn)事故，如2018年4月發(fā)生“#3升壓變35 kV側(cè)管母軟連接B相故障”，2019年2月發(fā)生“35 kVⅡ段母線B相故障”，2019年10月發(fā)生“空分循環(huán)水#2油變A相故障”。2020年6月至2021年6月，35 kV系統(tǒng)由不接地系統(tǒng)改造為中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，目的是當(dāng)35 kV系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，實(shí)現(xiàn)消弧線圈自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償，保證故障負(fù)荷在2 h之內(nèi)不斷電，保持正常供電。但2020年8月發(fā)生“#2升壓變35 kV側(cè)電纜單相接地故障”，2021年2月發(fā)生“三級(jí)泵站#2線路單相故障”，這兩起事故仍然引發(fā)了多點(diǎn)故障，造成化工裝置停運(yùn)和降負(fù)荷的后果。

2 原因分析

35 kV系統(tǒng)原設(shè)計(jì)為不接地系統(tǒng)，存在電容電流嚴(yán)重超標(biāo)的重大設(shè)計(jì)缺陷，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，電容電流過大，接地點(diǎn)電弧不能自行熄滅，特別是當(dāng)出現(xiàn)間歇性弧光接地時(shí)，產(chǎn)生弧光接地過電壓，可達(dá)3～5倍相電壓甚至更高，非常容易擊穿系統(tǒng)中絕緣薄弱設(shè)備，瞬間發(fā)生多點(diǎn)擊穿轉(zhuǎn)換性故障，同時(shí)系統(tǒng)又遭受巨大短路電流沖擊，造成大面積停電，最終導(dǎo)致化工裝置停運(yùn)。

2020年6月，35 kV系統(tǒng)安裝消弧線圈后，發(fā)生單相接地故障時(shí)消弧線圈產(chǎn)生電感電流，該電感電流能補(bǔ)償因單相接地而形成的電容電流，使得故障相恢復(fù)電壓速度減小，同時(shí)消弧線圈的嵌位作用，能有效降低鐵磁諧振過電壓產(chǎn)生的概率。但上述兩起單相接地故障仍引發(fā)了多點(diǎn)故障，擴(kuò)大了故障范圍。分析原因?yàn)橄【€圈以感性電流補(bǔ)償容性電流來熄弧，在單相接地故障中能發(fā)揮一定的作用，但在本公司35 kV配網(wǎng)系統(tǒng)使用中暴露出如下一些問題：不能限制間歇性弧光過電壓，不能補(bǔ)償高頻電流，接地選線不準(zhǔn)，容易導(dǎo)致運(yùn)行人員在查找故障點(diǎn)時(shí)誤拉正常負(fù)荷。

針對(duì)上述問題，分析認(rèn)為本公司35 kV系統(tǒng)供電線路以電纜線路為主，電纜受外界環(huán)境影響小，電纜發(fā)生的故障大多為永久性故障。因?yàn)殡娎|發(fā)生接地故障時(shí)，接地電弧為封閉性電弧，不易自行熄滅，不及時(shí)跳閘，將造成相間故障，擴(kuò)大事故范圍；再者，經(jīng)消弧線圈補(bǔ)償后，僅能降低故障點(diǎn)的殘流，但不能消除故障。因此，認(rèn)為純電纜網(wǎng)絡(luò)的配電系統(tǒng)采用小電阻接地方式能有效限制配電故障時(shí)過電壓，而且能及時(shí)切斷故障線路。于是在2021年6月，35 kV系統(tǒng)中性點(diǎn)進(jìn)行小電阻接地改造。

3 設(shè)計(jì)思路

35 kV系統(tǒng)主接線方式為單母三分段，化工用電負(fù)荷分別掛在35 kVⅠ段和Ⅲ段母線上，35 kVⅡ段不存在獨(dú)立分段運(yùn)行方式，則選擇在35 kVⅠ和Ⅲ段母線各加裝一套小電阻接地成套裝置，滿足35 kV母線并列運(yùn)行和分列運(yùn)行的要求，接線圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)接線圖

具體設(shè)計(jì)如下：由于35 kV系統(tǒng)中性點(diǎn)沒有可以引出的設(shè)備，則選用Z型三相接地變來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)中性點(diǎn)的接地要求。接地變沒有帶負(fù)荷的需求，選用的接地變不配置二次繞組。新增兩套小電阻接地成套裝置分別接于35 kV母線Ⅰ段備用間隔1AH18和35 kVⅢ段原消弧線圈接地變間隔31AH19。

當(dāng)35 kVⅠ、Ⅱ、Ⅲ段母線并列運(yùn)行時(shí)，僅投入其中一套小電阻接地成套裝置；當(dāng)35 kVⅠ、Ⅲ段分列運(yùn)行時(shí)，同時(shí)投入兩套小電阻接地成套裝置。

根據(jù)國家和行業(yè)規(guī)范要求，小電阻接地的配網(wǎng)系統(tǒng)采用單母或雙母分段分列運(yùn)行方式。而新天公司35 kV主接線為三分段，正常狀態(tài)下不允許分列運(yùn)行，這樣在設(shè)計(jì)中要解決運(yùn)行母線防“失地”問題，運(yùn)行中母線一旦“失地”，系統(tǒng)又將恢復(fù)成改造前電容電流嚴(yán)重超標(biāo)的系統(tǒng)。因此，提出加裝自投裝置，配置合適的邏輯功能并整定合適的繼電保護(hù)定值，相互配合，保證任何一種運(yùn)行方式下或事故狀態(tài)下，運(yùn)行中母線不會(huì)“失地”。

35 kV系統(tǒng)電氣設(shè)備配置零序保護(hù)并投入跳閘，保護(hù)整定與運(yùn)行同時(shí)兼顧靈敏性、速動(dòng)性和選擇性。遵循原則：系統(tǒng)設(shè)備發(fā)生單相接地故障，本設(shè)備保護(hù)可靠切除故障，允許短延時(shí)動(dòng)作，但保護(hù)動(dòng)作時(shí)間必須滿足有關(guān)設(shè)備熱穩(wěn)定要求；只有當(dāng)本設(shè)備保護(hù)或斷路器拒動(dòng)時(shí)，允許由相鄰設(shè)備的保護(hù)切除故障。

小電阻接地成套裝置采用戶外布置，其中原消弧線圈用的接地變和預(yù)制艙保留利舊。

(4) 采取雙豎井施工方案，不但投資增加較大，而且工期延長較多，還存在如富水地層排水、斷層處理和煤系層防爆、200 m～300 m豎井垂直物資運(yùn)輸、洞內(nèi)排煙、機(jī)械設(shè)備的安全正常運(yùn)行、供電質(zhì)量保證等安全技術(shù)問題。

4 主要設(shè)備選擇

接地變小電阻接地成套裝置主要由接地變壓器、接地電阻器、電流互感器、單極斷路器、電阻智能監(jiān)控器、戶外防護(hù)箱體等組成。

4.1 接地電阻參數(shù)計(jì)算

中性點(diǎn)電阻接地網(wǎng)絡(luò)中，暫態(tài)過電壓的倍數(shù)k與系統(tǒng)單相接地電流IR和單相接地電容電流IC的比值關(guān)系：當(dāng)IR=IC時(shí)，可將健全相的過電壓限制在2.5倍相電壓以下；當(dāng)IR=1.5IC時(shí)，可將健全相的過電壓限制在2.26倍相電壓以下；當(dāng)IR=2IC時(shí)，可將健全相的過電壓限制在2.2倍；當(dāng)IR=3IC時(shí)，可將健全相的過電壓限制在2.0倍；但當(dāng)IR＞4IC時(shí)，限制過電壓效果不明顯。中性點(diǎn)接地電阻值的選取主要依據(jù)系統(tǒng)總電容電流，并綜合考慮限制過電壓倍數(shù)、繼電保護(hù)的靈敏度等因素。

在限制暫態(tài)過電壓水平方面，參考《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》（DL/T 620—1997）4.2.8要求[1]，按系統(tǒng)發(fā)生單相間歇性電弧接地故障時(shí)，小電阻接地系統(tǒng)不超過2.5 p.u.設(shè)計(jì)。

在保證繼電保護(hù)的靈敏度方面，參考《石油化工電氣系統(tǒng)電阻接地設(shè)計(jì)規(guī)范》（SH/T 3208—2020）5.1.4.1要求[2]，電阻值的選擇宜使金屬性單相接地短路電流在200～600 A范圍內(nèi)。

故障電流選擇過大，雖然提高了保護(hù)靈敏度，但相應(yīng)的接地變?nèi)萘亢碗娮杵鞴β室矔?huì)增大，設(shè)備會(huì)變得笨重，同時(shí)引起的地電位升高更加嚴(yán)重。綜合考慮，接地電流按IR=4IC設(shè)計(jì)，通過計(jì)算接地電流取400 A。

4.2 接地變壓器參數(shù)選擇

（1）接地變額定電壓UrT：

根據(jù)《導(dǎo)體和電器選擇設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》（DL/T 5222—2005）要求[3]：接于系統(tǒng)母線的三相接地變壓器額定一次電壓應(yīng)與系統(tǒng)額定電壓相一致。則：

長期運(yùn)行容量計(jì)算：電阻器連接在接地變形成的中性點(diǎn)上，其電流為接地變壓器相電流的3倍。

根據(jù)《石油化工電氣系統(tǒng)電阻接地設(shè)計(jì)規(guī)范》（SH/T 3208—2020）標(biāo)準(zhǔn)[2]，接地變壓器10 s過載系數(shù)為額定容量的10.5倍，則取K值為10.5計(jì)算：

本站接地變壓器不帶站用變，可取接地變壓器標(biāo)準(zhǔn)容量為1 000 kVA。

5 現(xiàn)場實(shí)施和運(yùn)行評(píng)估

在總降變?cè)簝?nèi)原消弧線圈接地變預(yù)制艙西側(cè)間隔8 m平行位置，安裝#1小電阻接地成套裝置；電纜敷設(shè)路徑：借助原消弧線圈接地變電纜溝局部新增15 m連接至新增#1小電阻接地成套裝置；總占地面積約40 m2，如圖2所示。2021年6月15日，#1小電阻接地成套裝置安裝、調(diào)試完成，投入運(yùn)行，原消弧線圈成套設(shè)備退出運(yùn)行；2021年7月27日，#2小電阻接地成套裝置安裝、調(diào)試完成，投入運(yùn)行，同時(shí)#1小電阻接地成套裝置改熱備狀態(tài)。此時(shí)，35 kV系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地改造已完成。

圖2 小電阻接地成套設(shè)備安裝處

自35 kV系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地改造后，系統(tǒng)共發(fā)生4起單相接地故障：

2021年7月22日，發(fā)生#1降壓變B相電纜終端頭接地事件，#1降壓變本柜保護(hù)裝置RCS9681CS零序動(dòng)作，105 ms切除故障，35 kV系統(tǒng)恢復(fù)正常。

2021年9月27日，#1污水油變35 kV側(cè)C相電纜發(fā)生接地故障，#1污水油變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，105 ms切除故障，35 kV系統(tǒng)恢復(fù)正常。

2021年11月29日，#1空分循環(huán)水油變35 kV側(cè)C相電纜發(fā)生接地故障，#1空分循環(huán)水油變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，105 ms故障切除，35 kV系統(tǒng)恢復(fù)正常。

2021年12月29日，#1空分循環(huán)水油變35 kV電纜B相發(fā)生接地故障，繼而發(fā)生AB相故障，#1空分循環(huán)水油變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，106 ms故障切除，35 kV系統(tǒng)恢復(fù)正常。

上述4起單相接地故障保護(hù)均能正確切除，系統(tǒng)迅速恢復(fù)正常，完全符合小電阻接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)意圖，不會(huì)從單相接地故障發(fā)展為多點(diǎn)故障，造成母線短路甚至全廠停車。

6 結(jié)語

對(duì)于新天公司的中壓配網(wǎng)電纜故障率較高現(xiàn)象，電纜故障多為永久性故障且電容電流大，為避免單根電纜故障引發(fā)多點(diǎn)故障，能夠快速切除接地故障電流的小電阻接地方式無疑是最佳選擇。采用小電阻接地方式后，接地電流增大，同時(shí)單相接地故障無論是永久性還是瞬時(shí)性，均作用于跳閘，使得線路跳閘次數(shù)增加，也影響了供電負(fù)荷。因此，還需從根本上解決電纜故障率高的問題，從提高電纜終端制作質(zhì)量及改善電纜溝環(huán)境著手，降低電纜故障率。