自备电厂系统中性点接地方式探讨

骆志恩

（中冶京诚（秦皇岛）工程技术有限公司 河北 秦皇岛 066004）

系统中性点接地方式是一个综合性的、系统性的问题[1－2]，既涉及到供配电系统的安全可靠性，也涉及到供配电系统的经济性。中性点接地方式直接影响到系统设备绝缘水平、系统过电压水平、过电压保护元件的选择、继电保护方式、系统的运行可靠性。具有发电机的系统中性点一般采用非直接接地方式，而非直接接地方式又分为3种：中性点不接地方式、中性点经消弧线圈接地方式、中性点经电阻接地方式。在选择中性点接地方式时，应根据不同工程的特点进行具体分析、慎重研究，综合考虑各种因素，最终确定一种安全、可靠、经济、合理的中性点接地方式[3－4]。

下面结合凌钢热电厂系统中性点接地方式选用中性点经低电阻接地方式，对自备电厂系统中性点接地方式进行探讨。

1 工程特点

凌钢热电厂是为了配合建设200万t/a H型钢厂项目、实现循环经济和可持续发展建设企业的环保目标的配套项目，建设一座2×130t/h次高压蒸汽锅炉及2×25 MW抽汽式发电机组自备热电厂。发电机出口主母线采用单母线按机分段的接线方式，发电机出口10.5 kV母线分别经两台主变接入凌钢新区66 kV总降压变电站35 kV系统，与电力系统并网，同时直接馈出若干条10 kV电源线路给原料厂和其他车间。本项目厂区内所有配电线路均采用电缆，直配电缆线路长度约4 km。

2 系统中性点接地方式的选择

系统发生单相接地故障时，接地故障电流主要取决于电网对地的电容电流，而电容电流有电力线路和电力设备（发电机、大容量同步电动机、主变压器低压绕组等）两部分的电容电流组成。但是电力设备的电容电流比线路的电容电流小得多，故一般工程设计中忽略不计。根据有关估算公式，计算过程如下：

式中Ic表示单相接地电容电流，单位为 A，Ur表示线路额定线电压，单位为kV，L表示线路长度，单位为km。

将工程相关数据代入公式（1）即得：

此工程中性点接地方式的选择主要依据以下几点：

1）单相接地电容电流允许值

中性点不接地方式，即是中性点对地绝缘。由于其结构简单、投资省、运行经济，且供电可靠性、连续性高被广泛采用，应当首选。但是根据《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》DL/T 620—1997第 3.1.3条的规定[5]，3～20 kV具有发电机的系统，采用不接地方式时，其单相接地故障电容电流允许值为3A，当单相接地故障电容电流大于允许值时，在发生单相接地故障不要求瞬时切除时，应采用中性点经消弧线圈接地方式；可以要求瞬时切除时，宜采用中性点经电阻接地。

而本工程中单相接地电容电流Ic=4 A＞3 A，所以不能采用中性点不接地方式，而应该采用中性点经消弧线圈接地方式或中性点经电阻接地方式。

2）线路特点

至于采用中性点经消弧线圈接地方式和中性点经电阻接地方式中哪一种接地方式，下面再从这两种中性点接地方式的工作原理及适用特点进行分析、比较。

①中性点经消弧线圈接地方式

中性点经消弧线圈接地方式，就是在中性点和大地之间接入一个电感消弧线圈，其工作原理是：利用流过故障点的工频电感电流和工频电容电流相位差180°的特性，人为地增加一个比单相接地故障电容电流略大一些的电感电流，两种电流叠加时电容电流被电感电流补偿掉，流过接地故障点的接地故障电流仅为补偿后数值很小的残余电感电流，弧光不能维系燃烧而熄灭，故障点周围的绝缘介质“空气”得以补偿新鲜空气，从而故障点的绝缘强度能够恢复到正常的绝缘强度，故障相对地电压的恢复不能使故障点的绝缘再次击穿，系统恢复到正常运行。这种故障点绝缘能自动恢复的故障称为可恢复性故障。

但在有电缆线路组成的供电系统中，电缆发生单相弧光接地时，消弧线圈却无法消弧，保障系统供电的安全性。这是因为电缆线路一旦击穿，故障点的绝缘强度几乎为零，故障点的绝缘不能恢复到正常绝缘水平，弧光熄灭后故障相对地电压的恢复会使故障点的绝缘再次击穿，系统不能恢复到正常对地电压下运行。这种故障点绝缘不能恢复的故障称为不可恢复性故障或永久性故障。

即使现代的自动跟踪补偿消弧线圈也不能解决不可恢复性故障的消弧问题，只能适用于可恢复性故障的系统——架空线路，对于不可恢复性故障的电缆线路也是无能为力。

②中性点经电阻接地方式

中性点经电阻接地方式，即是在中性点与大地之间接入一定电阻值的电阻[6]。当电网发生单相接地故障时，由于人为地增加了一个与电网接地电容电流相位角相差90°的有功电流，这就使流过故障点的接地故障电流绝对值比不接地电网增大，便于检测到故障。中性点经电阻接地的方式有高电阻接地、中电阻接地、低电阻接地等3种方式。

高电阻接地的系统设计应符合R0≤Xc0的准则，使流过接地点的电阻性电流不小于电容性电流，以限制间歇性电弧接地时的过电压水平在2.6倍相电压以内。R0是系统等值零序电阻，Xc0是系统每相的对地分布容抗。一般采用接地故障电流小于10 A。国内一般认为当接地电流大于10 A时，不允许带接地故障运行，必须立即跳闸，切除故障点。所以采用高阻接地方式，接地电流被限制到很小，保护装置只是检测故障并发出信号，允许带接地运行1～2小时，在运行中找出接地点后设法消除。

中电阻和低电阻之间没有统一的界限，一般认为单相接地故障时通过中性点电阻的电流10～100 A时为中电阻接地方式。

而本工程供配电系统几乎全部采用电缆线路，有如下特点：

1）受外界环境条件（雷电、外力、树木、大风等）影响小，瞬时接地故障很少，接地故障一般都是永久性故障。2）电缆线路发生接地故障时，接地电弧为封闭性电弧，电弧不易自行熄灭，如不及时跳闸，很容易造成相间短路，扩大事故。3）电缆为弱绝缘设备。例如，10 kV交联聚乙稀电缆的一分钟工频耐压为28 kV，而一般10 kV配电设备的绝缘水平为35 kV。在中性点经消弧线圈接地系统中，由于查找故障点时间较长，电缆长时间承受工频或暂态过电压作用，易发展成相间故障，造成一线或多线跳闸。尤其在使用年限较长、绝缘老化的电缆线路的变配电系统中，在单相接地时，经常发生来不及找出故障线路，非故障线路就发生电缆爆炸的情况。

由于消弧线圈在电缆线路中不能发挥消弧的作用，同时为了提高接地保护的灵敏性和选择性，所以选用中性点经低电阻接地方式，当发生接地故障时，能及时、准确地切除故障点。

3）供电可靠性

中性点经低电阻接地方式，当发生单相接地故障时，是通过切除故障线路来保障电网其它用电设备的正常用电的，所以其供电可靠性略差。为了提高供电可靠性，通过两段母线互投的方式，任何一台主变都可以带两台发电机与系统并网。另外由主母线直配的电源线路均供给一些对电源级别要求不高的车间，再者这些车间都有引自系统的第二路电源，双电源供电，满足供电要求。所以整个系统的供电可靠性并没有因为采用中性点经低电阻接地方式而降低。

3 中性点接地装置的连接方式

由于各变配电站的接线形式不同、安全重要性不一样，因此也就有不同的连接形式。

1）中性点接地电阻器不经断路器、隔离开关直接连接在主变压器二次星形绕组的中性点上。一次绕组为三角形接线，用以抵消单相接地时星形绕组产生的零序磁通，并将一、二次系统隔离。接线简单，设备少，节省投资。但是本工程发电机系统带直配电源回路，有可能脱网，自成一个独立的电网运行，倘若这时发生单相接地故障，接在主变二次侧的接地装置将不能对发电机的系统完成保护功能。整个系统就成了中性点不接地系统，所以本工程不能采用这种连接方式。

Bushing轴套力是通过一种数学模型的方式，利用软件设置弹性和阻尼来模拟几个零件之间的连接关系，通过设置Bushing径向刚度、轴向刚度和角刚度的数值来模拟轴承。由于轴承的阻尼很小，因此在本章中忽略不计。根据轴承类型选取位移刚度数值为Kx=1.84e5、Ky=1.84e5、Kz=2.6e5，选取的角度刚度数值为Kxx=1.4e5、Kyy=1.4e5、 Kzz=0[9]。

2）中性点接地装置（接地变压器及接地电阻器）经开关柜连接在主母线10 kV母线上。这种连接方式需要在主母线上给专用三相接地变压器提供回路，接地电阻器接到由专用三相接地变压器高压侧引出的中性点上。这种接地装置的连接方式既可以在与电力系统并网时实现保护功能，又可以在发电机系统独立运行时实现保护功能。所以本工程采用中性点接地装置经开关柜连接在主母线10 kV母线上的连接方式。

4 接地装置选取

1）中性点接地电阻器阻值的计算

近年来，在冶金企业中采用电阻接地方式逐渐多起来，尤其是在3～10 kV配电系统中采用低电阻接地方式，对应于电压选用阻性电流为：3 kV，100 A；6 kV，250 A；10 kV，300 A。根据公式，计算过程如下：

式中RN表示直接接入的电阻器阻值，单位为kΩ，Ue表示母线的额定线电压，单位为kV，IR表示接地电阻性电流，单位为A。

将数据代入公式（3）即得：

所以接地电阻器选用：额定电压10 kV，额定电阻值19.2 Ω，额定电流300 A，额定时间10 s的接地电阻器。

2）接地变压器的选取

接地变压器采用曲折形的绕组联结法，即接地变压器由6个绕组组成，每一铁心柱上有2个绕组，然后反极性串联成曲折形的星形绕组。曲折形联结的接地变压器对三相平衡负荷呈高阻抗作用，对单相接地故障呈低阻抗作用，当系统发生单相接地故障时，接地电流通过曲折变的接地阻抗，进入曲折变的中性点。由于该变三绕组通过的电流是流过相等的低阻抗通路，故三相绕组流过的电流都相等。

由于选取了额定电压10 kV，额定电阻值19.2 Ω，额定电流300 A的接地电阻器，所以通过接地变压器中性点的短路电流按要求为300 A，流过接地变压器各相绕组短路电流则为300/3=100 A。

则该接地变压器的短时容量应为：

由于受到场地的限制，接地变压器及接地电阻器等接地装置安装于主控楼一层的房间内。

所以接地变压器应选用额定一次电压10.5 kV，额定中性点电流300 A，额定容量2 000 kVA的干式接地变压器。

综上可见，凌钢热电厂选用中性点经低电阻接地方式，中性点接地装置经开关柜连接在10 kV主母线上，选用额定电压10 kV、额定电阻值19.2 Ω、额定电流300 A的接地电阻器以及额定一次电压10.5 kV、额定中性点电流300 A、额定容量2 000 kVA的干式接地变压器。当发生接地故障时，保护装置能及时、准确地切除故障点，保障系统能安全、可靠运行，此方案是可行的、优越的，接地装置的选择是合理的，故采用此中性点经低电阻接地方式。

5 结束语

工矿企业尤其是冶金行业自备电厂供配电网络几乎全部采用电缆线路，特别是已经运行多年的电网，电缆的绝缘已降低和老化。由于电缆线路长，单相接地故障电容电流一般都大于允许值，同时随着老化电缆的绝缘减低，或为了节省电缆投资，降低电缆对地的绝缘水平，当系统在发生单相接地故障时，为避免事态扩大，继电保护动作，应能迅速将故障切除。从另一方面来说提高了其它正常线路的供电可靠性。因此，自备电厂系统中性点接地方式采用经低电阻接地，接地装置参数选择合理，当发生接地故障时，保护装置能及时、准确地切除故障点，保障系统安全、可靠运行，应是优选方案，是合理的、经济的、切实可行的。

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[6]张述志.系统中性点电阻接地技术[C]//四川省电工技术学会第七届学术年会论文集，2003.