变压器-电动组供电方式下中性点接地方式探讨

◎万收兰

在目前国内中压配电系统的中性点接地方式由传统的不接地方式普遍改为低电阻接地方式的环境下，对由单独的变压器供电的大电机的来说，其变压器低压侧中性点接地方式的确定成为用户关心的问题。因为配电系统中性点接地方式对于电机及其配电装置安全稳定运行极为重要。本文通过工程项目的实际应用，对相关设计规范和设计手册的研究比较，最后得出在变压器低压侧中性点接地方式的确定，需要依据不同的配电系统的设置情况来确定。

一、前言

工业配电系统的运行要求在电气上与公共电网隔离，这种隔离一般是通过变压器二次侧中性点的接地实现的。通常采用的接地方式有中性不接地方式、经消弧线圈接地和经低电阻接地方式。这些不同的接地方式都只是在配电系统出现接地故障后，其中性点才发生临时性接地的工况。

石化企业生产装置的中压配电系统的中性点接地方式，传统的方式为不接地方式，其用电负荷大多数是电动机，且负荷比较集中。供电线路基本为交联聚乙烯绝缘（XLPE）电缆，配电系统电容电流比较大。同时，石化装置的用电负荷中经常会有大容量的电机，这些大容量电机一般情况下功率值大于5000kW，考虑其启动装置的建设投资费用和后期维护费用，采用变压器-电动机组的供电方式通常是理想的选择。对这种因解决大电机启动问题应用而生的变压器-电动机组供电系统，其变压器低压侧中性点的接地方式，长期以来也是中性点不接地方式。

二、传统的中性点接地方式所带来的问题及近年来的改进

传统的中性点不接地方式，对地而言系统的中性点是绝缘的，结构简单，运行维护方便，不用附加设备，投资费用少。发生单相接地故障时产生的电流很小，如若接地故障是在瞬间产生，系统通常情况下能够自动熄弧。根据相关规定，出现单相接地故障后，中性点不接地系统持续工作时间不得超过两小时。从而既保证了一定的时间以排除故障，又提高了供电系统的可靠性。但是由于该系统中大量电力电缆的使用，使其有比较大的电容电流，再加之中性点是绝缘的，导致电网的对地电容中存储了大量的电荷而没有相应的通路进行释放，出现弧光接地时，电弧有时会不断熄灭与重燃给电容持续充电和放电，而由于中性点的绝缘特性使对地电容不能释放能量，导致电压逐渐攀升，最后形成弧光接地过电压或者谐振过电压，过高的电压会对电气设备绝缘造成破坏。

因此，近年来，经低电阻接地的方式越来越多地在中压配电系统中被采用。这种系统能够有效地抑制系统在单相接地时的弧光故障过电压，从而保护电气设备的绝缘不受或少受损坏，提高设备的绝缘寿命；同时因其单相接地时的电流大，能够快速切除单相接地故障，提高系统安全水平，降低人身伤亡事故。其缺点为，当电缆发生单相接地时，故障电流较大；另外单相接地时较大的故障电流会对通信电子设备造成较大的干扰。

基于以上两种接地方式的利弊，近年来有用户对原有中性点不接地方式逐步改造为中性点经小电阻接地方式，或在新上项目的配电系统的中性点采用小电阻接地方式。那么对于同一装置的变压器-电动机组的供电方式，是和整个装置的配电系统一样采用中性点经小电阻接地，还是沿用传统的不接地方式呢？

三、变压器-电动机组供电系统接地方式确定的工程实例应用

1.工程项目应用中问题的提出。

石化装置的对大容量电机采用的变压器-电动机组供电方式，是考虑大电机启动时不对系统中其它正常运行的负荷产生影响，因此需启动时供电母线的电压降落必须满足的保证值，另外这种启动方式简单可靠，经济性能好。所以变压器-电动机组供电方式在石化装置中应用很广。另外电机配线采用XLPE电缆，配电柜距电机几百米的距离，系统电容电流很小，一般约几个安培。这种系统如果采用中性点不接地系统，发生单相接时，接地电流很小，不会形成稳定的电弧。据相关实验研究表明，电缆单相接地时的熄弧下限与其绝缘型式密切相关，对交联聚乙烯绝缘电缆来说，接地电流不大于10A时电弧可以熄灭。因此一般不会对电缆和电机的绝缘造成永久性损害。但是因为这种系统在出现单相接地时允许运行一定时间，如果不及时排除故障，有可能发展为多点接地或相间短路，从而损坏电缆和设备的绝缘以致影响寿命。

下图1为某工程实例中，变压器-电动机组结线方式下的系统简图。项目实施中，就其中性点的接地方式和电机厂商进行了论证，用户希望在发生接地故障时，从减少弧光接地过电压从而减小对电机绝缘的损坏的角度考虑采用中性点低电阻接地方式。

图1：某工程项目的变压器-电动机组供电系统简图

2.方案探讨及确定。

针对用户提出的系统按地方案，电机厂商认为采用低电阻接地系统在接地时的故障电流太大，对电机绕组造成损害的影响比前者更大，并提供了电机的实验室曲线——单相接地时通过绕组的接地电流和允许时间的曲线，如下图2。从曲线可以看出，即使选中性点接地电流最小为100A，持续时间0.1秒多也会对绕组造成一定程度的损坏。

图2：通过电机的接地电流和允许时间曲线

可以看出，从减小单相接地时的弧光过电压从而保护电机绝缘的角度出发，选择中性点低电阻接地是不错的选择，但因其接地时比较大的接地电流会流过电机这一系统中唯一的用电负荷，从而对电机绕组造成损坏。这种损坏发生的可能性要高于不接地方式在接地故障时弧光间歇过电压对电机绝缘造成损害。因为以下两个原因，第一是因为供电电缆为XLPE电缆，单相接地造成的电弧可以熄灭，从而可以避免弧光过电压。第二，对于不接地方式来说，即使发生了间歇性弧光故障过电压，其最高为3.5倍的相电压，而配电设备（如开关柜、变压器等）和电机的绝缘水平，在国标GB/T50064-2014的表6.4.6和GB/T 22715-2016的表1中分别都有规定，通过比较可以看出电气设备的额定耐受电压的数值都高于间歇性弧光故障过电压可能出现的最大值。比如对于10kV电机来说，其耐冲击电压水平最小应值应满足如下值：

而不接地系统在单相接地时产生的间歇地弧光故障过电压最高为：

Up‘>Uf，所以，从电机制造的角度来说，其绝缘水平就保证了要满足回路单相接地时的弧光故障过电压。为避免采用中性点电阻接地方式过大的故障电流损坏电机绕组，对这种接地线方式来说，最后还是确定采用中性点不接地方案。

四、结语

发生接地故障时保护电机绝缘免受故障过电压的损坏和避免较大的接地电流损坏电机定子绕组是一个两难选择，如何选择还需要根据系统和负荷情况综合考虑确定。对于N-1电源的配电系统，由于系统中有比较大的电容电流，单相接地时产生弧光间歇过电压的可能性稍大，保护电气设备绝缘不受损坏和防止绝缘击穿比故障时大的接地电流对设备造成原危害有更大的经济价值，所以采用中性点低电阻接地系统是一个不错的选择。对于为大电机供电的变压器-电动机组的系统，发生接地故障时，避免大的接地电流损坏电机定子绕组有更重要意义，所以采用中性点不接地方式更合适。