考虑杂散电流和转移过电压的接地方式选择

郭忠华

（中海石油葫芦岛精细化工有限责任公司，辽宁 葫芦岛 125000）

0 引 言

LNG/CNG天然气三级加气站地理位置分散，用电负荷一般不超过315 kVA，出于占地空间限制、经济性以及负荷容量考虑，三级加气站不会建造独立的高压变电所，供电系统一般选择户外柱上变压器台方式。根据电网公司规定，该方式下用户在10 kV线路T接节点处不必装设智能真空分界开关，仅需设置跌落式熔断开关即可。高压侧也无须设置配电柜，具有较好的经济性。但处于化工园区腐蚀性环境下的户外接线端子连接处、铝制引下线以及镀锌圆钢焊接点等由于腐蚀、松动、外力以及施工工艺质量等不可控因素，存在接地不良甚至断线隐患，容易造成转移过电压危险，某些情况下还会出现杂散电流，危害地下燃气管道。三级加气站往往不会配备专业巡检维护人员，因此在设计施工阶段应考虑长期运行风险，而不仅仅是交工测试合格。提高系统安全可靠性，做到本质安全，具有十分重要的意义。

1 原设计接地方式存在的问题

原设计图纸系统接地方式如图1所示。

变压器台的接地采用高压避雷器、进线电缆屏蔽层、铠装层和变压器外壳以及低压中性点“三位一体”的接地方式，共用接地引下线和接地体。该接地方式为电力部门标准接线方案，将壳体、低压中性点以及高压避雷器接地端等电位连接后，通过引下线接地，在高压雷电冲击或碰壳接地故障时，等电位参考点同时升高，不受接地阻抗压降的影响，对接地阻值要求不高，即使运行后接地体连接处因氧化或锈蚀阻值增大也能保障变压器设备自身安全。文献[1]中比较了3种变压器台侧接地方式的优缺点，但未考虑变压器外壳和横担金属构架地电位升高对低压套管绝缘子、低压刀熔开关以及电缆的损害。由于低压侧比高压侧绝缘耐压水平更低，过电压击穿风险更大，因此就变压器台自身安全防护可靠性而言，选择如图1所示的变压器台侧“三位一体”接地方式是最佳选择。但对于用户侧，该方案确实也会给用户低压配电系统引入转移过电压风险，对用户侧设备绝缘和人身安全形成威胁。本文讨论CNG站内低压用电侧的接地选取，并采取相应措施消除或减小过电压和杂散电流危害。

由于变压器低压侧中性点、变压器外壳以及高压侧避雷器接地端在柱上共同一点接地，共用接地引下线和接地体，因此当高压侧出现接地故障或雷电流泄放时，低压侧中性线会产生转移电位差。图1中Rd和Ld分别为变压器台接地电阻及引下线等效电感，当高压进线电缆或变压器高压侧发生单相稳定接地时，流过Rd的电流为整个电网系统的总电容电流。近几年，随着10 kV电缆线路不断增加，电容电流较架空线时期大幅提高，稳态下可达30 A，设计接地电阻为4 Ω，工频状况下引下线的感抗分量ωLd很小，可忽略不计，则中性线与PE线电位差为：

该电压值不会对电气设备造成损坏，但此电位差足以威胁人身安全，同时会干扰或损害敏感的弱电仪表系统。该电压叠加于相线，施加于计算机电源输入端Y电容，使其对地漏电流增加，可引起漏电保护跳闸或电容损坏，应予以消除。

图1 原设计接地方式

上述过电压是在稳态下的计算值，实际中发生单相接地多数为反复重燃的弧光接地。文献[2]中指出间歇性电弧接地持续时间可达0.2～2 s，频率可达300～3 000 Hz，单相接地故障最危险的时刻发生在单相间歇性电弧接地阶段，此时在健康相（非故障相）上产生的弧光接地过电压最高可达3～4倍相电压，通过电弧接地故障点的高频振荡电流也最大，可达数百安培，时间虽短电弧危害却很大[2]。可见，在高压进线电缆或变压器高压侧避雷器出现弧光接地的暂态过程中，接地暂态电流达数百安培，频率不再是50 Hz，接地感抗分量增大，不再是工频或直流下的4 Ω，中性线对PE线暂态转移过电压可达几千伏，对设备绝缘和人身安全造成损害。

对于雷电过电压，避雷器泄放的电流需要通过接地阻抗Rd和Ld，持续时间虽短，但电流可达几千安培，主要能量范围的雷电流频率达上万赫兹。本项目采用的35 mm2接地引下线的长度为10 m，其电感量为：

此计算值与《工业与民用配电设计手册第三版》第779页给出的引下线取1.5 μH/m时的数值一致。

HY5WS-17/50避雷器在8/20 μs雷电波形冲击中的电流峰值为5 kA，电流陡度按照8 μs时出现峰值电流计算，则引下线处过电压为：

雷电侵入波形成的转移过电压经过直埋电缆后会得到衰减，但依然可能威胁人身安全。地处空旷地的变压器台以及水泥杆还可能引入直击雷，据实际统计直击雷电流最大可达200 kA，此类情况危害程度更大。

2 改进措施

转移过电压存在于站区接地系统和变压器中性线之间，将N线与PE线在室内进线处用120 mm2导线进行等电位连接，即重复接地。图2为改进后的接线图。

该方式消除了中性线与保护接地线之间的电位差，变压器台的转移过电压将通过PE线出现在设备外壳。由于站区地网范围大，Rg在1 Ω左右，此时接地电阻是变压器台接地电阻和

站区接地电阻的并联值。转移过电压将大幅度减小，被限制在安全dt范 围内，即：8

因Rg较Rd小，为防止转移电流流过重复接地线烧毁接地线，选择截面120 mm2导线进行连接。该方式下，站内零序不平衡电流存在两条回流路径，一条为中性线N，另一条通过Rg和Rd流回变压器。正常状态下，该系统不存在问题，但在N线接触电阻增大时，Rg和Rd间将形成杂散电流，该电流在地下的流通路径不定，加速了地下天然气管线的腐蚀。1 A电流流经地下钢铁类金属设施时，每年腐蚀损失的钢铁质量达9.1 kg，另外交流电流危害程度虽然仅为直流电流的2%，但长期累积也是不可忽视的[3,4]。在本加气站建设中，选择采用引流法为杂散电流提供明确的回流路径，改进后的接地方式如图3所示。

图2 接地方式二

图3 改进措施

将站区地网与变压器台区接地连接为共用接地，使杂散电流通过地下扁铁引流回流消除地下迷流的同时，减小系统总接地阻值，在发生中性线接触不良或变压器台接地引下线断线的单一故障时仍能保障系统安全，提高供电安全可靠性。为了及时发现故障，在低压配电间内的重复接地连接线上加装电流方向检测装置，显示电流方向和大小，提供故障报警，确保系统安全。

3 结 论

电气系统接地是保障人身和设备安全的重要措施，选取不当会产生过电压和杂散电流等问题。电气系统接地对加气站及防爆场所而言更为重要，且属于隐蔽工程，交工运营后改造难度大，因此在设计施工阶段应根据实际情况，选择最安全可靠的接地方式。