起重机械高压供电系统接地方式及单相接地选线分析

泰安市特种设备检验研究院 泰安 27100

0 引言

为了满足特殊工程的需要，起重机械产品呈现大型化、大吨位化的发展趋势，设备的电功率也越来越大。为了提高起重机电压等级，越来越多的起重设备由低压供电改为高压供电。

现行的标准主要为基于低压供电模式下所制定的起重机接地要求，大量高压供电系统下的起重机械设备基本采用大于1 kV以上（起重机采用的高压电源供电一般不超过10 kV，多为3 kV或6 kV）的高压电源来供电。岸边集装箱起重机大多采用国际通用的6.6 kV/60 Hz供电系统，但GB/T 15361—2009《岸边集装箱起重机》仅对接地电阻规定：大车轨道接地电阻应不大于4 Ω，规定应接地的所有点整机接地电阻不大于10 Ω，并未对高压供电系统下的接地形式进行要求。其根据GB/T 5226.3—2005《机械安全 机械电气设备：电压高于1 000 V DC.或1 500 V AC.但不超过36 kV的高压设备的技术条件》6.3.2给出[1]：选择或设计电源系统和中性线接地，同时建议使用与地隔离的，或设计成中性点对地有高阻抗的电源系统，应提供接地故障检测设备，以便在检测到接地故障时发出报警。高压供电系统起重机械的接地方式有：中性点不接地系统、中性点经消弧线圈接地系统和经高阻抗电阻接地系统。

1 中性点不接地系统

对于中性点不接地系统，由于大气与系统无电气连接，故发生单相接地故障时不会构成回路，理论上系统可以与大地形成所谓的悬浮地，有电容电流产生，但是并未有实质性短路，故电压仍可视为平衡的，此时的相间电压大小和相位仍处于动态性不变状态，三相系统平衡可视为未遭到破坏。根据我国安全技术规程及标准，出现单相接地故障时，系统可以带故障点运行1～2 h而不必立刻跳闸。随着长时间运行，且得不到及时处理，系统仍会因电压升高而出现绝缘破坏、两相短路、弧光放电引发的系统过压等危险现象，仍会对生产、调度造成很大压力。

当起重机采用单电源、多馈线中性点不接地系统时，若某条线路（如图1所示相线）发生故障时，其系统会出现下述特点[2]：

1）高压供电系统采用金属性接地，系统中的各点会产生零序电压且电压值一致。

2）故障相对地电压（图1中EA相故障接地）变为零，对地电容被短接，其他两相的对地电压升高倍，对地电容电流也相应地增大倍。

3）故障线路流向母线的零序电流的量值等同于全系统非故障元件对地电容之和，电容性无功功率的方向也与非故障线路相反，由线路流向母线。

根据以上特点，针对相应问题进行分析：

1）若零序电压值不一，则视为发生接地故障，并启动选线电路。如系统发生非对称三相漏电故障，经零序电流互感器分析，动作继电器，实现故障保护功能。

2）针对零序电流流向问题，可运用比相式原理，判断线路电流流向，以区分故障线路与非故障线路，实现选择性保护的目的。可通过在每段线路的开关柜装备电流互感器，来测量零序电流的流动方向。

3）采用反应接地故障电流稳态幅值监测零序电流量值。其原理是通过对比采集的各线路零序电流值与认为设定的保护启动值，若零序电流高于定值则为接地线路。保护启动值IQ应最远线路接地时，其最大自身电容电流ICZ.max，即[3]

式中：KK为可靠系数，当延时时间约30 ms动作时，KK取1.5～2可躲过系统短路时暂态过程。

同时对整定值IQ还需要校验每一条出线的灵敏度KL

因为此保护方式需要对电容电流值进行测量计算，可以采用实测或估算等方式，同时需要整定启动定值的范围，并对其灵敏度进行校验。因此，对线路运行距离较远且长度差别较大的系统在每条线路上将无法保证足够的灵敏度。随着系统规模变化特别是某条长线路退出时，灵敏度也随之降低甚至严重下降，这种情况就需要重新整定启动定值。对系统线路较少情况，则系统与大地形成电容电流与故障电流的差别不明，易出现误动或拒动现象，影响运行的稳定性和可靠性。

为了克服此缺陷，解决单相接地的选相问题，引入了群体比幅法原理来选择接地故障线路。群体比幅法即把接入同一条母线上的所有线路作为一个群体，比较母线的零序电压和所有线路零序电流的幅值和相位，原理也是一种基于零序电流幅值变化选择性保护。当零序电流相位滞后零序电压π/2且与正常线路零序电流反相，则为故障线路。运用此原理可设计 群体比幅电路，当发生单相接地故障时内部电路元件会自动启动此电路，同时对该群体每条线路的零序电流信号进行幅值比较，优先检查电流幅值最大的线路，然后关闭其他线路的保护动作。由于故障线路的零序电流等于所有非故障线路零序电流之和，故大多情况下故障线路的电流幅值最大，其他线路的电流幅值远不如故障电流幅值，故该原理无论灵敏度还是可靠性都比较高[4]。

群体比幅原理选线保护可以实现实时监测，无需整定计算，具有自适应特性，可以避免不可定量的可变因素，也是目前应用较广泛的一种选线方式。一般情况下，在不接地系统中，一个群体具有两条或两条以上的线路便可实现动作灵敏度，使用效果较好，但应注意的是，消弧线圈接地系统中的补偿作用会使这种选线方式失效。

2 中性点经消弧线圈接地系统

对于码头使用的岸边集装箱起重机、轮胎或轨道式集装箱起重机等，由于港口是重要装卸区与交通要道，不能设立较多的变电所，故由变电所引出的电缆较长，如某港口最长电缆为500余m，最短也有100余m，且具有移动工作范围大、集中装卸作业时数量多等特点。这些情况会导致供电系统电容电流增大，若引发单相接地故障，则产生的持续电弧会损坏电缆或用电设备，或由此而引起的间隙性电弧也会破坏整个电网的对地绝缘问题。为了克服这一缺点，可以采用中性点经消弧线圈的接地系统。采用这种接地系统，即使出现单相接地故障状况，由于消弧线圈的电感电流IL与接地电容电流流向相反，电流值近乎相等，电感电流IL与电容电流IC可有效的相互补偿，故障电流被补偿，且补偿后的残余电流较小，不足以维持电弧能自行熄灭的范围，从而可消除接地区的电弧及其他可能产生的一些危害。消弧线圈也能较为明显的降低故障线路相电压的恢复速度，进而保证电弧的熄灭和减少重燃可能性。单接地相故障特点为

1）由于采用消弧线圈的电感电流补偿了电网接地电容电流的补偿方式，故障线路的电流为补偿后的电流，且数值很小，即补偿后的电流为：IL-IJD，且与每条线路电容电流相近，与接地故障电流IJD流向相反。如图2所示。

图2 中性点经消弧线圈接地电网单相接地时的电流路径

2）经消弧线圈接地的电网称为谐振接地系统，故障线路电流中存在较多的高次谐波，主要为二次谐波和五次谐波，正常线路则是以基波分量为主，相对来说高次谐波占比较少。

针对1）可采用比相式原理，但没有选择性；针对2）可采用通过反应接地线路稳态电流高次谐波分量原理判别故障线路，原理是检出故障线路和正常线路电流中的高次谐波（五次谐波为主），通过比较结果，进而判别故障线路。由于故障线路中高次谐波分量数值会随着系统结构而改变，但计算不方便[5]。

3 经消弧线圈中性点并高电阻接地系统

较中性点不接地系统而言，中性点经消弧线圈接地系统虽然接地安全性得到了提高，但由于电感暂态特性原因瞬时过电压值依然较大。如果采用中性点经电阻系统，可降低电压值，接地故障也容易被检测出来，但存在电阻值较小的故障电流过大现象，在某些特殊要求场合如在粉尘较多的场所，仍然会产生一定的危险性。因此，汲取这两种接地系统的优点，可选择经消弧线圈并高电阻接地的中性点接地系统（见图4）。

图3中：XL、K1为消弧线圈及投切开关；Rn、K2为中性点并联电阻及投切开关；UA、UB、UC为三相电压；C01、C02为线路L1、L2的等效对地电容；C03为线路L3故障点至母线之间的等效对地电容。

图3 中性点经消弧线圈并联电阻接地示意图

这种系统由于采用并联高电阻接地方式，因此可以增加接地系统的有功分量或增量实现单相接地故障检测，消弧线圈既可以充分补偿接地电容电流，又可加速系统储能的衰减，并且有效抑制共振过电压和线性谐振过电压，提高单相接地故障自恢复概率的作用。电弧接地过电压值明显下降，接地电流明显减小，并且可以采用全补偿和过补偿运行方式，解除对脱谐的顾虑，一般用于架空线路电网或电缆与架空线混合组成的电网，对于6 ～35 kV较大电网而言是一种较为理想的接地方式。

4 故障支路选线方法

所谓低频信号注入法，主要采取的是将一个低频交流信（如3 Hz超低频信号）加注到电网中，如图4所示。由于电网在接地时，其零序电流信号主要为50 Hz的工频信号。而变压器铁芯和负荷的非线性特性，产生各类谐波分量，多为频率大于50 Hz的五次谐波、七次谐波以及其他高频干扰信号。当电网中某一点接地发生故障时，超低频信号便可通过接地点构成一回路，从而故障支路零序电流互感器可检测到此超低频信号，非故障支路则无法取得该信号。同时保护装置动作整定值仅与超低频信号和接地电阻值有关，与电网的绝缘参数无关。因此选用合适电流信号，就可保证动作的可靠性[6]。

图4 低频信号注入法选择性接地保护原理图

理论上此方法具有较高的准确率，并能进行故障支路点的定位，相对于配电电网的高电压、大电流，注入信号微弱、加之运行环境场所恶劣极易影响注入信号的提出，经常出现误差或漏选现象等失败现象，故选择良好的信号检测技术对此法的可行性与有效性至关重要。

5 结论

考虑到起重机械若采用非直接接地电源系统，单相接地若发生故障，设备外壳对地电压即使不超过120 V，依据短路电流的最高值30 A（短路电流值一般不超过区间值介于10 ～30 A），则接地电阻应为小于120/30=4 Ω。考虑到此时外壳电压120 V，仍超出人体所承受的安全电压值。因此，在设计中性点不接地系统时需要考虑自动切断接地故障的安全保护装置[7]。目前，小电流接地系统接地选线保护大多已经实现了自动化，例如：大中型变电站装备的监控系统，可以实时采集数据参数信息，并根据设定的预订方案和程序，采用相应的措施。小电流接地系统所涉及的情况比较复杂，不同系统的故障特性各一，很难找到共性，且某一套设备很难面面俱到的涉及所有情况，故目前还没有完全可靠的设备来实现。建议针对电网系统进行安全评价与分析，可通过对起重机高压供电系统建立仿真模型进并行仿真计算和结果分析，依据评估结论以实现对高压供电系统的可靠性、稳定性评估和优化[8]。