施工电源电容电流分析

中核辽宁核电有限公司 高建喜 刘 潇

1 施工电源接入情况

某核电厂内设置1座辅助电源及施工电源变电站，为核电机组辅助变压器和核电厂施工电源供电。变电站经过1回220kV 线路与电力系统连接，站内220kV 电气主接线采用双母线接线，配电装置采用户内式气体绝缘金属封闭组合电器（GIS）。变电站内设置施工变压器，变压器型式为双绕组有载调压降压变压器，变压器额定容量16MVA、变比230±8×1.25%/10.5kV，接线组别YNd11。变压器高压侧电源引自220kV 配电装置，低压侧通过电缆引至变电站内的10kV 施工电源段。10kV 施工电源段采用单母线分段接线，每段母线由1台施工变压器引接电源，两段母线之间设置分段断路器。每段母线设置9个馈线回路供施工单位引接电源。

图1 电气主接线图

220kV 系统中性点采用直接接地方式，10kV配电装置采用不接单方式。10kV 侧负荷包括三个施工用环形供电网、厂前区供电网等两部分。给施工用电供电的三个环形供电网每个均由8～9台10/0.4kV 干式变压器构成，安装容量约8MVA。环网内联络电缆敷设量合计35km，电缆型号为YJV-22 3×185mm2。厂前区供电网给各子项（包括施工期锅炉、制冷站、食堂、公寓、办公楼等十余座建筑）的电源也由施工电源中压侧馈出，总的安装容量约10MVA,中压电缆敷设量约10km,电缆型号为YJV 3×70—3×240mm2。

2 电力系统中性点接地方式及问题的提出

国内3～35kV 中压配电系统普遍采用了中性点非有效接地方式，可分为中性点不接地，经消弧线圈接地，经大、中、小电阻接地方式。本文中核电厂采用的就是中性点不接地系统。

中性点不接地系统的优点在于：当发生单相接地故障时，虽然接地相对地电压为零，但系统线电压仍然对称，系统运行方式（线电压）没有破坏。中压系统还可连续运行1～2小时；这种方式的缺点在于：随着电缆线路的大量使用，系统内电缆线路、变电站内母线的分布电容引起的对地电容电流大幅度增加。据统计，和架空线路相比较，在同等长度内电缆线路的电容电流是架空输电线路的50～100倍。当系统发生单相接地时，在大量采用电缆线路进行长距离供电的系统中电容电流有可能超过规程规定的安全可熄灭电流。

依据国家标准《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》GB/T50064中3.1.3条的要求，由电缆线路构成的6～20kV 系统，当单相接地故障电容电流不大于10A 时，可采用中性点不接地方式。当大于10A 又需要在接地故障条件下运行时，宜采用中性点谐振接地方式。第3.1.4条规定6kV～35kV主要由电缆线路构成的配电系统、发电厂厂用电系统、风力发电厂集电系统和除矿井的工业企业供电系统，当单相接地故障电容电流较大时可采用中性点经低电阻接地方式。

同时，由于接地电流超过规程规定，电弧不能自行熄灭，接地的交流电流在过零点后重燃，产生间歇性弧光过电压，在最不利情况下过电压可达4倍的相电压，极有可能破坏电缆的绝缘，进而形成相间短路接地，使故障范围扩大并波及并行敷设的相临电缆线路。而且受环境和其它因素影响，接地电流往往经过过渡电阻（包括电弧过渡电阻），接地电流极不稳定，继电保护灵敏度降低，很难正确动作，选线的正确性不能保证。

中性点经消弧线圈接地系统的优点在于：充分发挥电感线圈和分布电容相位相反的优势，对电容电流进行补偿，使接地电流补偿到尽可能小的程度；这种方式的缺点在于：在馈出线路较多的系统中极可能发生全补偿的情况，为避免发生此种情况一般系统均采取过补偿的方式，但仍受馈出线路的影响导致电感电流的增大。

中性点经电阻接地系统的优点在于：当发生单相接地故障时接地电流通过电阻形成回路，根据接地电阻大小的不同接地电流被加大到上百、乃至上千安培，继电保护灵敏度提高，能可靠动作迅速切除故障线路、消除故障点，对电缆线路形成了很好的保护作用，防止故障范围扩大；其缺点在于：过大的接地电流要求继电保护可靠动作，否则故障范围会扩大。同时过大的接地电流对通讯线路造成干扰。

该核电厂施工电源投运后，10kV 环网电缆发生多次中性点接地后引起的相间击穿故障。经现场工程技术人员反复讨论分析，随着认识的不断深入，由最初的单纯分析电缆接头制作工艺、密封性不严导致的受潮进水、到夏季电缆沟进水后潮气通过电缆接头串入电缆内部并在电缆内部聚集、冬季时受该地区气温低结冰后形成冰涨最终形成接地故障，最终认识到中性点接地故障后由于过电压引起的电容电流过大，同时在谐振过电压的作用下导致电弧不能自行熄灭，或者电弧过零点熄灭后又重燃，最终发展成相间短路接地故障。

3 电容电流计算

单相接地电容电流的计算方法为Ic=1.732 UeωC×10-3，ω=2πf。式中Ic 为单相接地电容电流，A；Ue 为厂用电系统额定线电压，kV；ω 为角频率；C 为厂用电系统每相对地电容，μF，求得的电容值乘以1.25即为全系统总的电容近似值（包括厂用变压器绕组、电动机以及配电装置等）；f 为频率，Hz。对于具备金属护层的10kV 三芯电力电缆，截面积95mm2电缆的每相对地电容为0.35（μF/km），截面积185mm2电缆的每相对地电容为0.45（μF/km），截面积240mm2电缆的每相对地电容为0.5（μF/km）。

对于厂前区中压负荷，由于大部分电缆截面较小， 故选取95mm2电缆做基准进行计 算。 施 工 环 网 电 容 电 流Ic1=1.732UeωC×10-3=1.732×10×2×3.14×50(0.45×35× 1.25)×10-3=107A， 厂前区供电网电容电流Ic2=1.732UeωC×10-3=1.732×10×2× 3.14×50(0.35×10×1.25)×10-3=23.8A，总的电容电流Ic=Ic1+Ic2=107+23.8 =130.8A。

从以上计算结果可看出：本系统采用中性点不接地方式时，电容电流超过国家标准10倍以上。不管系统发生单相接地故障引起电缆着火的表象原因是哪种，其根本原因是接地电容电流大幅度超过国家标准，从而在接地故障发生时产生过电压使接地点电容电流产生的电弧不能自行熄灭或熄灭后重燃引起的。所以对本系统中性点改造势在必行。

图2 局部烧损图

图3 事故全景图

4 中性点接地方式及接地设备选择

4.1 中性点接地方式

由计算结果可看出，目前情况下不论是改变运行方式（采用分段或解环运行）还是调整继电保护定值均不能将电容电流降到标准规定的10A 以下。且随着建设规模的扩大后续仍不断有新的负荷接入系统，电容电流有持续增加的趋势。所以只有按照国家标准《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》GB/T50064中对中性点接地方式的规定，对本系统中性点采取谐振接地或电阻接地模式来解决电容电流超标的问题。无论采用谐振接地或电阻接地模式，均需在10kV 侧采用Z 型联接的阻抗变压器制造中性点，并在中性点配置消弧线圈或电阻。

4.2 接地阻抗变压器容量计算

消弧线圈容量选择。消弧线圈容量计算参照《导体和电器选择设计技术规定》DL/T5222-2005的规定中的计算方法：Q=KICUN/1.732，式中Q 为补偿容量，kVA；IC为电容电流，A；K 为补偿系数，过补偿取1.35；UN为厂用电系统额定线电压，kV。计算结果：补偿容量Q=KICUN/1.732=1.35×130.8×10/1.732=1019.5kVA；考虑后续电缆量增加，消弧线圈和接地变压器容量选择1250kVA。

采用经电阻接地时接地变容量选择。接地变短路容量Sk=1.732UeIN，根据IEEE C62.92.3标准关于过载短时容量换算成持续容量的规定，接地变持续容量（10s 过载倍数为10.5）SN=Sk/10.5，式中Sk为接地时的相短路容量，kVA；Iφ为短路相电流，A；IN为流入中性点电流；Ue 为厂用电系统额定线电压，kV。10kV 系统采用小电阻接地，如果接地电阻选择6Ω，则接地电流Iφ=10000/(1.732×6)=962A。计算结果：短路容量Sk=1.732U eIφ=1.732UeIφ/3=1.732×10×962/3=5556kVA；持续容量SN=Sk/10.5=5556/10.5=529kVA；考虑后续电缆量增加，接地变压器容量选择600kVA。

4.3 设备选择及特点分析

4.3.1 谐振接地方式设备选择

谐振接地模式指在中性点增加电感性设备补偿发生单相接地故障时的电容电流，把总的接地电流限制在一定范围，电感性设备一般采用消弧线圈。消弧线圈按电力行业标准《导体和电器选择设计技术规定》DL/T5222-2005的规定选择。根据该标准的要求，配电网用消弧线圈按过补偿方式选择，以免产生谐振，经计算需安装的消弧线圈总容量为1250kVA，每段母线安装1套，另外消弧线圈采用自动跟踪补偿的方式，使补偿后的接地电流不大于10A，以不改变现有运行方式。中性点采用谐振接地的特点是发生单相接地故障时通过消弧线圈补偿（抵消）单相电容电流，使总的单相接地故障电流不大于10A，把电弧引起的过电压限制在2.6倍额定电压以内，避免损害系统的绝缘而使事故扩大。

这种接地方式的主要优点是供电连续性较好，因为总的接地故障电流较小，系统可在发生单相接地故障时持续运行一段时间（一般小于2小时），此时保护动作于报警，用于查找故障回路并消除故障。另外，施工变电站现采用中性点不接地系统，采用谐振接地方式后总的单相接地电流变化不大，原有保护装置不用更换，但需要增加1套小电流接地选线装置；这种接地方式的主要缺点是消弧线圈的补偿量需根据配电系统的负荷变化调整，施工变电站内由于远期负荷增加较多，且负荷在各段上的投入也会随着运行方式调整，消弧线圈的调整档位选择困难，一旦因装置原因造成跟踪困难或档位选择不合理可能在系统中产生谐振，或故障时补偿电流过大引起保护动作，无法实现单相接地故障时的持续供电功能。

4.3.2 电阻接地方式设备选择

根据国家标准《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》GB/T50064的规定，当单相接地故障电容电流较大时可采用中性点经低电阻接地方式。电阻的作用是发生单相接地时，通过电阻形成大于单相接地电容电流并与其并联的电阻性电流形成金属性接地，以限制因电弧引起的过电压。采用中性点经低电阻接地的方式后，发生单相接地时保护瞬时动作于跳闸。优点是通过形成金属回路限制发生单相接地故障时的过电压，同时保护装置瞬时动作，减少故障对设备和导体的损害；缺点是发生单相接地故障时的供电连续性较差。

5 结语

10kV 配电网的中性点接入方式与系统的电容电流相关，并需结合运行方式确定。由于该核电厂建设规模较大，根据对现有供电系统的统计计算，总的单相接地电容电流已远超过10A，项目大规模建设开始后施工负荷将继续增加，10kV 施工电源系统的单相接地电容电流将变得更大，仍采用中性点不接地方式将影响系统的运行安全，因此建议改变10kV 系统的接地方式。

经过分析，施工电源和厂前区负荷均为非重要负荷，但受工期和北方季节影响施工期较短等因素影响，对供电的连续性要求比较高，故决定采用中性点经消弧线圈接地方式，限制电容电流在国家标准范围内。