董昕鵬, 李云鵬

(1.北京市工業(yè)設(shè)計(jì)研究院, 北京 100055;2.吉安集團(tuán)有限公司, 浙江 嘉興 314304)

0 引 言

電氣引發(fā)的火災(zāi)占總數(shù)的1/3以上,電氣短路是導(dǎo)致電氣火災(zāi)最主要的原因,約占電氣火災(zāi)總數(shù)的40%以上。在這些電氣事故中,部分原因歸結(jié)于不合理的系統(tǒng)工作接地設(shè)計(jì)[1]。

汽車(chē)工業(yè)廠區(qū)(汽車(chē)工程)中有大量的電氣設(shè)備,需要采取相應(yīng)的電氣接地措施,將系統(tǒng)、裝置或設(shè)備的給定點(diǎn)與局部地之間做好良好的電氣連接。本文結(jié)合某具體工程,針對(duì)110 kV、10 kV電壓等級(jí)的主要電氣裝置,探討汽車(chē)廠區(qū)高、中壓配電系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地設(shè)計(jì)。

1 中性點(diǎn)接地的概念與方式

1.1 中性點(diǎn)接地的概念

人為將電力系統(tǒng)中性點(diǎn)通過(guò)接地裝置與大地之間進(jìn)行的電氣連接,稱(chēng)為中性點(diǎn)接地,屬于工作接地。工作接地是為了保障電氣裝置在正?；蚬收蠒r(shí)能夠可靠工作而采取的接地,稱(chēng)為工作接地,一般通過(guò)裝置的中性點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種接地是一種功能性接地。

1.2 中性點(diǎn)接地方式

根據(jù)系統(tǒng)中性點(diǎn)與局部地之間采用的電氣技術(shù)手段(中性點(diǎn)與地之間的物理關(guān)系),劃分為下述類(lèi)型:中性點(diǎn)有效接地方式,采用這種接地方式的系統(tǒng)也稱(chēng)為大電流接地系統(tǒng),系統(tǒng)的中性點(diǎn)直接接地或經(jīng)低阻抗(采用低值電抗器)接地;中性點(diǎn)非有效接地方式,采用這種接地方式的系統(tǒng)為小電流接地系統(tǒng),具體的接地方式有中性點(diǎn)不接地方式、中性點(diǎn)低電阻接地方式、中性點(diǎn)高電阻接地方式、中性點(diǎn)諧振接地方式。

上述接地方式是針對(duì)功能性接地中的工作接地。

保護(hù)性接地是直接接地,如系統(tǒng)的外露可導(dǎo)電部分通過(guò)接地裝置與地直接相連接,獲得零電位或建立局部等電位。

2 高壓(110 kV)系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地

某整車(chē)生產(chǎn)企業(yè)的年生產(chǎn)能力為15萬(wàn)輛乘用車(chē)。全廠由四個(gè)主工藝生產(chǎn)車(chē)間、輔助車(chē)間、試車(chē)跑道、存車(chē)區(qū)和生活區(qū)等組成。在這些區(qū)域有大量的不同電壓等級(jí)的電氣設(shè)備運(yùn)行。設(shè)有一座110/10 kV總降壓變電所,屬于一般變電所(非樞紐變電所),其110 kV側(cè)為單母線接線,10 kV側(cè)采用單母線分段接線,設(shè)有兩臺(tái)同規(guī)格的主變壓器[2-3]。

2.1 110 kV輸電線路接地形式

總降壓變電所的電源來(lái)自于地區(qū)110 kV電網(wǎng),其中性點(diǎn)接地方式為直接接地。這種接地方式的特點(diǎn)是:在發(fā)生單相短路時(shí),短路電源較大,線路或設(shè)備需立即切除,雖然降低供電連續(xù)性,但因其過(guò)電壓較低,可降低絕緣水平,減少設(shè)備投資和建設(shè)成本。

輸電線路的敷設(shè)方式為架空線,設(shè)有避雷線。每基桿塔不連避雷線的工頻接地電阻,在雷季干燥時(shí)不宜超過(guò)20 Ω。

2.2 110/10 kV主變壓器中性點(diǎn)的接地

2.2.1 110 kV側(cè)

該工程總降壓變電所主變壓器的具體規(guī)格為:雙繞組有載調(diào)壓,油浸,變比為110±8×1.25%/10.5 kV,繞組結(jié)線方式為YNd11,Uk%=10.5。按國(guó)家電力部門(mén)規(guī)定,電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式為直接接地,因此主變壓器的110 kV側(cè)繞組為Y形接法,采用中性點(diǎn)直接接地方式,具體實(shí)施的設(shè)備為中性點(diǎn)綜合接地裝置。該裝置由水平開(kāi)啟式隔離開(kāi)關(guān)、氧化鋅避雷器、中性點(diǎn)間隙組合設(shè)備、中性點(diǎn)間隙電流互感器等組成。主變壓器中性點(diǎn)綜合接地裝置主要參數(shù)如表1所示。主變壓器中性點(diǎn)綜合接地裝置一次接線如圖1所示。

圖1 主變壓器中性點(diǎn)綜合接地裝置一次接線

序號(hào)裝置主要參數(shù)備注1 氧化鋅避雷器 額定電壓72 kV,標(biāo)稱(chēng)放電電流1.5 kA,1.5 kV雷電沖擊電流殘壓186 kV,爬電距離1 813 mm 附在線監(jiān)測(cè)器1只2 中性點(diǎn)間隙組合設(shè)備 間隙額定電壓(有效值)63 kV,系統(tǒng)額定電壓(有效值)110 kV,間隙電極距離可調(diào)范圍90～135 mm —3 中性點(diǎn)間隙電流互感器 額定電流比100/5 A,二次繞組容量20 VA,準(zhǔn)確級(jí)次組合10P20 —

2.2.2 10 kV側(cè)

主變壓器二次側(cè)為三角形接法,無(wú)中性點(diǎn),不接地。

3 中壓(10 kV)系統(tǒng)接地

該工程的中壓系統(tǒng)電壓等級(jí)為10 kV,系統(tǒng)范圍包括總降變電站10 kV系統(tǒng)、車(chē)間變電所10 kV系統(tǒng)、10 kV用電設(shè)備[4-7]。

3.1 中性點(diǎn)接地方式的選擇

單相接地短路故障占到電氣短路故障的70%～80%,并且絕大多數(shù)相間故障都是由單相接地故障引起的。接地故障與中性點(diǎn)接地方式緊密相聯(lián),即使故障條件相同,但中性點(diǎn)接地方式不同,表現(xiàn)出的故障特點(diǎn)、后果完全不同,采取的保護(hù)措施也不相同。

3.1.1 不同接地形式的10 kV配電系統(tǒng)的單相接地短路故障特點(diǎn)

(1) 10 kV有效接地系統(tǒng)。

① 中性點(diǎn)直接接地方式。該系統(tǒng)中單相接地故障發(fā)生后,接地點(diǎn)通過(guò)中性點(diǎn)與大地、相導(dǎo)線形成電氣通路,故障相會(huì)有較大值的短路電流流過(guò),斷路器須立即跳閘切除故障回路。

② 中性點(diǎn)經(jīng)低阻抗接地方式。變壓器的中性點(diǎn)經(jīng)低阻抗值的小電抗器接地系統(tǒng),在單相接地故障發(fā)生后,故障相會(huì)有較大值的短路電流流過(guò),此時(shí)斷路器跳閘切除故障回路。與其他接地方式相比,中性點(diǎn)的過(guò)電壓會(huì)大幅下降,不再出現(xiàn)高達(dá)相電壓的過(guò)電壓,系統(tǒng)的單相短路電流值得到降低,不再出現(xiàn)失地現(xiàn)象,能夠有效降低變壓器中性點(diǎn)的絕緣水平。在實(shí)踐中,多用于220 kV及以上系統(tǒng)變壓器的中性點(diǎn)接地。

(2) 10 kV非有效接地系統(tǒng)。

② 中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式。在實(shí)際工程中,一些城市(如北京)的10 kV配電網(wǎng)采用電纜埋地敷設(shè)方式,系統(tǒng)單相接地故障電流遠(yuǎn)超過(guò)10 A,接地電容電流過(guò)大,難以補(bǔ)償。設(shè)于系統(tǒng)中性點(diǎn)與大地之間的小電阻,在發(fā)生單相接地故障時(shí)能限制故障電流和故障后過(guò)電壓的大小。由于故障電流仍較大,需要斷路器迅速動(dòng)作切除故障線路而中斷供電。

③ 諧振接地方式。對(duì)于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng),由于線路分布電容的存在,有數(shù)值不大的電容性電流在導(dǎo)線和大地間流通,該電流在故障點(diǎn)以電弧形式存在。當(dāng)電容電流較大(如大長(zhǎng)度的10 kV電纜系統(tǒng))時(shí),電弧高溫會(huì)燒毀設(shè)備,引起火災(zāi),不穩(wěn)定的電弧燃燒還會(huì)引起弧光過(guò)電壓,造成相間故障,導(dǎo)致斷路器跳閘,中斷供電。

為消除上述故障,系統(tǒng)中接入消弧線圈,經(jīng)接地變壓器接地。正常時(shí)接于系統(tǒng)與大地之間的線圈中無(wú)電流通過(guò),該線圈不起作用;接地故障發(fā)生時(shí),中性點(diǎn)出現(xiàn)零序電壓,將有感性電流通過(guò)消弧線圈進(jìn)入發(fā)生接地故障的電力系統(tǒng),抵消在接地點(diǎn)的容性接地電流,接地點(diǎn)的電弧電流被消除或只有很小的容性電流,能夠消除或減輕電弧電流的危害。

④ 經(jīng)高電阻接地系統(tǒng)。在單相接地電流電容電流較小(小于10 A)時(shí),為減少故障點(diǎn)的電位梯度、阻尼諧振過(guò)電壓,在中性點(diǎn)接入高電阻,電阻值一般大于500 Ω。

在大型發(fā)電機(jī)組、部分中壓配電系統(tǒng)、電廠用電系統(tǒng)故障電容電流較小時(shí),為限制單相接地故障電流,以防止諧振、間隙性電弧接地過(guò)電壓等對(duì)設(shè)備的損害,可采用高電阻接地方式。這樣在系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)可以繼續(xù)運(yùn)行2 h,在該段時(shí)間內(nèi)故障接地可不跳閘。這與小電阻接地運(yùn)行方式有著根本不同。

3.1.2 中性點(diǎn)接地方式的選擇

選擇中性點(diǎn)的接地方式主要需考慮供電可靠性(可否在某相發(fā)生接地短路故障時(shí),系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行)和限制過(guò)電壓。

電力部門(mén)行業(yè)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)要求:對(duì)中性點(diǎn)有效接地系統(tǒng),應(yīng)迅速切斷接地短路故障(切斷供電);對(duì)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng),應(yīng)能迅速反應(yīng)接地故障的信號(hào),也可裝設(shè)延時(shí)自動(dòng)切除故障的裝置(允許發(fā)生故障后繼續(xù)供電一段時(shí)間,一般為2 h,期間查找、排除故障)。結(jié)合上述要求和不同形式的中性點(diǎn)接地系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)特點(diǎn),對(duì)中性點(diǎn)接地方式的選擇如下。

(1) 10 kV和20 kV中壓配電網(wǎng),當(dāng)單相接地電容電流不超過(guò)10 A時(shí),應(yīng)采用不接地方式;當(dāng)為在小接地電容電流時(shí),抑制單相接地暫態(tài)過(guò)電壓,防止產(chǎn)生弧光接地過(guò)電壓,應(yīng)采用經(jīng)高電阻接地的方式。

(2) 當(dāng)單相接地電容電流超過(guò)10 A而小于150 A時(shí),宜采用經(jīng)消弧線圈接地方式,接地電流宜控制在10 A以?xún)?nèi)。對(duì)于不直接連接發(fā)電機(jī),由鋼筋混凝土桿或金屬塔桿構(gòu)成的6～20 kV系統(tǒng)以及由電纜線路構(gòu)成的6～20 kV系統(tǒng),單相接地故障電流大于10 A,且需在接地故障條件運(yùn)行時(shí),應(yīng)采用中性點(diǎn)諧振接地方式。

(3) 當(dāng)單相接地電流超過(guò)150 A或?yàn)槿娎|網(wǎng)時(shí),宜采用低電阻接地方式,其接地電阻宜按單相接地電流200～1 000 A、接地故障瞬時(shí)跳閘方式選擇。

3.2 總降壓變電所10 kV系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地方式

總降壓變電所將供電電源經(jīng)主變壓器降壓后,通過(guò)10 kV配電系統(tǒng)(即10 kV母線中壓中置柜系統(tǒng))為廠區(qū)各子項(xiàng)工程及10 kV用電設(shè)備供電,是廠區(qū)的配電樞紐中心。因此,正確選擇該系統(tǒng)的接地方式,以保障廠區(qū)供電的連續(xù)性、可靠性,確保廠區(qū)生產(chǎn)的長(zhǎng)期正常運(yùn)行。

3.2.1 線路單相接地電容電流的計(jì)算

廠區(qū)內(nèi)的10 kV配電線路有直埋電纜、電纜橋架兩種敷設(shè)形式,其中在室外部分采用埋地敷設(shè)方式,在室內(nèi)采用電纜橋架方式。

廠區(qū)10 kV配電線路如表2所示。

表2 廠區(qū)10 kV配電線路

10 kV電纜線路的單相電容電流計(jì)算公式

IC=[(95+1.44S)/(2 200+0.23S)]UrL

(1)

式中:S——電纜芯線的標(biāo)稱(chēng)截面,mm2;

Ur——線路額定線電壓,kV;

L——線路長(zhǎng)度,km;

IC——接地電容電流,A。

因此,總降壓變電站Ⅰ段、Ⅱ段10 kV母線側(cè)的單相接地電容電流值分別為40.80 A、40.68 A。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果,并結(jié)合主變壓器的繞組接線方式,采用消弧線圈接地方式,設(shè)消弧線圈和接地變壓器。

3.2.2 消弧線圈補(bǔ)償容量的計(jì)算

消弧線圈的補(bǔ)償容量按下式計(jì)算:

Q=0.577KICUn

(2)

式中:IC——接地電容電流,A;

Un——線路標(biāo)稱(chēng)電壓,kV;

K——系數(shù),過(guò)補(bǔ)償取1.35;

Q——消弧線圈的補(bǔ)償容量,kVA。

因此,可求得總降壓變電站Ⅰ段、Ⅱ段10 kV母線側(cè)的消弧線圈的補(bǔ)償容量分別為373 kVA、372 kVA,確定選擇的消弧線圈的設(shè)備容量均為400 kVA。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果,并結(jié)合主變壓器情況,采用Z形接線的三相接地變壓器2臺(tái),分別接在總降壓變電站Ⅰ段、Ⅱ段10 kV母線側(cè),接地變壓器的容量均為400 kVA。

3.3 各車(chē)間變電所10 kV系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地方式

各車(chē)間變電所至相應(yīng)10/0.38 kV變壓器和10 kV用電設(shè)備均采用電纜橋架敷設(shè)方式,系統(tǒng)單相接地電容電流遠(yuǎn)小于10 A,因此采用中性點(diǎn)不接地方式,可保證供電的可靠性。

3.4 各車(chē)間10 kV用電設(shè)備的中性點(diǎn)接地方式

全廠僅在涂裝車(chē)間設(shè)有2臺(tái)10 kV用電設(shè)備,為制冷機(jī),均為710 kW,其所在的制冷機(jī)間與涂裝車(chē)間1號(hào)變電站毗鄰。制冷機(jī)均為鼠籠型電機(jī),其中性點(diǎn)不接地。

3.5 柴油發(fā)電站升壓系統(tǒng)中性點(diǎn)接地設(shè)計(jì)

為了保障重要工藝設(shè)備(如電泳設(shè)備、輸調(diào)漆設(shè)備)及消防負(fù)荷的用電需求,該工程設(shè)有1個(gè)柴油發(fā)電站,站內(nèi)設(shè)有1臺(tái)博威BW1000型柴油發(fā)電機(jī)組(常用功率為728 kW),輸出電源電壓為0.40/0.23 kV。電源經(jīng)10/0.4 kV變壓器升壓后,輸送到總降變電站10 kV應(yīng)急母線段。

該站設(shè)有1臺(tái)干式變壓器(1 000 kVA),規(guī)格為SG(B)-10/0.4 kV,繞組接線方式為Dyn11。變壓器一次側(cè)為低壓側(cè),其中性點(diǎn)直接接地,接地電阻≤1 Ω;二次側(cè)為高壓側(cè),不接地。

4 諧波源對(duì)中性點(diǎn)接地的影響及治理

焊裝車(chē)間設(shè)有大量的電焊機(jī),含中頻逆變?nèi)嗪笝C(jī),是典型的諧波源設(shè)備,在電網(wǎng)中產(chǎn)生大量的3次、5次、7次諧波,污染電源質(zhì)量,給電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行帶來(lái)危害。三相中頻逆變焊機(jī)諧波電流如表3所示。

表3 三相中頻逆變焊機(jī)諧波電流

在配電系統(tǒng)(10/0.4 kV)中諧波污染嚴(yán)重,并且由于電纜線路對(duì)地電容較大(線路長(zhǎng)且埋地敷設(shè)),10 kV系統(tǒng)中單相接地電容電流中含有較高的諧波成分(總畸變率超過(guò)20%),而消弧線圈并不能補(bǔ)償諧波接地電流(僅對(duì)單相工頻接地電容電流有作用),造成以諧波為主的殘流值超標(biāo),影響補(bǔ)償效果。

在焊裝車(chē)間變電所的低壓側(cè)對(duì)諧波進(jìn)行治理,采用有源濾波的方式,設(shè)置有源濾波柜和低壓無(wú)功功率自動(dòng)補(bǔ)償柜,使治理后的各級(jí)電壓配電系統(tǒng)的各次諧波的總諧波畸變率限值小于3%,達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求,從而減少10 kV系統(tǒng)中單相接地電容電流中的諧波成分(總畸變率低于3%),保障消弧線圈裝置的補(bǔ)償效果。

5 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合總降壓變電站、柴油發(fā)電機(jī)站、10 kV車(chē)間變電站等場(chǎng)所的供配電系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地設(shè)計(jì),介紹了汽車(chē)工業(yè)廠區(qū)的高、中壓等級(jí)供配電系統(tǒng)的工作接地設(shè)計(jì)要點(diǎn)。建筑電氣設(shè)計(jì)人員要正確進(jìn)行供配電系統(tǒng)的接地設(shè)計(jì),有效地保證用電設(shè)備(系統(tǒng))可靠性,并保護(hù)人身和設(shè)備的安全,使電力系統(tǒng)長(zhǎng)期、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。