◎萬(wàn)收蘭

在目前國(guó)內(nèi)中壓配電系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地方式由傳統(tǒng)的不接地方式普遍改為低電阻接地方式的環(huán)境下，對(duì)由單獨(dú)的變壓器供電的大電機(jī)的來(lái)說(shuō)，其變壓器低壓側(cè)中性點(diǎn)接地方式的確定成為用戶關(guān)心的問(wèn)題。因?yàn)榕潆娤到y(tǒng)中性點(diǎn)接地方式對(duì)于電機(jī)及其配電裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行極為重要。本文通過(guò)工程項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用，對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范和設(shè)計(jì)手冊(cè)的研究比較，最后得出在變壓器低壓側(cè)中性點(diǎn)接地方式的確定，需要依據(jù)不同的配電系統(tǒng)的設(shè)置情況來(lái)確定。

一、前言

工業(yè)配電系統(tǒng)的運(yùn)行要求在電氣上與公共電網(wǎng)隔離，這種隔離一般是通過(guò)變壓器二次側(cè)中性點(diǎn)的接地實(shí)現(xiàn)的。通常采用的接地方式有中性不接地方式、經(jīng)消弧線圈接地和經(jīng)低電阻接地方式。這些不同的接地方式都只是在配電系統(tǒng)出現(xiàn)接地故障后，其中性點(diǎn)才發(fā)生臨時(shí)性接地的工況。

石化企業(yè)生產(chǎn)裝置的中壓配電系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地方式，傳統(tǒng)的方式為不接地方式，其用電負(fù)荷大多數(shù)是電動(dòng)機(jī)，且負(fù)荷比較集中。供電線路基本為交聯(lián)聚乙烯絕緣（XLPE）電纜，配電系統(tǒng)電容電流比較大。同時(shí)，石化裝置的用電負(fù)荷中經(jīng)常會(huì)有大容量的電機(jī)，這些大容量電機(jī)一般情況下功率值大于5000kW，考慮其啟動(dòng)裝置的建設(shè)投資費(fèi)用和后期維護(hù)費(fèi)用，采用變壓器-電動(dòng)機(jī)組的供電方式通常是理想的選擇。對(duì)這種因解決大電機(jī)啟動(dòng)問(wèn)題應(yīng)用而生的變壓器-電動(dòng)機(jī)組供電系統(tǒng)，其變壓器低壓側(cè)中性點(diǎn)的接地方式，長(zhǎng)期以來(lái)也是中性點(diǎn)不接地方式。

二、傳統(tǒng)的中性點(diǎn)接地方式所帶來(lái)的問(wèn)題及近年來(lái)的改進(jìn)

傳統(tǒng)的中性點(diǎn)不接地方式，對(duì)地而言系統(tǒng)的中性點(diǎn)是絕緣的，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行維護(hù)方便，不用附加設(shè)備，投資費(fèi)用少。發(fā)生單相接地故障時(shí)產(chǎn)生的電流很小，如若接地故障是在瞬間產(chǎn)生，系統(tǒng)通常情況下能夠自動(dòng)熄弧。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，出現(xiàn)單相接地故障后，中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)持續(xù)工作時(shí)間不得超過(guò)兩小時(shí)。從而既保證了一定的時(shí)間以排除故障，又提高了供電系統(tǒng)的可靠性。但是由于該系統(tǒng)中大量電力電纜的使用，使其有比較大的電容電流，再加之中性點(diǎn)是絕緣的，導(dǎo)致電網(wǎng)的對(duì)地電容中存儲(chǔ)了大量的電荷而沒(méi)有相應(yīng)的通路進(jìn)行釋放，出現(xiàn)弧光接地時(shí)，電弧有時(shí)會(huì)不斷熄滅與重燃給電容持續(xù)充電和放電，而由于中性點(diǎn)的絕緣特性使對(duì)地電容不能釋放能量，導(dǎo)致電壓逐漸攀升，最后形成弧光接地過(guò)電壓或者諧振過(guò)電壓，過(guò)高的電壓會(huì)對(duì)電氣設(shè)備絕緣造成破壞。

因此，近年來(lái)，經(jīng)低電阻接地的方式越來(lái)越多地在中壓配電系統(tǒng)中被采用。這種系統(tǒng)能夠有效地抑制系統(tǒng)在單相接地時(shí)的弧光故障過(guò)電壓，從而保護(hù)電氣設(shè)備的絕緣不受或少受損壞，提高設(shè)備的絕緣壽命；同時(shí)因其單相接地時(shí)的電流大，能夠快速切除單相接地故障，提高系統(tǒng)安全水平，降低人身傷亡事故。其缺點(diǎn)為，當(dāng)電纜發(fā)生單相接地時(shí)，故障電流較大；另外單相接地時(shí)較大的故障電流會(huì)對(duì)通信電子設(shè)備造成較大的干擾。

基于以上兩種接地方式的利弊，近年來(lái)有用戶對(duì)原有中性點(diǎn)不接地方式逐步改造為中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式，或在新上項(xiàng)目的配電系統(tǒng)的中性點(diǎn)采用小電阻接地方式。那么對(duì)于同一裝置的變壓器-電動(dòng)機(jī)組的供電方式，是和整個(gè)裝置的配電系統(tǒng)一樣采用中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地，還是沿用傳統(tǒng)的不接地方式呢？

三、變壓器-電動(dòng)機(jī)組供電系統(tǒng)接地方式確定的工程實(shí)例應(yīng)用

1.工程項(xiàng)目應(yīng)用中問(wèn)題的提出。

石化裝置的對(duì)大容量電機(jī)采用的變壓器-電動(dòng)機(jī)組供電方式，是考慮大電機(jī)啟動(dòng)時(shí)不對(duì)系統(tǒng)中其它正常運(yùn)行的負(fù)荷產(chǎn)生影響，因此需啟動(dòng)時(shí)供電母線的電壓降落必須滿足的保證值，另外這種啟動(dòng)方式簡(jiǎn)單可靠，經(jīng)濟(jì)性能好。所以變壓器-電動(dòng)機(jī)組供電方式在石化裝置中應(yīng)用很廣。另外電機(jī)配線采用XLPE電纜，配電柜距電機(jī)幾百米的距離，系統(tǒng)電容電流很小，一般約幾個(gè)安培。這種系統(tǒng)如果采用中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，發(fā)生單相接時(shí)，接地電流很小，不會(huì)形成穩(wěn)定的電弧。據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究表明，電纜單相接地時(shí)的熄弧下限與其絕緣型式密切相關(guān)，對(duì)交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜來(lái)說(shuō)，接地電流不大于10A時(shí)電弧可以熄滅。因此一般不會(huì)對(duì)電纜和電機(jī)的絕緣造成永久性損害。但是因?yàn)檫@種系統(tǒng)在出現(xiàn)單相接地時(shí)允許運(yùn)行一定時(shí)間，如果不及時(shí)排除故障，有可能發(fā)展為多點(diǎn)接地或相間短路，從而損壞電纜和設(shè)備的絕緣以致影響壽命。

下圖1為某工程實(shí)例中，變壓器-電動(dòng)機(jī)組結(jié)線方式下的系統(tǒng)簡(jiǎn)圖。項(xiàng)目實(shí)施中，就其中性點(diǎn)的接地方式和電機(jī)廠商進(jìn)行了論證，用戶希望在發(fā)生接地故障時(shí)，從減少弧光接地過(guò)電壓從而減小對(duì)電機(jī)絕緣的損壞的角度考慮采用中性點(diǎn)低電阻接地方式。

圖1：某工程項(xiàng)目的變壓器-電動(dòng)機(jī)組供電系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

2.方案探討及確定。

針對(duì)用戶提出的系統(tǒng)按地方案，電機(jī)廠商認(rèn)為采用低電阻接地系統(tǒng)在接地時(shí)的故障電流太大，對(duì)電機(jī)繞組造成損害的影響比前者更大，并提供了電機(jī)的實(shí)驗(yàn)室曲線——單相接地時(shí)通過(guò)繞組的接地電流和允許時(shí)間的曲線，如下圖2。從曲線可以看出，即使選中性點(diǎn)接地電流最小為100A，持續(xù)時(shí)間0.1秒多也會(huì)對(duì)繞組造成一定程度的損壞。

圖2：通過(guò)電機(jī)的接地電流和允許時(shí)間曲線

可以看出，從減小單相接地時(shí)的弧光過(guò)電壓從而保護(hù)電機(jī)絕緣的角度出發(fā)，選擇中性點(diǎn)低電阻接地是不錯(cuò)的選擇，但因其接地時(shí)比較大的接地電流會(huì)流過(guò)電機(jī)這一系統(tǒng)中唯一的用電負(fù)荷，從而對(duì)電機(jī)繞組造成損壞。這種損壞發(fā)生的可能性要高于不接地方式在接地故障時(shí)弧光間歇過(guò)電壓對(duì)電機(jī)絕緣造成損害。因?yàn)橐韵聝蓚€(gè)原因，第一是因?yàn)楣╇婋娎|為XLPE電纜，單相接地造成的電弧可以熄滅，從而可以避免弧光過(guò)電壓。第二，對(duì)于不接地方式來(lái)說(shuō)，即使發(fā)生了間歇性弧光故障過(guò)電壓，其最高為3.5倍的相電壓，而配電設(shè)備（如開(kāi)關(guān)柜、變壓器等）和電機(jī)的絕緣水平，在國(guó)標(biāo)GB/T50064-2014的表6.4.6和GB/T 22715-2016的表1中分別都有規(guī)定，通過(guò)比較可以看出電氣設(shè)備的額定耐受電壓的數(shù)值都高于間歇性弧光故障過(guò)電壓可能出現(xiàn)的最大值。比如對(duì)于10kV電機(jī)來(lái)說(shuō)，其耐沖擊電壓水平最小應(yīng)值應(yīng)滿足如下值：

而不接地系統(tǒng)在單相接地時(shí)產(chǎn)生的間歇地弧光故障過(guò)電壓最高為：

Up‘>Uf，所以，從電機(jī)制造的角度來(lái)說(shuō)，其絕緣水平就保證了要滿足回路單相接地時(shí)的弧光故障過(guò)電壓。為避免采用中性點(diǎn)電阻接地方式過(guò)大的故障電流損壞電機(jī)繞組，對(duì)這種接地線方式來(lái)說(shuō)，最后還是確定采用中性點(diǎn)不接地方案。

四、結(jié)語(yǔ)

發(fā)生接地故障時(shí)保護(hù)電機(jī)絕緣免受故障過(guò)電壓的損壞和避免較大的接地電流損壞電機(jī)定子繞組是一個(gè)兩難選擇，如何選擇還需要根據(jù)系統(tǒng)和負(fù)荷情況綜合考慮確定。對(duì)于N-1電源的配電系統(tǒng)，由于系統(tǒng)中有比較大的電容電流，單相接地時(shí)產(chǎn)生弧光間歇過(guò)電壓的可能性稍大，保護(hù)電氣設(shè)備絕緣不受損壞和防止絕緣擊穿比故障時(shí)大的接地電流對(duì)設(shè)備造成原危害有更大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，所以采用中性點(diǎn)低電阻接地系統(tǒng)是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。對(duì)于為大電機(jī)供電的變壓器-電動(dòng)機(jī)組的系統(tǒng)，發(fā)生接地故障時(shí)，避免大的接地電流損壞電機(jī)定子繞組有更重要意義，所以采用中性點(diǎn)不接地方式更合適。