供電系統中性點接地方式的探討

劉 江

[摘要]介紹鋼鐵企業供電系統中性點接地方式，對不同中性點接地方式的利弊進行分析；針對弧光接地過電壓的產生及危害和對如何限制弧光接地過電壓進行探討。

[關鍵詞]中性點接地方式電容電流弧光接地過電壓限制措施

中圖分類號：TM7文獻標識碼：A文章編號：1671--7597(2009)1020026--02

一、概述

國家規程規定，在1kV及以上的高壓系統中，單相接地電流或同點兩相接地時入地電流大于500A的稱為太接地短路電流系統。500A及以下的稱為小接地短路電流系統。

一般來說，中性點直接接地或者經過低電阻接地的電網屬于大接地短路電流系統；中性點不接地、經過消弧線圈或者高、中電阻(簡稱電阻)等接地，屬于小接地短路電流系統。

目前國內鋼鐵企業電壓等級在66kv及以下的供電系統中，中性點接地方式一般為不接地方式、消弧線圈接地方式和電阻接地方式等。

電力系統中性點接地方式選擇原則為：

1、保證供電可靠性。

2、電力系統過電壓與絕緣配合。

3、滿足繼電保護要求。

4、減少對信息系統的干擾影響。

二、中性點不接地方式

在大多數鋼鐵企業中，電網發展初期，供電系統單相接地電容電流較小，電網結構薄弱，一般采用中性點不接地方式運行。這種接地方式投資省：對于20～35kV系統單相接地故障電流10A以下、6～10kV系統單相接地故障電流30A以下，單相接地后允許帶接地故障繼續運行1～2h，具有供電連續性好等優點。

但是隨著企業的發展，供配電系統的擴建，特別是具有固體絕緣的電纜線路逐漸取代架空線路，使電網對地電容電流增加。當系統發生單相接地時，過大的電容電流形成的電弧接地故障難以自動消除，極可能演化成間歇性弧光接地，此時產生的弧光接地過電壓和由此激發的鐵磁諧振過電壓將嚴重威脅電網安全運行，有時繼而發展為二相短路故障(攀鋼1號板坯連鑄LF爐35kV電源電纜曾發生過類似故障)等。這些都是中性點不接地系統難以克服的缺點。

三、中性點消弧線圈接地方式

為了解決中性點不接地系統存在的問題，在《電力設備過電壓保護設計技術規程》中規定，當單相接地故障電流(電容電流)大于下列數值時，應裝設消弧線圈進行補償：

3～10kV電力網——30A；

20kV及以上電力網——10A。

(一)消弧線圈裝置的應用

為了避免由巨大的接地故障電流(電容電流)所帶來的一系列問題，使瞬時性接地故障自動消除而不影響供電，我國在20世紀60年開始采用固定式消弧線圈裝置。但由于固定式消弧線圈的電感值是固定的(或分成幾個固定的分接頭)，不能自動調節。當供電系統電容電流變化時，必須人為地改變分接頭，而且因無手段得到系統的詳細資料，使得對調節趨向的正確判斷很難掌握，這就使得消弧線圈的電感與系統對地電容電流的諧振機率增加。隨著電力工業的發展，在20世紀80年代后期，出現了自動跟蹤補償(或自動調諧)消弧系統。該系統克服了固定式消弧線圈的缺點，同時因采用了可控式消弧線圈，系統控制器和配以小電流接地選線裝置，實現了實時跟蹤系統電容電流的變化，為供電系統提供了較為準確的補償電流，使瞬時性單相接地故障得以消除。當時這種接地方式在電力系統和鋼鐵企業的供電系統中較為普遍采用。

(二)中性點消弧線圈接地方式的利弊

1、電網中性點經消弧線圈(自動跟蹤補償)接地方式的優點如下：

(1)降低了電網絕緣閃絡(如雷擊閃絡)接地故障電流的建弧率，減少了線路跳閘率。

(2)金屬性接地故障時，可帶單相接地運行一段時間，改善了電網不間斷供電，提高了供電可靠性。

(3)接地工頻電流(即常稱的殘流)小，降低了地電位升高，減少了跨步電位差和接地電位差，減少了對低壓設備的反擊及對信息系統的干擾等。

(4)實現了自動控制，滿足無人值班的要求。

2、中性點消弧線圈接地方式也存在以下缺點：

(1)不能消除弧光接地過電壓。

現行所有以消弧線圈設計的自動跟蹤或自動調諧都是在電網工頻(50Hz)下完成的。電網在單相間歇性電弧接地時，在健康相(非故障相上)發生的弧光過電壓和通過電弧接地故障點的總電流是幅值較大的高頻電流，而電網電容和消弧線圈電感在高頻下，兩者頻率特性不同，因此兩者是不可能互相補償或調諧的。

(2)消弧線圈與系統對地電容有可能發生串聯諧振，產生虛幻接地或串聯諧振過電壓。

(3)由于消弧線圈的補償作用，使故障點的電流減少，相位發生變化，導致選線靈敏度降低。

(4)消弧線圈結構復雜，維護工作量較大，投資費用高。

四、中性點電陰接地方式

由于消弧線圈運行時存在上述問題，我國北京、上海、廣州等地區已逐步將中性點經消弧線圈接地改為經電阻接地方式。在許多鋼鐵企業的供電系統中也采用了中性點電阻接地方式。如寶鋼、上海一鋼公司、武鋼、昆鋼、新疆八鋼等等。

中性點經電阻接地，從根本上解決了消弧線圈正常運行中帶來的問題，降低了電弧過電壓和鐵磁諧振過電壓。保護繼電器能可靠動作，快速將故障切除，避免了接地電流造成的設備損壞。降低了接地故障入地電流造成的地電位升高。減少了對信息系統的干擾等。但是，此種接地方式也存在一些不足，當發生單相接地故障時，不論是金屬性接地還是弧光接地，均切除故障線路，犧牲了對用戶供電的可靠性。另外，由于加大了故障電流，發生弧光接地時會加劇故障點的燒損。

不過對于冶金工廠來講，目前大都采用電纜線路，電纜線路發生單相接地故障多為永久性故障，對于永久性故障應及時切除，否則可能引起事故擴大。另外，冶金工廠一般采用兩回路電源供電，對重要負荷還裝有自動投入裝置，因此切除一回永久性故障線路，對供電可靠性帶來的影響不是太大。

五、弧光接地過電壓的產生及危害

(一)弧光接地過電壓的產生

形成弧光接地過電壓的基礎是間歇性電弧。當中性點非直接接地系統發生單相間歇性弧光接地故障時，由于電弧多次不斷的熄滅和重燃，導致系統對地電容上的電荷多次不斷的積累和重新再分配，在非故障相的電感一電容回路上引起高頻振蕩過電壓。

供電系統運行中單相接地情況，一般是：間歇性電弧接地一穩定電弧接地一金屬性接地。根據有關資料介紹，間歇性電弧接地持續時間可達0.2～2s，頻率達300～3000Hz；然后呈穩定電弧接地，持續時間達2～10s；最后故障點導線被燒熔成為金屬性接地，即所謂永久性故障接地。另外，最危險的情況是，發生在單相間歇性電弧接地時刻，在非故障相上發生的弧光接地過電壓最高(可達3～4倍相電壓)，通過電弧接地故障點的

高頻振蕩電流最大(可達數百安培)，時間雖短，但危害很大，極有可能損壞或破壞元件。

有資料介紹，從弧光接地過電壓產生的整個過程來看，與系統對地電容電流的大小并無關系。有人曾經在系統對地電容電流為1.1～4.5A的情況下做過上千次試驗，結果每次都有弧光接地過電壓產生。

(二)弧光接地過電壓的危害

在電力行業標準DL／T620中規定，66KV及以下系統發生單相間歇性電弧接地故障時，可產生過電壓，過電壓的高低隨接地方式不同而異。一般情況下最大過電壓如下：

不接地

3.5倍相電壓，

消弧線圈接地

3.2倍相電壓，

電阻接地

2.5倍相電壓。

這對正常(標準)絕緣(非弱絕緣)是無危險的，但對弱絕緣是有危險的。另外由于各種原因會使正常絕緣老化，變為弱絕緣。

1、高幅值的過電壓加劇了電纜等固體絕緣的積累性破壞。

對于中性點非直接接地系統，我國現行規程規定允許帶單相接地故障運行2h，但并未區分是架空線路還是電纜線路，也沒有明確是弧光接地還是金屬接地。在高幅值的弧光接地過電壓的持續作用下，加劇了電纜等固體絕緣的積累性破壞。最終在非故障相的絕緣薄弱環節造成對地擊穿，進而發展成為相間短路事故。

2、弧光接地過電壓導致熔斷器熔斷或互感器燒毀。

普通電壓互感器飽和點一般為1.6～1.8倍，在弧光接地過電壓作用下，使電壓互感器發生飽和，激發鐵磁諧振，導致電壓互感器過載，造成熔斷器熔斷或互感器燒毀。

3、弧光接地過電壓導致避雷器爆炸。

弧光接地時，過電壓的能量由電源提供，持續時間較長，能量很大。當過電壓的能量超過避雷器所能承受的400A、2ms的能量指標時，就會造成避雷器的爆炸事故。

六、弧光接地過電壓的限制措施

1、為了能有效抑制弧光接地過電壓，防止電纜放炮等事故的發生，避免企業或生產線因被迫停電所帶來的經濟損失，當發生單相電弧接地時，應當在以下方面采取措施：

(1)盡快熄滅電弧，防止故障進一步發展。

(2)盡快將過電壓限制在安全水平，避免固體絕緣的積累性破壞。

(3)允許用戶在完成轉移負荷的倒閘操作之后再處理故障線路，避免被迫停電，保證供電可靠性。

2、在中性點非直接接地系統中，當發生單相電弧接地時，若能快速地將間歇性電弧接地轉換為金屬性接地，則可抑制弧光接地過電壓的產生，并達到如下效果。

(1)由于故障相直接與地網連接，對地電壓等于零，工頻電弧和高頻電弧都將立即熄滅。

(2)金屬性接地后，非故障相上的過電壓立即穩定在,／3倍相電壓，系統中的設備可以在這個電壓下安全運行。

(3)因為電弧被熄滅，過電壓被限制在安全水平，故障不會再繼續發展，為用戶倒閘操作贏得了時間，保證了供電可靠性。

(4)由于弧光接地的持續時間大大縮短，過電壓的能量降低到過電壓保護器允許的能量指標以內，避免了過電壓保護器爆炸事故。

3、消弧及過電壓保護裝置的應用

近幾年來，為了解決因單相間歇性電弧接地所產生的弧光接地過電壓對電器設備帶來的危害，新型的消弧及過電壓保護裝置得到了應用。該裝置主要由電壓互感器、微機控制器、交流真空快速接觸器、過電壓保護器、高壓隔離開關、高壓限流熔斷器組件等組成。另外，配套小電流接地選線裝置，達到自動選線的目的。

當系統發生單相電弧接地時，微機控制器立即判別故障類型和相別并向故障相的真空接觸器發出動作指令，真空接觸器在30ms左右完成合閘，間歇性電弧接地隨之被轉換為金屬性接地。在真空接觸器動作之前的過電壓由過電壓保護器限制在較低的數值。當由于裝置故障、檢修調試人員誤接線等原因造成裝置誤判斷，導致相間弧光短路時，熔斷器組件可在2ms內快速熔斷，短路電流遠沒達到最大值，不會造成任何后果，對系統運行沒有影響。裝置結構簡單，體積小、投資較低，安裝、調試方便。已在攀鋼、重鋼、南鋼、灑鋼等工程中得到了使用。

該裝置雖然克服了弧光接地過電壓帶來的一系列問題，但是在防止電壓互感器飽和避免引起鐵磁諧振，以及消弧裝置與小電流接地選線裝置配合等方面需要不斷的完善。由于裝置投入實際工程運行的時間不長，所達到的效果如何有待更長時間的驗證。

七、結束語

我國各個鋼鐵企業供電系統中性點接地方式不盡相同。甚至同一個鋼鐵企業同級電壓多種中性點接地方式并存。每種中性點接地方式的系統，都具各自的優點和缺點。因此，在工程設計中必須從實際出發，權衡利弊，盡可能做到既滿足供電系統的要求，又達到投資省的目的。