起重機械高壓供電系統接地方式及單相接地選線分析

泰安市特種設備檢驗研究院 泰安 27100

0 引言

為了滿足特殊工程的需要，起重機械產品呈現大型化、大噸位化的發展趨勢，設備的電功率也越來越大。為了提高起重機電壓等級，越來越多的起重設備由低壓供電改為高壓供電。

現行的標準主要為基于低壓供電模式下所制定的起重機接地要求，大量高壓供電系統下的起重機械設備基本采用大于1 kV以上（起重機采用的高壓電源供電一般不超過10 kV，多為3 kV或6 kV）的高壓電源來供電。岸邊集裝箱起重機大多采用國際通用的6.6 kV/60 Hz供電系統，但GB/T 15361—2009《岸邊集裝箱起重機》僅對接地電阻規定：大車軌道接地電阻應不大于4 Ω，規定應接地的所有點整機接地電阻不大于10 Ω，并未對高壓供電系統下的接地形式進行要求。其根據GB/T 5226.3—2005《機械安全 機械電氣設備：電壓高于1 000 V DC.或1 500 V AC.但不超過36 kV的高壓設備的技術條件》6.3.2給出[1]：選擇或設計電源系統和中性線接地，同時建議使用與地隔離的，或設計成中性點對地有高阻抗的電源系統，應提供接地故障檢測設備，以便在檢測到接地故障時發出報警。高壓供電系統起重機械的接地方式有：中性點不接地系統、中性點經消弧線圈接地系統和經高阻抗電阻接地系統。

1 中性點不接地系統

對于中性點不接地系統，由于大氣與系統無電氣連接，故發生單相接地故障時不會構成回路，理論上系統可以與大地形成所謂的懸浮地，有電容電流產生，但是并未有實質性短路，故電壓仍可視為平衡的，此時的相間電壓大小和相位仍處于動態性不變狀態，三相系統平衡可視為未遭到破壞。根據我國安全技術規程及標準，出現單相接地故障時，系統可以帶故障點運行1～2 h而不必立刻跳閘。隨著長時間運行，且得不到及時處理，系統仍會因電壓升高而出現絕緣破壞、兩相短路、弧光放電引發的系統過壓等危險現象，仍會對生產、調度造成很大壓力。

當起重機采用單電源、多饋線中性點不接地系統時，若某條線路（如圖1所示相線）發生故障時，其系統會出現下述特點[2]：

1）高壓供電系統采用金屬性接地，系統中的各點會產生零序電壓且電壓值一致。

2）故障相對地電壓（圖1中EA相故障接地）變為零，對地電容被短接，其他兩相的對地電壓升高倍，對地電容電流也相應地增大倍。

3）故障線路流向母線的零序電流的量值等同于全系統非故障元件對地電容之和，電容性無功功率的方向也與非故障線路相反，由線路流向母線。

根據以上特點，針對相應問題進行分析：

1）若零序電壓值不一，則視為發生接地故障，并啟動選線電路。如系統發生非對稱三相漏電故障，經零序電流互感器分析，動作繼電器，實現故障保護功能。

2）針對零序電流流向問題，可運用比相式原理，判斷線路電流流向，以區分故障線路與非故障線路，實現選擇性保護的目的。可通過在每段線路的開關柜裝備電流互感器，來測量零序電流的流動方向。

3）采用反應接地故障電流穩態幅值監測零序電流量值。其原理是通過對比采集的各線路零序電流值與認為設定的保護啟動值，若零序電流高于定值則為接地線路。保護啟動值IQ應最遠線路接地時，其最大自身電容電流ICZ.max，即[3]

式中：KK為可靠系數，當延時時間約30 ms動作時，KK取1.5～2可躲過系統短路時暫態過程。

同時對整定值IQ還需要校驗每一條出線的靈敏度KL

因為此保護方式需要對電容電流值進行測量計算，可以采用實測或估算等方式，同時需要整定啟動定值的范圍，并對其靈敏度進行校驗。因此，對線路運行距離較遠且長度差別較大的系統在每條線路上將無法保證足夠的靈敏度。隨著系統規模變化特別是某條長線路退出時，靈敏度也隨之降低甚至嚴重下降，這種情況就需要重新整定啟動定值。對系統線路較少情況，則系統與大地形成電容電流與故障電流的差別不明，易出現誤動或拒動現象，影響運行的穩定性和可靠性。

為了克服此缺陷，解決單相接地的選相問題，引入了群體比幅法原理來選擇接地故障線路。群體比幅法即把接入同一條母線上的所有線路作為一個群體，比較母線的零序電壓和所有線路零序電流的幅值和相位，原理也是一種基于零序電流幅值變化選擇性保護。當零序電流相位滯后零序電壓π/2且與正常線路零序電流反相，則為故障線路。運用此原理可設計 群體比幅電路，當發生單相接地故障時內部電路元件會自動啟動此電路，同時對該群體每條線路的零序電流信號進行幅值比較，優先檢查電流幅值最大的線路，然后關閉其他線路的保護動作。由于故障線路的零序電流等于所有非故障線路零序電流之和，故大多情況下故障線路的電流幅值最大，其他線路的電流幅值遠不如故障電流幅值，故該原理無論靈敏度還是可靠性都比較高[4]。

群體比幅原理選線保護可以實現實時監測，無需整定計算，具有自適應特性，可以避免不可定量的可變因素，也是目前應用較廣泛的一種選線方式。一般情況下，在不接地系統中，一個群體具有兩條或兩條以上的線路便可實現動作靈敏度，使用效果較好，但應注意的是，消弧線圈接地系統中的補償作用會使這種選線方式失效。

2 中性點經消弧線圈接地系統

對于碼頭使用的岸邊集裝箱起重機、輪胎或軌道式集裝箱起重機等，由于港口是重要裝卸區與交通要道，不能設立較多的變電所，故由變電所引出的電纜較長，如某港口最長電纜為500余m，最短也有100余m，且具有移動工作范圍大、集中裝卸作業時數量多等特點。這些情況會導致供電系統電容電流增大，若引發單相接地故障，則產生的持續電弧會損壞電纜或用電設備，或由此而引起的間隙性電弧也會破壞整個電網的對地絕緣問題。為了克服這一缺點，可以采用中性點經消弧線圈的接地系統。采用這種接地系統，即使出現單相接地故障狀況，由于消弧線圈的電感電流IL與接地電容電流流向相反，電流值近乎相等，電感電流IL與電容電流IC可有效的相互補償，故障電流被補償，且補償后的殘余電流較小，不足以維持電弧能自行熄滅的范圍，從而可消除接地區的電弧及其他可能產生的一些危害。消弧線圈也能較為明顯的降低故障線路相電壓的恢復速度，進而保證電弧的熄滅和減少重燃可能性。單接地相故障特點為

1）由于采用消弧線圈的電感電流補償了電網接地電容電流的補償方式，故障線路的電流為補償后的電流，且數值很小，即補償后的電流為：IL-IJD，且與每條線路電容電流相近，與接地故障電流IJD流向相反。如圖2所示。

圖2 中性點經消弧線圈接地電網單相接地時的電流路徑

2）經消弧線圈接地的電網稱為諧振接地系統，故障線路電流中存在較多的高次諧波，主要為二次諧波和五次諧波，正常線路則是以基波分量為主，相對來說高次諧波占比較少。

針對1）可采用比相式原理，但沒有選擇性；針對2）可采用通過反應接地線路穩態電流高次諧波分量原理判別故障線路，原理是檢出故障線路和正常線路電流中的高次諧波（五次諧波為主），通過比較結果，進而判別故障線路。由于故障線路中高次諧波分量數值會隨著系統結構而改變，但計算不方便[5]。

3 經消弧線圈中性點并高電阻接地系統

較中性點不接地系統而言，中性點經消弧線圈接地系統雖然接地安全性得到了提高，但由于電感暫態特性原因瞬時過電壓值依然較大。如果采用中性點經電阻系統，可降低電壓值，接地故障也容易被檢測出來，但存在電阻值較小的故障電流過大現象，在某些特殊要求場合如在粉塵較多的場所，仍然會產生一定的危險性。因此，汲取這兩種接地系統的優點，可選擇經消弧線圈并高電阻接地的中性點接地系統（見圖4）。

圖3中：XL、K1為消弧線圈及投切開關；Rn、K2為中性點并聯電阻及投切開關；UA、UB、UC為三相電壓；C01、C02為線路L1、L2的等效對地電容；C03為線路L3故障點至母線之間的等效對地電容。

圖3 中性點經消弧線圈并聯電阻接地示意圖

這種系統由于采用并聯高電阻接地方式，因此可以增加接地系統的有功分量或增量實現單相接地故障檢測，消弧線圈既可以充分補償接地電容電流，又可加速系統儲能的衰減，并且有效抑制共振過電壓和線性諧振過電壓，提高單相接地故障自恢復概率的作用。電弧接地過電壓值明顯下降，接地電流明顯減小，并且可以采用全補償和過補償運行方式，解除對脫諧的顧慮，一般用于架空線路電網或電纜與架空線混合組成的電網，對于6 ～35 kV較大電網而言是一種較為理想的接地方式。

4 故障支路選線方法

所謂低頻信號注入法，主要采取的是將一個低頻交流信（如3 Hz超低頻信號）加注到電網中，如圖4所示。由于電網在接地時，其零序電流信號主要為50 Hz的工頻信號。而變壓器鐵芯和負荷的非線性特性，產生各類諧波分量，多為頻率大于50 Hz的五次諧波、七次諧波以及其他高頻干擾信號。當電網中某一點接地發生故障時，超低頻信號便可通過接地點構成一回路，從而故障支路零序電流互感器可檢測到此超低頻信號，非故障支路則無法取得該信號。同時保護裝置動作整定值僅與超低頻信號和接地電阻值有關，與電網的絕緣參數無關。因此選用合適電流信號，就可保證動作的可靠性[6]。

圖4 低頻信號注入法選擇性接地保護原理圖

理論上此方法具有較高的準確率，并能進行故障支路點的定位，相對于配電電網的高電壓、大電流，注入信號微弱、加之運行環境場所惡劣極易影響注入信號的提出，經常出現誤差或漏選現象等失敗現象，故選擇良好的信號檢測技術對此法的可行性與有效性至關重要。

5 結論

考慮到起重機械若采用非直接接地電源系統，單相接地若發生故障，設備外殼對地電壓即使不超過120 V，依據短路電流的最高值30 A（短路電流值一般不超過區間值介于10 ～30 A），則接地電阻應為小于120/30=4 Ω。考慮到此時外殼電壓120 V，仍超出人體所承受的安全電壓值。因此，在設計中性點不接地系統時需要考慮自動切斷接地故障的安全保護裝置[7]。目前，小電流接地系統接地選線保護大多已經實現了自動化，例如：大中型變電站裝備的監控系統，可以實時采集數據參數信息，并根據設定的預訂方案和程序，采用相應的措施。小電流接地系統所涉及的情況比較復雜，不同系統的故障特性各一，很難找到共性，且某一套設備很難面面俱到的涉及所有情況，故目前還沒有完全可靠的設備來實現。建議針對電網系統進行安全評價與分析，可通過對起重機高壓供電系統建立仿真模型進并行仿真計算和結果分析，依據評估結論以實現對高壓供電系統的可靠性、穩定性評估和優化[8]。