IT接地系統(tǒng)單相接地故障后的情況分析

武 攀

[同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司, 上海 200092]

0 引 言

電源的接地制式主要有TN-C、TN-C-S、TN-S、TT、IT接地系統(tǒng)。在我國目前使用比較多的是TN-C-S、TN-S、TT接地系統(tǒng)。IT接地系統(tǒng)即中性點不接地或經高電阻接地系統(tǒng),在我國并沒有被廣泛使用,目前主要被用在不間斷供電要求較高和對接地故障電壓有嚴格限制的場所,如應急電源裝置、消防、礦井下電氣裝置、醫(yī)院手術室以及有防火防爆要求的場所[1-3]。IT接地系統(tǒng)一般不建議引出中性線,主要是因為當發(fā)生單相接地故障而設備仍需繼續(xù)運行,這時中性線和其余兩正常相對地電壓會升高,對人員的生命、線路的安全會帶來更大的危險,IEC標準也強烈建議IT接地系統(tǒng)不引出中性線[4-6]。

本文主要分析IT接地系統(tǒng)在發(fā)生單相接地故障情況下的電壓、電流變化,進而分析工程中35 kV變配電系統(tǒng)IT接地系統(tǒng)可以使用的情況,供讀者參考。

1 單相接地故障時電壓變化分析

一般,電壓是指兩點間的電位差,例如電壓220 V是指相線與中性線的電位差,電壓380 V是指三相線路上兩相之間電位差。通常取大地電位為參考0電位,沒有絕對電位,只有相對電位,如果一個電源系統(tǒng)中性點接地,中性點電位即為大地電位,即0電位,則某點與中性點的電位差是與大地的電位差,即對地電壓。三相變壓器Δ/Y聯(lián)結如圖1所示。

圖1 三相變壓器Δ/Y聯(lián)結

三相變壓器二次側線圈內在的電壓、電流其特性和發(fā)電機的特性相同,均存在幾個固有的屬性:

(1) 變壓器二次側線圈內在的三個相電壓有效值始終相等,相位也始終彼此相差120°,這里的內在相電壓是指相與變壓器中心點的電位差,而不是與大地的電位差,即有效值UAN=UBN=UCN,相位角相差120°。

(2) 變壓器二次側線圈內在三個線電壓有效值始終彼此相等,相位差始終相差120°,內在的線電壓是指相與相之間的電位差。即有效值UAB=UBC=UCA,相位角相差120°。

(4) 三相變壓器內在的線電壓,相電壓均不隨負載的情況變化而變化,隨負載情況變化的是外在的電流、電壓和功率。即UAN、UBN、UCN、UAB、UBC、UCA是變壓器固有的屬性,不隨負載的情況變化而變化。

正常工作情況下,三相變壓器二次出線側電壓示意如圖2所示。

圖2 三相變壓器二次出線側電壓示意

當發(fā)生單相接地故障時,假設二次側A相線路與設備外殼或者大地發(fā)生單相接地故障,由于IT系統(tǒng)電源側中性點沒有接地,單相接地故障電流沒有通過大地返回到變壓器中性點的回路,此時A相的故障點電位非常小,基本降為與大地電位同等,接地故障電流非常小,故障點電壓小于安全電壓50 V,人員沒有生命危險。

假設三相變壓器二次側線電壓為380 V,相電壓為220 V。當發(fā)生A相接地故障時,對地電位為0,由于UAN沒有發(fā)生變化,N點相對地電位相應提高到220 V,同時由于UBN=UCN沒有變化,此時B相、C相對N點電位仍為220 V,對地電位則提高到380 V。UAB=UBC=UCA=380 V,即A相故障點對地電位為0,B相、C相對地電位為380 V。

因此,當A相發(fā)生單相接地故障短路時,B相、C相對N點沒有變化,但對地電壓升高,且對地相角發(fā)生變化,A相發(fā)生接地故障示意圖如圖3所示。

圖3 A相發(fā)生接地故障示意圖

其他兩相對地電壓升高到380 V,但由于變壓器內在三相相電壓、線電壓,相位角均未發(fā)生變化,所以設備仍可以繼續(xù)運行,從而保證設備運行的連續(xù)性和可靠性,但需通過報警裝置及時發(fā)現(xiàn)故障點,排除故障,避免二次故障時造成設備的損壞以及人員的危險。

2 單相接地故障時電流變化分析

IT接地系統(tǒng)正常工作情況下,必然存在著相線與大地之間的電容電流。當三相電容電流平衡時,IT接地系統(tǒng)示意如圖4所示,電容電流相量和為0,即IA+IB+IC相量和為0。

圖4 IT接地系統(tǒng)示意

當IT接地系統(tǒng)發(fā)生A相接地故障時,根據(jù)電壓分析,B相、C相對地電壓發(fā)生變化,B相、C相對地電壓升為380 V,即有效值UAB=UAC=380 V,此時B相、C相對地電容電流也發(fā)生變化,且由于B相、C相對地電容電流通過A相接地故障點流回A相線路,三相電容電流原有平衡被打破了,形成新的三相平衡,I′A+I′B+I′C=0。A相發(fā)生接地故障電流流向示意如圖5所示。

圖5 A相發(fā)生接地故障電流流向示意

圖6 A相發(fā)生單相故障相位角示意

3 35 kV配電采用IT接地系統(tǒng)的情況分析

根據(jù)我國相關規(guī)范規(guī)定,對于IT接地系統(tǒng),即中性點不接地方式,當單相接地故障時電容電流不超過10 A的下列電力系統(tǒng)可采用不接地系統(tǒng):所有的35、66 kV系統(tǒng);不直接連接發(fā)電機的6～20 kV系統(tǒng)。

根據(jù)《工業(yè)與民用配電設計手冊》表4.6-10,35 kV變電站電力設備增加的電容電流百分數(shù)為13%,因此I′A=3IA(1+13%)=3ωCU×1.13,其中ω為角頻率,C為每相對地分布電容,U為相電壓,取5.77 kV(10 kV高壓系統(tǒng)),Cp為每相對地每千米分布電容。10 kV高壓電纜單相接地故障,電容電流I′A為10 A時線纜長度如表1所示,其中I′A=3ωkCpU×1.13=10 A。

表1 10 kV高壓電纜單相接地故障,電容電流I′A為10 A時線纜長度

表1中電纜采用交聯(lián)聚乙烯絕緣時的電容電流計算。當10 kV電纜采用其他絕緣類型時,單相電纜電容值為

C=2πεrε0/(lnr2/r1)

(1)

式中:r1——電纜芯線半徑;

r2——電纜外皮內半徑;

εr——電纜絕緣材料相對介電常數(shù),一般取3;

ε0——空氣介電常數(shù),取8.84×10-6。

根據(jù)式(1),從而計算出單相接地故障電容電流。

因此,當10 kV高壓配電電纜長度不超過上表對應數(shù)值時,35 kV配電系統(tǒng)可以采用IT接地系統(tǒng)。

4 單相接地故障下不同接地系統(tǒng)的情況分析

對于IT接地系統(tǒng),當發(fā)生單相接地故障時,三相變壓器二次側內在相間電壓并沒有被破壞,設備仍可以繼續(xù)運行,保證設備運行的可靠性,故障點對地電位接近于零,保障人員的安全性;同時由于單相接地電容電流很小,也不會形成穩(wěn)定的接地電弧,故障點電弧可以迅速自熄,防止火災發(fā)生;對臨近通信線路干擾也小。因此,IT接地系統(tǒng)的正確使用具有很多優(yōu)點。缺點是發(fā)生單相接地故障時會產生弧光重燃過電壓,這種過電壓最高會達到線電壓的3.5倍。這種過電壓現(xiàn)象會造成電氣設備的絕緣損壞或開關柜絕緣子閃絡、電纜絕緣擊穿,所以對整個系統(tǒng)絕緣水平要求較高。當系統(tǒng)采用IT接地系統(tǒng)時,需注意以下系統(tǒng)設備的絕緣等級及配合:系統(tǒng)相關的變壓器、配電電纜、相關開關柜、高壓開關設備以及避雷器等。

部分高壓設備絕緣等級如表2所示。

表2 部分高壓設備絕緣等級

具體工程中,對于IT接地系統(tǒng),除了提高系統(tǒng)的絕緣等級,還需做好絕緣監(jiān)測措施。當發(fā)生第一次單相接地故障時,可以繼續(xù)運行一段時間而不切斷電源,同時及時報警引起工作人員的注意,從而通過查找故障點排除接地故障。如沒有排除掉,當發(fā)生第二次單相接地故障時,可能產生相間短路(通過大地或者共用接地線),故障點電壓已經超過安全電壓,需即刻切除故障線路,以保證人員和線路的安全。

當計算單相故障電容電流I′A>10 A時,又需要在接地故障情況下運行,可采用中性點諧振接地方式,通過中性點設置消弧線圈,來補償單相接地故障時電容電流,使接地點電弧容易熄滅,減少間歇性電弧的產生,抑制弧光接地過電壓。變壓器中性點經消弧線圈接地如圖7所示。使用消弧線圈時可使系統(tǒng)帶接地故障運行2 h以下,以提高供電的可靠性。但需注意宜采用具有自動跟蹤補償功能的消弧裝置,系統(tǒng)接地故障殘余電流不應大于10 A,且對不能自動調節(jié)的消弧線圈應運行在過補償狀態(tài)下。

圖7 變壓器中性點經消弧線圈接地

自動跟蹤補償消弧裝置消弧部分的容量應根據(jù)系統(tǒng)遠景年的發(fā)展規(guī)劃確定:

(2)

式中:W——自動跟蹤補償消弧裝置消弧部分的容量;

Ic——接地電容電流;

Un——系統(tǒng)標稱電壓。

如發(fā)生單相接地故障電流時,為了保證線路的安全、人員電擊的安全和避免火災的發(fā)生,可以在變壓器中性點直接接地或經小電阻接地。變壓器中性點經小電阻接地如圖8所示。

圖8 變壓器中性點經小電阻接地

圖8中,三相電流不再平衡,A相電流IA為單相接地故障電流,其取決于變壓器中性點電阻值、大地電阻以及A相接地處的電阻值。當單相接地故障電流超過變壓器出線側過電流保護時,由于單相接地故障電流較大,過電流保護裝置將發(fā)生動作,切除故障電流,使線路不再有故障的存在,從而保證線路以及人員的安全。

5 結 語

電網(wǎng)中性點接地方式直接影響電網(wǎng)供電的可靠性、連續(xù)性、運行的安全性,同時不同的接地方式對工程造價又有一定的影響,這就要求我們在選擇電網(wǎng)中性點接地方式時,根據(jù)具體情況具體分析、綜合考慮,做出正確合理的選擇。