某改造項目中35 kV變電站的中性點接地方式的選擇

魏 旗

(中國建材國際工程集團有限公司，上海 200063)

選擇電力網中性點接地方式是一個綜合性問題，它與電壓等級、單相接地故障電流、過電壓水平、保護配置均有關系。通過一個工程案例，經過計算來分析該工程35 kV變電站的中性點接地方式的選擇以及該項目存在的故障的原因，說明了弧光接地隱患對電網的危害以及解決方法。

1 工程現狀

該改造項目已于2021年建成投運，現有2臺10 000 kVA的三相三繞組變壓器，連接組別為YNd11，35 kV系統為單母線分段，現有出線4回，10 kV系統為單母線分段，現有出線16回。35 kV系統和10 kV系統均采用中性點不接地的方式，電氣主接線示意圖如圖1所示。

2 中性點接地方式的選擇

《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》(GB/T 50064—2014)中規定[1]：35 kV、66 kV系統和不直接連接發電機、由鋼筋混凝土桿或金屬桿塔的架空線路構成的6～20 kV系統，當單相接地故障電容電流不大于10 A時，可采用中性點不接地方式；當大于10 A又需在接地故障條件下運行時，應采用中性點諧振接地方式。

不直接連接發電機、由電纜線路構成的6～20 kV系統，當單相接地故障電容電流不大于10 A時，可采用中性點不接地方式；當大于10 A又需在接地故障條件下運行時，宜采用中性點諧振接地方式。

《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》(GB/T 50064—2014)的條文說明中給出了單相接地電流小于10 A情況下的10 kV、35 kV系統中性點不接地方式的選擇依據，即：《6～10 kV電纜單相接地間歇性電弧電流下限的試驗研究》，西北電力技術，1991年4月第2期。該項試驗是在1∶1的模擬系統上進行的，用于試驗研究的三種三芯電纜是3 mm×240 mm的10 kV油紙絕緣電纜、3 mm×70 mm的6 kV全塑絕緣電纜和3 mm×95 mm的6 kV交聯聚乙烯絕緣電纜。研究結果表明這三種電纜的單相接地電流熄弧下限與絕緣型式密切相關：對全塑絕緣電纜單相接地電流不大于20 A，對油紙絕緣電纜不大于15 A，對交聯聚乙烯絕緣電纜不大于10 A時電弧可以熄滅。為安全計，最終給出統一的熄弧電流10 A的閾值。

該項目中35 kV線路、10 kV線路均為電纜線路，中性點采用不接地的運行方式。下面估算單相接地電容電流，根據《電力工程電氣設計手冊》(電氣一次部分)[3]，電纜線路的電容電流可用下式近似估算

Ic=0.1UcL

式中，Ic為電纜線路的電容電流；Uc為電纜線路的額定線電壓；L為電纜線路的長度。該工程35 kV線路長度共約2 km ，10 kV線路長度約5 km。

因此該站35 kV電纜的電容電流值為：Ic=0.1×35×2=7 A；該站10 kV電纜的電容電流值為：Ic=0.1×10×5=5 A。另外考慮到35 kV變電站電力設備對電容電流的附加值[5]，因此35 kV側發生單相接地故障時，產生的電容電流：ΣIc=7×(1+13%)=7.91 A；10 kV側發生單相接地故障時，產生的電容電流：ΣIc=5×(1+16%)=5.8 A；因此，該變電站的35 kV系統、10 kV系統均采用了中性點不接地的方式。

3 中性點不接地系統帶來的電弧接地可引起過電壓

當電力系統中性點不接地系統發生單相接地時，故障點將流過電容電流，如果電容電流值很小，當故障原因消失后，電弧一般可自行熄滅，系統很快恢復正常。如果電弧造成的影響擴大，能發展為兩相或三相短路，尤其當接地處發生所謂斷續電弧，也就是周期性熄滅與重燃的電弧，它與電網振蕩回路的相互作用可能引起相與地之間的諧振過電壓。這種電壓可以達到(2.5～3)倍相電壓值，進而導致非接地相絕緣擊穿形成相間短路。在項目所述案例中，當中性點不接地系統的單相接地故障電流大于10 A時，電弧不能自動熄滅，引起單相接地故障。在電力系統中接地電容電流大于5 A時就可能引起斷續電弧，進而導致線路上絕緣地點的絕緣被擊穿。雖然電弧不致于穩定燃燒，但電弧時燃時滅的不穩定狀態，會導致電磁能量的強烈震蕩，并在健全相和故障相上產生過電壓，這就是間歇性電弧接地過電壓。空氣潮濕削弱了絕緣效果，該文所述案例，在濕度大于65%的雷雨季節，從高壓柜底部窗口可以看到閃絡電弧。

4 單相間歇性電弧可引起電壓互感器異常損壞

已有的研究認為：電壓互感器損壞的原因是，在電網中性點偏移電壓作用下，電壓互感器與中性點對地電容構成的L-C串聯鐵磁諧振。電網對地電容較小時發生幾率較大，因此采取在電壓互感器上加裝消諧器等措施以消除諧振。但是，近年來的運行情況表明，電壓互感器的異常損壞是由系統故障狀況下，電壓互感器的飽和特性和電網的對地電容相互作用在電壓互感器中產生的暫態過電流造成的。單相間歇性電弧接地故障發生時，電壓互感器端電壓的不斷切換，將電壓互感器推進深度飽和區，加重其與電容相互作用產生的暫態過電流，更容易造成電壓互感器異常損壞。實驗證明鐵磁諧振已不是電壓互感器損壞的主要原因，當系統單相接地故障消失后，系統電容的放電電流造成電壓互感器中較大的暫態過電流，導致其損壞。

5 如何消除電弧引起的過電壓

為消除電弧接地過電壓、消除間歇性電弧，最有效的方法是將中性點直接接地，目前110 kV及以上電網大都采用中性點直接接地的運行方式。發生單相接地故障時，線路斷開，待故障消除后恢復供電，但是在我國低壓配電系統中，單相接地事故概率相對較大，如采用中性點直接接地，勢必引起斷路器頻繁跳閘，故采用中性點絕緣的運行方式。電網過電壓保護和絕緣配合比較復雜，過電壓(雷擊、線路碰線、電容耦合等)是造成開關爆炸、開關柜失火、電力設備損壞的重要原因。為使電弧容易熄滅，我國35 kV及以下電壓等級的配電網采用中性點不接地或者中性點經消弧線圈接地的運行方式。消弧線圈接于系統的中性點處，補償流過故障點的短路電流，使電弧能自行熄滅，降低故障相上的恢復電壓上升的速度，減少電弧重燃的可能性。

6 中性點經消弧線圈接地運行狀況分析

消弧線圈接地方式是利用電抗器的感性電流補償電網的容性電流，使接地電流大為減少[4]。當中性點經消弧線圈接地系統發生單相接地時，流過接地點的電流是接地電容電流Ic和流過消弧線圈的電感電流IL的向量和。由于Ic超前Uc90°，IL滯后Uc90°，兩電流相抵后使流過接地點的電流減小。

根據IL與IC的矢量值不同，消弧線圈的補償有3種方式：1)全補償，IL=Ic；2)欠補償 ，ILIc。實際上都采用過補償，以防止由全補償引起的諧振過電壓、損壞設備絕緣，或者欠補償因部分線路斷開造成全補償。

中性點經消弧線圈接地發生單向接地故障時，相間電壓的相位不改變，故障相對地電壓為0，非故障相對地電壓升高至線電壓，三相設備仍可照常運行，但不能長期帶故障運行，必須裝設單相接地保護或絕緣監視裝置，在發生單相接地故障時發出報警信號或指示，以便工作人員及時處理。

消弧線圈需要安裝在電力系統的中性點，但是該項目35 kV系統、10 kV系統都沒有中性點引出，這時就需要在系統中另外設置一個中性點來連接消弧線圈。為此在母線上需要裝設接地變壓器。接地變壓器也可以同時為變電站設備正常運行提供電源。

7 關于消弧線圈和過電壓的認識誤區

雖然消弧線圈可以消除單相接地故障，但是消弧線圈的自動跟蹤、自動調諧裝置都是在工頻條件下工作的，在弧光產生的高頻震蕩的過程中，消弧線圈不能起到補償電網電容的作用。同時消弧線圈也不能補充諧波電流，諧波電流也可能發生弧光接地過電壓。

8 結 語

工廠35 kV變電站的設計、選址應結合電網實際情況，理解規范制定的出發點，合理選擇中性點接地方式，重視電弧閃絡帶來的過電壓危害，要做到從實際出發，具體問題具體分析。