一種孤網供電系統中性點接地方式的選擇與應用

林 俊

（安徽海螺川崎工程有限公司）

0 引言

隨著國家“一帶一路”戰略實施，中國企業走向世界的步伐加快，在海外投資建設的項目會越來越多，水泥作為基礎設施建設主要材料需求越來越多，而基于一些投資國電網系統比較落后，電力不足等因素，國外規劃建設水泥線的同時也會同步建設自備電站，由電站向水泥工廠提供電力，電站與水泥工廠組成獨立的供電網絡。

根據水泥生產線的產能和生產生活用電負荷情況，一般會選擇15～50MW 不等的發電機機組作為主供電源，同時，根據所規劃工廠所在地沒有大容量電源可提供的實際情況，一般自備電站在建設過程中，需配置1～2臺大容量的柴油發電機作為黑啟動電源和機組調峰電源，有些項目為了效益最大化，也會同步規劃余熱發電機組。上述幾臺發電機組共同構成一套完整的分布式電源供電系統，具有運行穩定、負荷調配方便等優點，在東南亞等一些電力欠發達國家得到廣泛的應用，但孤網供電系統涉及多機組和多種變工況運行，且系統中存在大量的電容電流，一旦發生接地故障，將會造成發電機、線路及其他設備損壞，不僅造成經濟損失，更會帶來安全事故。因此，多機組孤網供電系統如何選擇一種既安全可靠又經濟合理的接地方式顯得非常重要。

本文結合具體項目實例，闡述一些孤網系統中性點接地方式選擇的一些思路，以供大家探討。

1 項目特點

某企業在印尼規劃建設一條5000T／D水泥生產線，基于當地的電網資源短缺而同步建設2套20MW汽輪機組的自備電站，發電機出口主母線采用單母線按機分段的直配線接線方式，發電機出口10.5kV母線分別分7路饋線送到水泥工廠的各個生產和生活區域，由于選址兼顧礦山石灰石原料輸送方便和后期水路運輸，項目廠區內所有配電線路均采用電纜，直配電纜總長約30km，接線如圖1所示。

圖1 孤網供電網絡電氣接線示意圖

2 系統電容電流的計算與接地方式的選擇

依據電力設計規程，6～35kV配電網一般采用小電流接地方式，小電流接地通常細分為不接地、電阻接地、消弧線圈接地（也稱諧振接地）三種接地方式，無論選擇哪種接地方式，電容電流都是選擇和判別的基礎。

2.1 電容電流計算

由于孤網供電系統主要由發電機和機端所連接的配電裝置以及水泥工廠的工藝設備組成，這些發配電回路和設備存在大小不等的對地電容，當發生接地時，接地點流過的故障電流即為上述對地電容電流。一般來說，電容電流主要來自長距離輸電電纜，設備本身產生的電容電流相對較小，可以忽略不計，經初步計算發電機產生電容電流加以驗證。

通過查詢本項目發電機生產廠提供的三相對地電容值0.48μF，通過式（1）計算后僅0.91A，電流值很小。

式中，Ic1為對地電容電流，A；CF為發電機對地電容；ω為角頻率；UN為額定電壓。

電纜產生的單相接地電容電流計算過程如下：

式中，Ic2為接地電容電流，A；S為電纜芯線的標稱截面，mm2，Ur為線路額定線電壓，kV；L為線路長度，km。

計算孤網系統的電容電流，不僅需要考慮電廠側電纜，水泥廠側也需要考慮。整個系統電纜規格長度及電流計算值如表1所示。

表1 全廠電纜規格長度及電流計算值

將表1相關數據代入式（2），并考慮發電機、變壓器、電動機以及配電裝置等電氣設備的電容值，將上述求得的電纜總電容電流乘以系數1.25為全廠總電容電流的近似值，即得：

2.2 接地方式的選擇

從上述計算看出，總電容電流Ic1接近50A，考慮接地電流較大（30A以上），接地故障將產生穩定的電弧，形成持續性的弧光接地，會損壞設備并造成事故進一步擴大化，所以不能采用中性點不接地方式。根據DL／T620—1997《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》相應的規定，3～20kV具有發電機的系統，當單相故障電容電流大于允許值時，在發生單相接地故障不要求瞬時切除時，應采用中性點經消弧線圈接地方式，但結合本項目特點：①由于存在柴油發電機單獨運行時饋線回路不固定的情況，消弧線圈選型相對困難；②當單臺柴油發電機帶較少線路運行時，故障零序電流很小，受限于綜保裝置定值有下限，保護定值不易整定；③線路輸送電力時，一旦發生擊穿接地，故障點的絕緣強度幾乎為零，故障點的絕緣不能恢復到正常絕緣水平，間歇性弧光過電壓會使故障點的絕緣再次擊穿，采用消弧線圈不能有效地消除單相接地故障殘余電流。為了提高供電系統的安全性，電阻接地方式將是值得推薦的方式，當發生接地故障時，能及時、準確地切除故障點。

為限制單相接地時的過電壓倍數在2.6倍以內，通過計算，發電機中性點需要設置電流不小于50A的電阻。如果僅通過發電機中性點接電阻的形式對系統故障時的電容電流進行釋放，考慮實際生產組織中，會存在幾臺發電機組不同組合的運行工況，當單臺發電機運行時，系統中的電容電流由于饋線回路的存在并未降低多少，因此，每臺發電機中性點均需設1臺不小于50A的電阻才能滿足要求，但當滿負荷生產時，會存在多臺機組（如2臺汽輪機，2臺柴油發電機組同時運行）運行的工況，這就導致了接地電流以（50A×發電機運行數量）的模數增加，同時，對單相接地保護區內和區外的判別存在很大困難，保護定值的整定將需考慮到上述四臺發電機不同組合時（共8種）工況，這就增加了設計和生產組織的難度，且存在安全風險。

為了解決上述難題，如果在供電系統中人為營造一個中性點出來，采用電阻接地，有效地避免了上述接地電流以50A的模數疊加的問題，也不需要每臺發電機單獨設接地裝置。通過從系統母線引出接地，母線接地電阻的計算和選型考慮整個系統中的電容電流，同時，當發電機區內發生接地故障時，系統提供的電容電流與母線接地電阻提供的電阻電流遠大于發電機自身的電容電流，利用兩個數值大小差異就能夠判別出每臺發電機區內區外故障，有利于發電機接地保護的判別和保護定值的整定，提高繼電保護的可靠性。

2.3 中性點接地裝置的連接方式

為了兼顧系統和發電機，中性點接地裝置需連接在10.5kV母線上。從主母線上提供回路給專用接地變壓器，接地電阻器接到專用接地變壓器高壓側引出的中性點上，這種連接方式既可以讓所有機組運行時實現保護，也能讓單臺發電機獨立運行時實現保護。考慮主母線是單母線分段型式，母線并列運行時投入1套，母線分列運行時，每段母線投入1套。

具體接線如圖2所示。

圖2 中性點接地裝置接線方式示意圖

3 中性點接地設備的計算

母線中性點接地電阻的計算如下。

1）電阻的額定電壓選擇為：

2）電阻的阻值選擇為：

3）三相接地變壓器的容量選擇為：

其中，K為接地變壓器10s的過載系數，依據IEEE-C62.92.3相關要求（見表2），接地變壓器10s過載系數為額定容量的10.5倍，所以K選擇10.5（K應以設備制造廠家實際過載系數為準）。經過計算，最終選擇電阻的參數見表3。

表2 中性點接地配電變壓器允許的短時間過載系數

表3 接地電阻的參數

4 結束語

中性點接地方式是一個綜合性、系統性、復雜的問題，它與供電的可靠性、設備絕緣水平、過電壓水平、繼電保護方式等技術密切相關，不同的接線系統需選擇合適的接地方式才能保障安全經濟運行。本文只是從一種孤網供電系統的實例分析各種接地方式的特點，從而針對多機組、變工況、電纜線路多的孤網系統，提出了一種人為營造中性點并經電阻接地的方式，解決多機組不同組合運行工況時，接地電流變化大，故障不好區分，單臺機組帶較少線路運行時定值不易整定等問題，同時避免了多臺發電機單獨設置接地裝置帶來的問題，不僅增加了孤網系統的穩定性和可靠性，提高了接地保護的靈敏性和選擇性，也從一定程度上節省了投資。因此，采用人為營造中性點并經電阻接地，對多機組孤網供電系統是安全可靠的，也是經濟可行的。