35 kV配網小電阻接地系統的設計與應用

葉敏良 陳朝暉

（伊犁新天煤化工有限責任公司，新疆 伊犁 835004）

0 引言

新天公司總降變電站35 kV系統為10個化工裝置區負荷提供電源，從巴彥岱變電所引入兩回110 kV進線，經過#1、#2主變接入總降變電站35 kVⅠ、Ⅲ段母線；熱電站3臺50 MW發電機組，經過#1、#2、#3升壓變分別接入總降變電站的35 kVⅠ、Ⅱ、Ⅲ段母線；化工用電負荷分別接在35 kVⅠ和Ⅲ段母線上。因此，35kV系統供電可靠性，直接影響化工負荷供電可靠性。近年來，35 kV系統電纜或母線單相接地故障多次引發了過電壓，導致電氣設備損壞，造成了化工雙系列停運事故。

1 現狀問題

新天公司35 kV系統出線間隔多，負荷電纜長，系統電容電流較大，將近80 A。在2020年6月前，因35 kV系統為不接地系統，在35 kV系統發生的多起單相接地故障中，系統均出現過電壓現象，在短時間內引發多點故障，造成化工雙系列停運事故，如2018年4月發生“#3升壓變35 kV側管母軟連接B相故障”，2019年2月發生“35 kVⅡ段母線B相故障”，2019年10月發生“空分循環水#2油變A相故障”。2020年6月至2021年6月，35 kV系統由不接地系統改造為中性點經消弧線圈接地系統，目的是當35 kV系統發生單相接地故障時，實現消弧線圈自動跟蹤補償，保證故障負荷在2 h之內不斷電，保持正常供電。但2020年8月發生“#2升壓變35 kV側電纜單相接地故障”，2021年2月發生“三級泵站#2線路單相故障”，這兩起事故仍然引發了多點故障，造成化工裝置停運和降負荷的后果。

2 原因分析

35 kV系統原設計為不接地系統，存在電容電流嚴重超標的重大設計缺陷，當系統發生單相接地故障時，電容電流過大，接地點電弧不能自行熄滅，特別是當出現間歇性弧光接地時，產生弧光接地過電壓，可達3～5倍相電壓甚至更高，非常容易擊穿系統中絕緣薄弱設備，瞬間發生多點擊穿轉換性故障，同時系統又遭受巨大短路電流沖擊，造成大面積停電，最終導致化工裝置停運。

2020年6月，35 kV系統安裝消弧線圈后，發生單相接地故障時消弧線圈產生電感電流，該電感電流能補償因單相接地而形成的電容電流，使得故障相恢復電壓速度減小，同時消弧線圈的嵌位作用，能有效降低鐵磁諧振過電壓產生的概率。但上述兩起單相接地故障仍引發了多點故障，擴大了故障范圍。分析原因為消弧線圈以感性電流補償容性電流來熄弧，在單相接地故障中能發揮一定的作用，但在本公司35 kV配網系統使用中暴露出如下一些問題：不能限制間歇性弧光過電壓，不能補償高頻電流，接地選線不準，容易導致運行人員在查找故障點時誤拉正常負荷。

針對上述問題，分析認為本公司35 kV系統供電線路以電纜線路為主，電纜受外界環境影響小，電纜發生的故障大多為永久性故障。因為電纜發生接地故障時，接地電弧為封閉性電弧，不易自行熄滅，不及時跳閘，將造成相間故障，擴大事故范圍；再者，經消弧線圈補償后，僅能降低故障點的殘流，但不能消除故障。因此，認為純電纜網絡的配電系統采用小電阻接地方式能有效限制配電故障時過電壓，而且能及時切斷故障線路。于是在2021年6月，35 kV系統中性點進行小電阻接地改造。

3 設計思路

35 kV系統主接線方式為單母三分段，化工用電負荷分別掛在35 kVⅠ段和Ⅲ段母線上，35 kVⅡ段不存在獨立分段運行方式，則選擇在35 kVⅠ和Ⅲ段母線各加裝一套小電阻接地成套裝置，滿足35 kV母線并列運行和分列運行的要求，接線圖如圖1所示。

圖1 系統接線圖

具體設計如下：由于35 kV系統中性點沒有可以引出的設備，則選用Z型三相接地變來實現系統對中性點的接地要求。接地變沒有帶負荷的需求，選用的接地變不配置二次繞組。新增兩套小電阻接地成套裝置分別接于35 kV母線Ⅰ段備用間隔1AH18和35 kVⅢ段原消弧線圈接地變間隔31AH19。

當35 kVⅠ、Ⅱ、Ⅲ段母線并列運行時，僅投入其中一套小電阻接地成套裝置；當35 kVⅠ、Ⅲ段分列運行時，同時投入兩套小電阻接地成套裝置。

根據國家和行業規范要求，小電阻接地的配網系統采用單母或雙母分段分列運行方式。而新天公司35 kV主接線為三分段，正常狀態下不允許分列運行，這樣在設計中要解決運行母線防“失地”問題，運行中母線一旦“失地”，系統又將恢復成改造前電容電流嚴重超標的系統。因此，提出加裝自投裝置，配置合適的邏輯功能并整定合適的繼電保護定值，相互配合，保證任何一種運行方式下或事故狀態下，運行中母線不會“失地”。

35 kV系統電氣設備配置零序保護并投入跳閘，保護整定與運行同時兼顧靈敏性、速動性和選擇性。遵循原則：系統設備發生單相接地故障，本設備保護可靠切除故障，允許短延時動作，但保護動作時間必須滿足有關設備熱穩定要求；只有當本設備保護或斷路器拒動時，允許由相鄰設備的保護切除故障。

小電阻接地成套裝置采用戶外布置，其中原消弧線圈用的接地變和預制艙保留利舊。

(4) 采取雙豎井施工方案，不但投資增加較大，而且工期延長較多，還存在如富水地層排水、斷層處理和煤系層防爆、200 m～300 m豎井垂直物資運輸、洞內排煙、機械設備的安全正常運行、供電質量保證等安全技術問題。

4 主要設備選擇

接地變小電阻接地成套裝置主要由接地變壓器、接地電阻器、電流互感器、單極斷路器、電阻智能監控器、戶外防護箱體等組成。

4.1 接地電阻參數計算

中性點電阻接地網絡中，暫態過電壓的倍數k與系統單相接地電流IR和單相接地電容電流IC的比值關系：當IR=IC時，可將健全相的過電壓限制在2.5倍相電壓以下；當IR=1.5IC時，可將健全相的過電壓限制在2.26倍相電壓以下；當IR=2IC時，可將健全相的過電壓限制在2.2倍；當IR=3IC時，可將健全相的過電壓限制在2.0倍；但當IR＞4IC時，限制過電壓效果不明顯。中性點接地電阻值的選取主要依據系統總電容電流，并綜合考慮限制過電壓倍數、繼電保護的靈敏度等因素。

在限制暫態過電壓水平方面，參考《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》（DL/T 620—1997）4.2.8要求[1]，按系統發生單相間歇性電弧接地故障時，小電阻接地系統不超過2.5 p.u.設計。

在保證繼電保護的靈敏度方面，參考《石油化工電氣系統電阻接地設計規范》（SH/T 3208—2020）5.1.4.1要求[2]，電阻值的選擇宜使金屬性單相接地短路電流在200～600 A范圍內。

故障電流選擇過大，雖然提高了保護靈敏度，但相應的接地變容量和電阻器功率也會增大，設備會變得笨重，同時引起的地電位升高更加嚴重。綜合考慮，接地電流按IR=4IC設計，通過計算接地電流取400 A。

4.2 接地變壓器參數選擇

（1）接地變額定電壓UrT：

根據《導體和電器選擇設計技術規定》（DL/T 5222—2005）要求[3]：接于系統母線的三相接地變壓器額定一次電壓應與系統額定電壓相一致。則：

長期運行容量計算：電阻器連接在接地變形成的中性點上，其電流為接地變壓器相電流的3倍。

根據《石油化工電氣系統電阻接地設計規范》（SH/T 3208—2020）標準[2]，接地變壓器10 s過載系數為額定容量的10.5倍，則取K值為10.5計算：

本站接地變壓器不帶站用變，可取接地變壓器標準容量為1 000 kVA。

5 現場實施和運行評估

在總降變院內原消弧線圈接地變預制艙西側間隔8 m平行位置，安裝#1小電阻接地成套裝置；電纜敷設路徑：借助原消弧線圈接地變電纜溝局部新增15 m連接至新增#1小電阻接地成套裝置；總占地面積約40 m2，如圖2所示。2021年6月15日，#1小電阻接地成套裝置安裝、調試完成，投入運行，原消弧線圈成套設備退出運行；2021年7月27日，#2小電阻接地成套裝置安裝、調試完成，投入運行，同時#1小電阻接地成套裝置改熱備狀態。此時，35 kV系統中性點經小電阻接地改造已完成。

圖2 小電阻接地成套設備安裝處

自35 kV系統中性點經小電阻接地改造后，系統共發生4起單相接地故障：

2021年7月22日，發生#1降壓變B相電纜終端頭接地事件，#1降壓變本柜保護裝置RCS9681CS零序動作，105 ms切除故障，35 kV系統恢復正常。

2021年9月27日，#1污水油變35 kV側C相電纜發生接地故障，#1污水油變差動保護動作，105 ms切除故障，35 kV系統恢復正常。

2021年11月29日，#1空分循環水油變35 kV側C相電纜發生接地故障，#1空分循環水油變差動保護動作，105 ms故障切除，35 kV系統恢復正常。

2021年12月29日，#1空分循環水油變35 kV電纜B相發生接地故障，繼而發生AB相故障，#1空分循環水油變差動保護動作，106 ms故障切除，35 kV系統恢復正常。

上述4起單相接地故障保護均能正確切除，系統迅速恢復正常，完全符合小電阻接地系統的設計意圖，不會從單相接地故障發展為多點故障，造成母線短路甚至全廠停車。

6 結語

對于新天公司的中壓配網電纜故障率較高現象，電纜故障多為永久性故障且電容電流大，為避免單根電纜故障引發多點故障，能夠快速切除接地故障電流的小電阻接地方式無疑是最佳選擇。采用小電阻接地方式后，接地電流增大，同時單相接地故障無論是永久性還是瞬時性，均作用于跳閘，使得線路跳閘次數增加，也影響了供電負荷。因此，還需從根本上解決電纜故障率高的問題，從提高電纜終端制作質量及改善電纜溝環境著手，降低電纜故障率。