鋼鐵企業中壓供配電系統改低電阻接地方式研討

高大全，李 星，楊余杰

（攀鋼集團攀枝花鋼釩有限公司能源動力分公司，四川攀枝花 617000）

前言

大多數運行多年的鋼鐵企業6～35 kV 供配電系統采用電纜供電，其中性點均采用不接地或經消弧線圈接地的方式，但隨著生產規模的發展以及供用電負荷的增加，供配電系統接地電容電流已大幅超過當初設計時的限值，原有的消弧補償容量已不足，在供配電系統發生單相接地故障時，容易造成電氣設備絕緣損壞、電纜火災等事故，嚴重影響6～35 kV供配電系統的安全運行。

企業隨著供配電系統的升級改造，逐步實現了供配電變電站分區域集中監控、變電站無人或少人值守的模式。在現有配電系統中性點接地方式下，如發生單相接地故障，仍需依靠值班人員在調度指令下拉合配出回路來查找判斷接地故障的回路。經常在故障查找隔離處置過程中會發生相應配出回路過流保護動作跳閘、電纜放炮著火等事故。因此，配電系統原有的中性點接地方式已不適應企業供配電區域集中監控、變電站無人或少人值守的運行管控要求。

近年來，新建投運的大型發電廠的廠用電系統或大型企業的中壓配電系統，普遍采用的是低電阻接地方式，該接地方式具有系統配置簡單、投資費用小、可降低系統過電壓水平、防止電纜著火、快速隔離故障等優點。由于仍有部分技術人員對中壓供配電系統中性點接地方式改低電阻接地方式存在疑慮，為證明該接地方式的可行性，通過對配電系統現有接地方式存在的問題及低電阻接地方式優缺點進行分析，并輔以故障案例及現場測試，論證中壓供配電系統中性點接地改低電阻接地方式的必要性，為企業實施中壓供配電系統中性點接地方式改造提供借鑒。

1 中性點接地方式的行業狀況及存在問題

大型鋼鐵企業具有電力負荷密度大、供電可靠性要求高、供配電線路以電力電纜為主等特點。供配電系統95%以上配出均采用電纜線路，且隨著電纜長度不斷增加，配電系統的接地電容電流水平不斷提高，甚至可達百安培以上（攀鋼某110 kV 變電站的6 kV母線并列運行時，系統電容電流在110 A左右，多個110 kV變電站的6～10 kV單段母線接地電容電流在30～70 A）。不斷增加的單相接地電容電流已不適用中性點不接地或經消弧線圈接地的運行方式，已不能滿足當前企業對供配電系統區域集控運行、無人或少人值守的運行要求。當在配電系統發生單相接地故障時，易造成故障損失擴大，影響企業供配電系統安全可靠運行。

2 中壓供配電系統改中性點低電阻接地系統的分析

中壓供配電系統中性點一般采用非有效接地方式，主要有不接地、經消弧線圈接地、低電阻接地3種方式［1］。

中性點經電阻接地，就是在配電系統變壓器中性點或接地變壓器一次側中性點接入適當的電阻，該電阻與系統對地電容構成并聯回路。中性點經低電阻接地方式中，一般選擇較小的電阻值，在系統單相接地時，可以控制流過接地點的電流在150～1 000 A 左右，通過各配出開路的零序電流互感器接入微機保護裝置，沿著供電電源的供電方向，依靠零序過流保護定值逐級配合，在發生單相接地時啟動相應回路的接地零序保護，實現對接地故障回路的準確定位，有選擇性就近切除。低電阻接地方式尤其適用于遠程集中監控與無人值守的配電系統，在系統發生接地故障時，不再需要按傳統方式依靠調度人員指揮各變配電站所崗位人員輪流試切配出開路來確認具體故障回路，也不需要各用電負荷的生產線人員配合查找，大幅降低調度及運行崗位人員的操作量，同時大幅降低系統過電壓水平及接地故障持續時間。一般發生單相接地故障后，按接地故障零序電流保護逐級配合時限，僅需0.2～1.5 s即可切除接地故障回路。

低電阻接地方式的主要優點［1］：

（1）接地故障時，非故障相電壓不會明顯升高，可以將弧光接地過電壓限制在較低的水平。

（2）克服了不接地系統的鐵磁諧振與消弧線圈接地系統的串聯諧振問題。

（3）繼電保護配置比較簡單，零序過流保護有較高的靈敏度，易檢出接地線路，故障定位準確，可以迅速切除接地故障線路，運行維護方便。

（4）系統電容電流增大時，不需要對接地裝置進行擴容改造。

（5）將雙重接地（異相故障）的機率削減至最低，最大程度降低電纜接地放炮引發著火事故的可能性，可以減少工廠電纜隧道加裝水霧滅火的配置。

但低電阻接地方式也存在明顯的缺點：

（1）瞬時性故障也會導致跳閘，使供電可靠性降低。國內外統計結果表明，消弧線圈接地系統改造后短時停電次數增加1 倍左右，長時間停電次數增加10%。對于電纜供電系統，電纜故障一般都是永久性的、幾乎無瞬時性故障。

（2）不利于實現對經高電阻接地的保護，但對電纜供電的配電系統不存在架空導線可能發生的墜地與“樹閃”之類的高阻故障。

（3）單相接地故障電流大、接地點地電位升高幅度大，存在接觸電壓與跨步電壓觸電風險。

3 單相接地故障案例分析與電容電流實測

3.1 單相接地故障案例分析

某鋼鐵企業6～35 kV 配電系統每年均發生多次單相接地故障。接地故障發生后，接地選線裝置不能準確選線，需在生產工序配合下，結合部分小電流選線裝置的選線信號，由值班人員依靠拉合有關配出饋線的方法來尋找故障回路，故障處理時間較長，多次在發生單相接地故障幾分鐘內就出現配出開路過流保護跳閘事故。如10 kV 電纜配出開路送電后曾發生間歇性反復接地，該10 kV 配電系統自動消弧補償裝置的容量已不能滿足逐步增加的接地電容電流要求，發生單相接地后2～20 min 內，10 kV 電纜配出開路跨回路出現多次異相接地，形成相間短路，相繼導致多回路過流保護跳閘，引發電纜隧道火災，燒毀多回路電纜，迫使燒結、煉鐵工序全部停產，損失巨大。

作為比對，某鋼鐵企業自備電廠（300 MW 機組、6 kV）廠用電系統，由于采用了低電阻接地系統（接地電阻9.09 Ω、10 s，接地電流400 A），其6 kV 細碎煤機在2021 年1 月因轉子上風扇固定銷子脫落導致電機繞組端部絕緣輕微損傷，在啟動時發生接地零序過流保護，在0.33 s 時動作跳閘（接地過流零序保護定值整定為60 A、0.3 s）。經檢查該電機單相接地故障點損傷程度較小，微機保護裝置記錄保護跳閘時二次零序電壓僅13.2 V、零序電流一次值約129 A，對機組廠用電系統運行未造成任何影響。該案例充分驗證了低電阻接地系統的優點。

3.2 電容電流實測

配電系統電容電流大小與該系統的電壓等級、電纜截面積及電纜長度密切相關。在設計階段往往僅初步考慮了電源側變電站的電容電流，而負荷側的電容電流未一并考慮，因此造成配電系統的實際電容電流值超過規范要求的10 A，而配電系統中性點接地方式依然采用不接地或經消弧線圈接地方式，為后期的安全穩定運行埋下了隱患。

為掌握企業配電系統的實際電容電流，用電容電流測試儀對部分變電站中性點不接地的6～35 kV配電系統的電容電流進行測試。

（1）制氧空分系統：該系統為10 kV 中性點不接地系統，測試時該段由1臺變壓器供電，其總負荷電流為423.6 A，功率為6.9 MW，功率因數是0.90，電容電流為18.93 A。顯然其電容電流超過了不接地系統允許的規范限值要求。

（2）熱軋加熱爐與連鑄加熱爐系統：該系統為35 kV 中性點不接地供電系統，測試時總負荷電流為362 A，功率為2.7 MW，無功為-23.9 MVar，電容電流為16.21 A。

（3）新建投運的某110 kV 變電站10 kV 配電系統：該系統為中性點不接地系統，其中一段母線的電容電流測試為27.75 A，另一段母線電容電流為35.97 A。而變電站設計時僅考慮該新建站10 kV母線的電容電流不超8 A，故實際電容電流值不滿足國家相關規范對中性點不接地的技術要求。

通過以上配電系統電容電流實測，可知單臺變壓器供電系統的電容電流均超過規范要求，若考慮電源側母線段并列運行，其電容電流將更大。由于電網發展的變化，消弧線圈的補償容量已很難滿足工程最終規模的需要，以電纜配出為主的大型企業在6～10 kV 配電網發生單相接地故障時，原有的消弧線圈運行在過補償的條件已難以滿足，對于中性點不接地的配電系統在發生單相接地時容易發生電磁諧振，諧振過電壓對電纜配出系統的安全運行將帶來較大風險，可能造成設備燒毀炸裂等事故，因此，有必要將原中壓供配電系統中性點接地方式改為低電阻接地方式。

4 改造所涉及相關問題的分析

4.1 低電阻接地系統對一級、二級用電負荷的影響及對策

部分企業對配電系統改為中性點低電阻接地系統存在顧慮，原因是技術人員擔心配電系統中性點改為低電阻接地方式后，一旦發生配出回路單相接地故障，該配出回路的零序電流保護將快速動作，切除故障回路，導致該回路供電中斷，影響生產。

實際上配電系統改為低電阻接地系統后，當單相接地故障發生時，由沿著電源供電方向靠近故障點的零序電流保護動作，有選擇性地快速切除故障源，可避免事故進一步擴大，并且可以幫助運檢人員快速排查故障點，避免因單相接地產生的過電壓及接地點故障電容電流對設備絕緣的進一步破壞，整體上更加安全和經濟。

此外，廠內重要負荷一般均有兩個及以上獨立電源作為工作電源，配電系統主接線基本為單母線分段接線，重要的電機負載一般均有備用或其它安保措施，其中一路電源或負荷發生單相接地故障跳閘對生產影響是有限的，對重要負荷的電源系統，若配置電源快速切換裝置，可大幅提升安全運行水平。目前新建大型鋼鐵企業配電系統及電廠廠用電系統通常都采用了低電阻接地系統，多年的運行效果也證明了低電阻接地系統對用電負荷安全及供電可靠性沒有顯著影響，對供電系統的故障查找、故障處理、配電系統安全運行更為有利。

4.2 低電阻接地系統對繼電保護的要求

目前企業新建或改造的配電系統項目均采用微機型綜合保護裝置，具有接地零序電流保護功能。對于以前采用電磁式保護及沒有配備接地零序電流保護功能的老舊微機保護裝置則需要進行改造更換，且應配置專用的接地零序電流互感器。對于每相并聯有多根電纜的配出開路，若沒有特別定制的零序電流互感器，則需配置多個零序電流互感器，其二次回路應按相同極性并聯后，引出接到微機保護裝置的零序保護回路上。此處應特別注意，不能將多個零序電流互感器二次串聯，一些企業將每相并聯有多根電纜的多個零序互感器二次串聯接入保護，造成了并列倒閘操作時零序保護誤動。［2］

接地零序保護的定值整定應滿足《廠用電繼電保護整定計算導則》（DL∕T 1502—2016）及《3 kV～110 kV 電網繼電保護裝置運行整定規程》（DL∕T 584—2017）中的相關要求。

對于直接電動機配出回路，其接地零序電流保護定值應躲過正常啟動時最大不平衡電流，并具有5～6 的靈敏系數，其動作時間可按0.10～0.20 s整定。

對于負荷的電源供電回路，接地零序保護定值宜具有4～5的靈敏系數，且應可靠躲過負荷的最大不平衡電流，其動作時限應滿足上下級之間的配合關系，時差按0.25～0.30 s 整定。《3 kV～110 kV 電網繼電保護裝置運行整定規程》（DL∕T 584—2017）中建議10～35 kV 低電阻接地系統中接地電阻宜為5～30 Ω，單相接地故障時零序電流以1 000 A 左右為宜。但考慮到6～35 kV 配電系統單相接地時零序電流保護的靈敏度、過電壓倍數等因素，建議在6～10 kV 配電系統中，宜將單相接地故障電流限制在300～500 A，一般以400 A 為宜；35 kV配電系統單相接地故障電流宜限制在400～600 A。此外，對于中性點低電阻接地系統的35 kV母線系統，在滿足系統穩定的前提下，一般不宜再配置35 kV母線保護。

4.3 直接接有小容量發電機組的接地保護配置

鋼鐵企業6～10 kV 配電系統中，往往有直接并入的小容量發電機組（如TRT 機組與余熱余汽發電機組等）。發電機中性點采用不接地或經消弧線圈接地方式時，當發電機內部發生單相接地故障，接地電流數值如小于發電機的允許值，則發電機可以繼續運行一段時間，否則應及時停機。

在配電系統改造為低電阻接地系統后，單相接地故障電流可能會對發電機的定子與鐵芯造成不同程度的損傷，因此，需對這些小容量發電機配置接地零序電流保護，以實現單相接地故障時快速跳閘（0.3～0.5 s）。

4.4 對運行方式的要求

按《3 kV～110 kV 電網繼電保護裝置運行整定規程》（DL∕T 584—2017），低電阻配電系統運行主要考慮以下原則：

（1）低電阻接地系統必須且只能有一個中性點接地運行，當接地變壓器或中性點電阻失去時，發生接地故障，供電變壓器的同級斷路器應斷開。

（2）在改造過渡期間，低電阻接地系統所有配出回路的接地零序電流保護均投跳閘。若不接地系統與低電阻接地系統進行電源切換時，應增設電源快速切換裝置，實現兩個不同接地系統的快速切換（并列時間小于0.2 s），杜絕采用傳統的手動操作電源并列切換模式，以免兩個不同中性點接地系統在手動并列切換時，發生單相接地故障。

4.5 低電阻接地系統改造配合問題

鋼鐵企業供配電系統中性點低電阻接地方式改造涉及多個配電所，工作量較大且需相應生產線設備停運配合。改造應先將某供電系統內所有配出負荷的接地零序電流接入微機保護，完成定值設置與調試，確認各級變配電所接地網的接地電阻滿足要求后，再開始接地變壓器及其接地變保護系統的改造。因改造需涉及生產各工序協調配合停電，預計全部改造工作需要耗時1年左右。

5 結語

通過分析單相接地故障案例并現場實測供配電系統的電容電流，證實了大型鋼鐵企業供配電系統中性點不接地或經消弧線圈接地方式不僅不能滿足國家相關規范要求，影響供配電系統安全可靠運行，而且也不能滿足對變電站所實施集中監控或無人、少人化值守的要求。因此，在大型鋼鐵企業6～35 kV 供配電系統中采用中性點低電阻接地系統應是優先選擇。