汽车厂区高、中压供配电系统的 中性点接地设计

董昕鹏, 李云鹏

(1.北京市工业设计研究院, 北京 100055;2.吉安集团有限公司, 浙江 嘉兴 314304)

0 引 言

电气引发的火灾占总数的1/3以上,电气短路是导致电气火灾最主要的原因,约占电气火灾总数的40%以上。在这些电气事故中,部分原因归结于不合理的系统工作接地设计[1]。

汽车工业厂区(汽车工程)中有大量的电气设备,需要采取相应的电气接地措施,将系统、装置或设备的给定点与局部地之间做好良好的电气连接。本文结合某具体工程,针对110 kV、10 kV电压等级的主要电气装置,探讨汽车厂区高、中压配电系统的中性点接地设计。

1 中性点接地的概念与方式

1.1 中性点接地的概念

人为将电力系统中性点通过接地装置与大地之间进行的电气连接,称为中性点接地,属于工作接地。工作接地是为了保障电气装置在正常或故障时能够可靠工作而采取的接地,称为工作接地,一般通过装置的中性点来实现。这种接地是一种功能性接地。

1.2 中性点接地方式

根据系统中性点与局部地之间采用的电气技术手段(中性点与地之间的物理关系),划分为下述类型:中性点有效接地方式,采用这种接地方式的系统也称为大电流接地系统,系统的中性点直接接地或经低阻抗(采用低值电抗器)接地;中性点非有效接地方式,采用这种接地方式的系统为小电流接地系统,具体的接地方式有中性点不接地方式、中性点低电阻接地方式、中性点高电阻接地方式、中性点谐振接地方式。

上述接地方式是针对功能性接地中的工作接地。

保护性接地是直接接地,如系统的外露可导电部分通过接地装置与地直接相连接,获得零电位或建立局部等电位。

2 高压(110 kV)系统的中性点接地

某整车生产企业的年生产能力为15万辆乘用车。全厂由四个主工艺生产车间、辅助车间、试车跑道、存车区和生活区等组成。在这些区域有大量的不同电压等级的电气设备运行。设有一座110/10 kV总降压变电所,属于一般变电所(非枢纽变电所),其110 kV侧为单母线接线,10 kV侧采用单母线分段接线,设有两台同规格的主变压器[2-3]。

2.1 110 kV输电线路接地形式

总降压变电所的电源来自于地区110 kV电网,其中性点接地方式为直接接地。这种接地方式的特点是:在发生单相短路时,短路电源较大,线路或设备需立即切除,虽然降低供电连续性,但因其过电压较低,可降低绝缘水平,减少设备投资和建设成本。

输电线路的敷设方式为架空线,设有避雷线。每基杆塔不连避雷线的工频接地电阻,在雷季干燥时不宜超过20 Ω。

2.2 110/10 kV主变压器中性点的接地

2.2.1 110 kV侧

该工程总降压变电所主变压器的具体规格为:双绕组有载调压,油浸,变比为110±8×1.25%/10.5 kV,绕组结线方式为YNd11,Uk%=10.5。按国家电力部门规定,电网中性点接地方式为直接接地,因此主变压器的110 kV侧绕组为Y形接法,采用中性点直接接地方式,具体实施的设备为中性点综合接地装置。该装置由水平开启式隔离开关、氧化锌避雷器、中性点间隙组合设备、中性点间隙电流互感器等组成。主变压器中性点综合接地装置主要参数如表1所示。主变压器中性点综合接地装置一次接线如图1所示。

图1 主变压器中性点综合接地装置一次接线

序号装置主要参数备注1 氧化锌避雷器 额定电压72 kV,标称放电电流1.5 kA,1.5 kV雷电冲击电流残压186 kV,爬电距离1 813 mm 附在线监测器1只2 中性点间隙组合设备 间隙额定电压(有效值)63 kV,系统额定电压(有效值)110 kV,间隙电极距离可调范围90～135 mm —3 中性点间隙电流互感器 额定电流比100/5 A,二次绕组容量20 VA,准确级次组合10P20 —

2.2.2 10 kV侧

主变压器二次侧为三角形接法,无中性点,不接地。

3 中压(10 kV)系统接地

该工程的中压系统电压等级为10 kV,系统范围包括总降变电站10 kV系统、车间变电所10 kV系统、10 kV用电设备[4-7]。

3.1 中性点接地方式的选择

单相接地短路故障占到电气短路故障的70%～80%,并且绝大多数相间故障都是由单相接地故障引起的。接地故障与中性点接地方式紧密相联,即使故障条件相同,但中性点接地方式不同,表现出的故障特点、后果完全不同,采取的保护措施也不相同。

3.1.1 不同接地形式的10 kV配电系统的单相接地短路故障特点

(1) 10 kV有效接地系统。

① 中性点直接接地方式。该系统中单相接地故障发生后,接地点通过中性点与大地、相导线形成电气通路,故障相会有较大值的短路电流流过,断路器须立即跳闸切除故障回路。

② 中性点经低阻抗接地方式。变压器的中性点经低阻抗值的小电抗器接地系统,在单相接地故障发生后,故障相会有较大值的短路电流流过,此时断路器跳闸切除故障回路。与其他接地方式相比,中性点的过电压会大幅下降,不再出现高达相电压的过电压,系统的单相短路电流值得到降低,不再出现失地现象,能够有效降低变压器中性点的绝缘水平。在实践中,多用于220 kV及以上系统变压器的中性点接地。

(2) 10 kV非有效接地系统。

② 中性点经小电阻接地方式。在实际工程中,一些城市(如北京)的10 kV配电网采用电缆埋地敷设方式,系统单相接地故障电流远超过10 A,接地电容电流过大,难以补偿。设于系统中性点与大地之间的小电阻,在发生单相接地故障时能限制故障电流和故障后过电压的大小。由于故障电流仍较大,需要断路器迅速动作切除故障线路而中断供电。

③ 谐振接地方式。对于中性点不接地系统,由于线路分布电容的存在,有数值不大的电容性电流在导线和大地间流通,该电流在故障点以电弧形式存在。当电容电流较大(如大长度的10 kV电缆系统)时,电弧高温会烧毁设备,引起火灾,不稳定的电弧燃烧还会引起弧光过电压,造成相间故障,导致断路器跳闸,中断供电。

为消除上述故障,系统中接入消弧线圈,经接地变压器接地。正常时接于系统与大地之间的线圈中无电流通过,该线圈不起作用;接地故障发生时,中性点出现零序电压,将有感性电流通过消弧线圈进入发生接地故障的电力系统,抵消在接地点的容性接地电流,接地点的电弧电流被消除或只有很小的容性电流,能够消除或减轻电弧电流的危害。

④ 经高电阻接地系统。在单相接地电流电容电流较小(小于10 A)时,为减少故障点的电位梯度、阻尼谐振过电压,在中性点接入高电阻,电阻值一般大于500 Ω。

在大型发电机组、部分中压配电系统、电厂用电系统故障电容电流较小时,为限制单相接地故障电流,以防止谐振、间隙性电弧接地过电压等对设备的损害,可采用高电阻接地方式。这样在系统发生单相接地时可以继续运行2 h,在该段时间内故障接地可不跳闸。这与小电阻接地运行方式有着根本不同。

3.1.2 中性点接地方式的选择

选择中性点的接地方式主要需考虑供电可靠性(可否在某相发生接地短路故障时,系统继续运行)和限制过电压。

电力部门行业运行标准要求:对中性点有效接地系统,应迅速切断接地短路故障(切断供电);对中性点不接地系统,应能迅速反应接地故障的信号,也可装设延时自动切除故障的装置(允许发生故障后继续供电一段时间,一般为2 h,期间查找、排除故障)。结合上述要求和不同形式的中性点接地系统发生接地故障时特点,对中性点接地方式的选择如下。

(1) 10 kV和20 kV中压配电网,当单相接地电容电流不超过10 A时,应采用不接地方式;当为在小接地电容电流时,抑制单相接地暂态过电压,防止产生弧光接地过电压,应采用经高电阻接地的方式。

(2) 当单相接地电容电流超过10 A而小于150 A时,宜采用经消弧线圈接地方式,接地电流宜控制在10 A以内。对于不直接连接发电机,由钢筋混凝土杆或金属塔杆构成的6～20 kV系统以及由电缆线路构成的6～20 kV系统,单相接地故障电流大于10 A,且需在接地故障条件运行时,应采用中性点谐振接地方式。

(3) 当单相接地电流超过150 A或为全电缆网时,宜采用低电阻接地方式,其接地电阻宜按单相接地电流200～1 000 A、接地故障瞬时跳闸方式选择。

3.2 总降压变电所10 kV系统的中性点接地方式

总降压变电所将供电电源经主变压器降压后,通过10 kV配电系统(即10 kV母线中压中置柜系统)为厂区各子项工程及10 kV用电设备供电,是厂区的配电枢纽中心。因此,正确选择该系统的接地方式,以保障厂区供电的连续性、可靠性,确保厂区生产的长期正常运行。

3.2.1 线路单相接地电容电流的计算

厂区内的10 kV配电线路有直埋电缆、电缆桥架两种敷设形式,其中在室外部分采用埋地敷设方式,在室内采用电缆桥架方式。

厂区10 kV配电线路如表2所示。

表2 厂区10 kV配电线路

10 kV电缆线路的单相电容电流计算公式

IC=[(95+1.44S)/(2 200+0.23S)]UrL

(1)

式中:S——电缆芯线的标称截面,mm2;

Ur——线路额定线电压,kV;

L——线路长度,km;

IC——接地电容电流,A。

因此,总降压变电站Ⅰ段、Ⅱ段10 kV母线侧的单相接地电容电流值分别为40.80 A、40.68 A。

根据上述计算结果,并结合主变压器的绕组接线方式,采用消弧线圈接地方式,设消弧线圈和接地变压器。

3.2.2 消弧线圈补偿容量的计算

消弧线圈的补偿容量按下式计算:

Q=0.577KICUn

(2)

式中:IC——接地电容电流,A;

Un——线路标称电压,kV;

K——系数,过补偿取1.35;

Q——消弧线圈的补偿容量,kVA。

因此,可求得总降压变电站Ⅰ段、Ⅱ段10 kV母线侧的消弧线圈的补偿容量分别为373 kVA、372 kVA,确定选择的消弧线圈的设备容量均为400 kVA。

根据上述计算结果,并结合主变压器情况,采用Z形接线的三相接地变压器2台,分别接在总降压变电站Ⅰ段、Ⅱ段10 kV母线侧,接地变压器的容量均为400 kVA。

3.3 各车间变电所10 kV系统的中性点接地方式

各车间变电所至相应10/0.38 kV变压器和10 kV用电设备均采用电缆桥架敷设方式,系统单相接地电容电流远小于10 A,因此采用中性点不接地方式,可保证供电的可靠性。

3.4 各车间10 kV用电设备的中性点接地方式

全厂仅在涂装车间设有2台10 kV用电设备,为制冷机,均为710 kW,其所在的制冷机间与涂装车间1号变电站毗邻。制冷机均为鼠笼型电机,其中性点不接地。

3.5 柴油发电站升压系统中性点接地设计

为了保障重要工艺设备(如电泳设备、输调漆设备)及消防负荷的用电需求,该工程设有1个柴油发电站,站内设有1台博威BW1000型柴油发电机组(常用功率为728 kW),输出电源电压为0.40/0.23 kV。电源经10/0.4 kV变压器升压后,输送到总降变电站10 kV应急母线段。

该站设有1台干式变压器(1 000 kVA),规格为SG(B)-10/0.4 kV,绕组接线方式为Dyn11。变压器一次侧为低压侧,其中性点直接接地,接地电阻≤1 Ω;二次侧为高压侧,不接地。

4 谐波源对中性点接地的影响及治理

焊装车间设有大量的电焊机,含中频逆变三相焊机,是典型的谐波源设备,在电网中产生大量的3次、5次、7次谐波,污染电源质量,给电力系统的正常运行带来危害。三相中频逆变焊机谐波电流如表3所示。

表3 三相中频逆变焊机谐波电流

在配电系统(10/0.4 kV)中谐波污染严重,并且由于电缆线路对地电容较大(线路长且埋地敷设),10 kV系统中单相接地电容电流中含有较高的谐波成分(总畸变率超过20%),而消弧线圈并不能补偿谐波接地电流(仅对单相工频接地电容电流有作用),造成以谐波为主的残流值超标,影响补偿效果。

在焊装车间变电所的低压侧对谐波进行治理,采用有源滤波的方式,设置有源滤波柜和低压无功功率自动补偿柜,使治理后的各级电压配电系统的各次谐波的总谐波畸变率限值小于3%,达到国家标准的要求,从而减少10 kV系统中单相接地电容电流中的谐波成分(总畸变率低于3%),保障消弧线圈装置的补偿效果。

5 结 语

结合总降压变电站、柴油发电机站、10 kV车间变电站等场所的供配电系统的中性点接地设计,介绍了汽车工业厂区的高、中压等级供配电系统的工作接地设计要点。建筑电气设计人员要正确进行供配电系统的接地设计,有效地保证用电设备(系统)可靠性,并保护人身和设备的安全,使电力系统长期、可靠、稳定运行。