10kV变电所低压侧环形接地线截面选择探讨

2019-09-06雷海霞

福建建筑 2019年8期

雷海霞

(福建省建筑设计研究院有限公司福建福州 350001)

0 引言

在10kV变电所设计中,低压侧环形接地线的选择，多数参照国家标准图集《10/0.4kV配电室设备构件》及《防雷与接地》D503-D505[4]中低压系统接地章节中的解决方案确定。比如，《防雷与接地》D503-D505中14D504,63页，“本图接地干线由沿墙敷设-40×4镀锌扁钢”，但该图集并未给出 “接地线截面根据设计决定”这样的提示语。所以，工程中环形接地线几乎都是40×4扁钢的“普遍做法”，而比较少根据《交流接地装置设计规范》中针对接地线可能承担不同角色而加以判定。基此，该“普遍做法”在一些比较特殊的情况(变压器低压出线始端发生单相接地短路)下是否合理，是否具有普遍合理性，则值得质疑。

鉴于此，本文立足变电所变压器中性点在不同的接地方式下环形接地线作用，分析国家标准图集以及实际工程中环形接地线“普遍做法”的潜在问题，通过在变压器低压起始端发生单相接地故障时短路电流的计算及环形接地线截面验算，提出针对“普遍做法”的优化方案。

1 环形接地线的作用

1.1 环形接地线的作用与低压侧系统接地形式有关

目前，变电所设计中，变压器低压侧的接线方式常规有两种，一种是中性点直接接地，另一种是由变压器中性点引出的PEN干线(绝缘)在低压柜内与PE母排联结实现接地，其示意图分别如图1～图2所示(注：图1～图2的做法如果在多电源系统中，也是行业讨论比较热门的“多点接地”“一点接地”)

图1 变压器中性点直接接地

图2 变压器中性点引出的PEN干线(绝缘)在低压柜内与PE母排联结并实现接地

1.2 不同接地形式下，环形接地线作用

1.2.1图1中环形接地线作用

由图3可知，该环形接地线主要起保护联结用，不承受预期故障接地电流[5]。

图3 单相接地故障电流路径示意图一

1.2.2图2中环形接地线作用

由图4可知，该环形接地线在变压器低压出线始端发生单相接地短路时,接地故障电流从变压器相线始端经环形接地线、低压柜内PEN排，流回变压器中性点，形成一个完整的故障电流回路。从这个故障电流回路可知，环形接地线扮演接地干线的角色，属于保护接地导体(PE)，承受接地故障电流[5]。

图4 单相接地故障电流路径示意图二

2 环形接地线截面选择

2.1 图1中环形接地线截面选择

根据图3中环形接地线的作用(保护联结)，主要考虑因素为联结导体的防腐、防机械损伤。根据《交流电气装置的接地设计规范》(GB/T50065-2011)中第8.3.1条规定：作为总等电位联接的保护联接导体和按本规范第8.1.4条的规定接到总接地端子的保护联结导体，其截面积不应小于下列数值：

铜为6mm2；

镀铜钢为25mm2；

铝为16mm2；

钢为50mm2。

综上可知，图3中性点直接接地的情况下，环形接地线采用的40×4镀锌扁钢可满足要求，其截面选择可不考虑变压器容量、预期单相接地故障电流大小的影响。

2.2 图4中环形接地线截面选择

从图4可知，图2中的环形接地线在特殊接地故障状态下承受接地故障电流。根据《交流电气装置的接地设计规范》(GB/T50065-2011)，第8.2.1条规定：每根PE的截面应符合现行国家标准《建筑物电气装置第4-41部分：安全防护-电击防护》(GB16895.21-2004)的第411.1条规定，并应能承受预期的故障电流。图集中40×4扁钢的统一做法，并没有给出该部分的截面选择需要工程设计分析确定，那么40×4扁钢对不同的系统容量、变压器是否都能满足呢？曾有同行对这种特殊接地故障情况作了可能性结论，大概意思是扁钢的阻抗大于铜排，接地故障回路中一段扁钢的的接入，预期短路电流会降低，可能也满足要求。对此，笔者以为这种假设缺乏必要性的数据论证。基于此，本文计算该单相接地故障下电流值，以索求验证。

3 预期故障电流计算

3.1 计算基础条件确定

(1)系统短路容量：500MVA

一般工程中，10kV系统短路容量不超过500MVA，为便于说明问题，本计算中，系统短路容量按500MVA考虑。

(2)干式变压器：SCB11-DYn11

民用建筑中，考虑到建筑设备的能效标准以及电气节能，工程中通常选用的变压器为低损耗、低噪音的节能产品，本计算中选用SCB11，接线方式为DYn11的干式变压器。

(3)低压出线母线长度：不考虑

考虑接地故障点发生在变压器低压侧母线的始端处，低压铜母线长度不计入。

(4)环形接地线：5m

根据变电所单台变压器的平面布置，变压器接外壳接地点至变压器中性点的环形长度取平均距离5m。

(5)PE导体至相导体的几何均距D0∶3.5m

根据《工业与民用供配电设计手册》第四版，以下简称“配四”公式4.6-43确定D0值[1]。

3.2 计算模型及等效电路

根据图4得出如下计算模型图(图5)。

图5 计算模型及等效电路

3.3 计算公式及说明

(1)10kV高压系统、变压器、线路相保阻抗计算公式见“配四”中P308页[1]，计算公式如下：

单相接地短路电路中任意元件的相保阻抗Zph·p计算公式为：

(1)

R(0)=R(0)ph+3R(0)p

X(0)=X(0)ph+3X(0)p

式中，Rphp—— 相保电阻，Ω；

Xphp—— 相保电抗，Ω；

R(1)，X(1)——高压系统，变压器及线路的正序电阻和正序电抗，Ω；

R(2)，X(2)——负序电阻和负序电抗，Ω；

R(0)，X(0)——零序电阻和零序电抗，Ω；

R(0)ph，X(0)ph——相导体的零序电阻和零序电抗，Ω；

R(0)p，X(0)p——PE导体的零序电阻和零序电抗，Ω。

根据上述计算公式，线路相保阻抗可分为两个部分：相线阻抗+PE线阻抗，其中PE线阻抗为零序阻抗(R(0)p,X(0)p)；根据计算模型及等效电路，线路部分中的相线低压母排长度不考虑，故母排相线阻抗不考虑，主要计算PE线零序阻抗。

(2)PE扁钢零序阻抗计算：根据《工业与民用供配电设计手册》第四版P308～P310页中，关于扁钢零序阻抗分为两部分(钢导体的零序电阻+钢导体的零序电抗)，零序电抗又分为零序内感抗、零序外感抗，其中零序电阻和零序内感抗的计算中均需要一个基础数据(钢导体的磁饱和系数β)，磁饱和系数的计算需明确钢导体相对磁导率μ，查配四手册中的图4.6-11(μ=f(H)曲线),结合变电所的预期短路电流值，发生接地故障时预期磁场强度值远超该曲线图能查的数值，故不能得到确切的数值进行精确计算。为能让计算结果说明在图4中选择40×4扁钢的普遍做法是否具有普遍合理性的假设，其扁钢的阻抗值可以取稍大值替代，以验证在计算结果稍小于实际短路电流值情况下PE(40×4)截面的选择情况。

(3)扁钢的零序电阻、零序内感抗根据图6取值。零序外感抗根据表1取值(1)图6、表1引自“配四”P310。

表1 扁钢作为PE导体时的零序外感抗X(0)p·wmΩ/m

扁钢规格a×b(mm×mm)扁钢至相导体的几何均距D0(mm)300600150025003500450060025×40.2400.2840.3420.3740.3950.4110.42940×40.2140.2580.3150.3480.3690.3840.402

图6 扁钢及圆钢的交流电阻R、零序内感抗X(0)p·n与通过电流的关系曲线

(4)分析图6可知，对于40×4扁钢，随着预期接地故障电流值的增大，其零序内感抗和零序电阻值是递减的，但其幅度逐步缩小。为便于说明结果，根据该工程的预期短路电流值(表2)，零序电阻(R(0)p)、零序内感抗(X(0)p·n)按相对大值选取，R(0)p=0.8mΩ/m，X(0)p·n=0.9 mΩ/m (按预期电流2800A选定)；表一中关于钢导体的阻抗计算中，零序电阻的电阻率已取钢导体工作温度为40℃时的电阻率(详见配四式4.6-47～48)，故不需要再根据“在计算单相短路电流时，假设的计算温度升高，电阻值增大，其值一般为20℃时的1.5倍”调整温度系数。

(5)分析表2可知，对于40×4扁钢，零序外感抗值主要取决于PE导体与相导体的几何间距，文中几何间距D0=3.5m，根据表二，零序外感抗X(0)p·w=0.37mΩ/m；

(6)综上，PE导体长度5m，故PE线的计算零序电阻R(0)p=4mΩ，零序电抗X(0)p=X(0)p·n+X(0)p·w=6.35mΩ。

(7)单相接地故障电流：

根据“配四”公式6-1-55，TN接地系统的低压网络单相接地故障电流Ik1的计算公式为：

(4)

Zphp=Zphp·Q+Zphp·T+Zphp·L

(5)

Zphp：接地故障回路相保阻抗计算值mΩ；

Zphp·Q：10kV高压系统相保阻抗计算值mΩ；

Zphp·T：变压器相保阻抗计算值mΩ；

Zphp·L：线路相保阻抗计算值mΩ；

Ik1：单相接地故障电流kA。

3.4 计算结果

(1)10kV高压系统、变压器相保阻抗计算详见表3。

表2 工程预期短路电流值

注：该表计算值引自配四表4.3.5

(2)计算回路接地故障点的相保阻抗

根据公式(5)，接地故障回路的相保阻抗等于表2(系统+变压器)计算值+线路相保阻抗。根据故障点位置，线路阻抗主要为(PE导体)的零序阻抗，其计算值为：零序电阻R(0)p=4mΩ，零序电抗X(0)p=6.3mΩ，接地故障回路的相保阻抗及短路值详表3所示。

表3 短路点(K1) 单相接地故障电流值

3.5 PE导体截面复核

(1)根据《交流电气装置的接地设计规范》(GB/T50065-2011)第8.2.1条第2点规定,切断时间超过5s，PE的截面积不应小于式(6)要求：

(6)

式中：S——截面积(mm2)

I——通过保护电器的阻抗可忽略的故障产生的预期故障电流有效值(A);

t——保护电器自动切断时的动作时间(s);

k——由PE、绝缘和其他部分的材料以及初始和最终温度决定的系数，按本规范附录G的规定取值。

本文中t保护电气自动切断时的动作时间，取t=0.5s，(根据故障点位置，保护动作应该为10kV系统的高压综保，保护装置的动作时限一般为0.3～0.5s，为保障可靠性，t取0.5s)。

k值，根据《交流电气装置的接地设计规范》GB/T50065-2011中附录G中关于k值的计算说明，引用《GB16895.3-2004/IEC60364-5-64 建筑物电气装置第5-54部分[3]：电气设备的选择和安装接地装置、保护导体、和保护联结导体》附录A中的表A.54.6,正常环境下，钢导体取k=58。

(2)经复核，结果如表4所示。

表4 PE最小截面复核表

3.6 计算结果说明、分析

(1)由于40×4接地扁钢的零序阻抗计算中，零序电阻及内感抗采用了较大值作替代计算，其实际接地故障电流应大于本文计算值，但在其小于实际值的情况下，一些大容量变压器(大于1000kVA)供电时，其截面复核已经不能通过，实际情况是在小于1000kVA时便可能出现不满足的情况。

(2)在图4的接地故障回路中，由于40×4扁钢的接入，对比分析表2～表3结果可知，单相接地故障电流有较大下降。结合表1(不同电流与扁钢的零序电阻和内感抗的关系)，降低故障电流的主要因素为接地线的长度增加而引起的阻抗增大，从而降低接地故障电流。该长度与变压器中性点的接地位置及变压器外壳接地点位置均有关。

(3)40×4扁钢作为环形接地线只有在小容量变压器，(根据国家标准图集《建筑电气常用数据，表4.4变压器低压侧出线选择》)，不大于400kVA变压器中性点接地材料采用40×4扁钢时，该环形接地线可不受接地形式的影响。

(4)图4中，当发生单相接地故障时，其故障回路由一段40×4扁钢+PEN母排两种不同材质、阻抗、热稳定的材料组成，并且发生导体截面改变的情况，本身的可靠性也欠缺。

综上，在该接地形式下，40×4扁钢作为环形接地线的统一做法不具有普遍合理性，其截面选择受预期接地故障电流影响，设计中应根据工程实际情况加以判定选择。

4 方案优化

在图2以及国家标准图集《防雷与接地》D503-D505，P68页中的方案2图示中，由于接地扁钢串入了单相接地故障回路，成为短路电流的主要通路，所以设计中需要计算预期接地故障电流。而从上文可知，现有工程设计资料获得精确的短路电流值不太方便且比较繁琐，给设计选择、判定带来了不便，基此，笔者提供几个解决思路，抛砖引玉。

方案一：环形接地扁钢还是让其承当等电位保护联结功能，不承受预期接地故障电流。做法：延伸低压柜内PE母排，并与变压器外壳联结，当发生接单相接地故障时，改变故障电流通路，如图7所示。