IT接地系统单相接地故障后的情况分析

2021-04-13武攀

现代建筑电气 2021年3期

武攀

[同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司, 上海 200092]

0 引言

电源的接地制式主要有TN-C、TN-C-S、TN-S、TT、IT接地系统。在我国目前使用比较多的是TN-C-S、TN-S、TT接地系统。IT接地系统即中性点不接地或经高电阻接地系统,在我国并没有被广泛使用,目前主要被用在不间断供电要求较高和对接地故障电压有严格限制的场所,如应急电源装置、消防、矿井下电气装置、医院手术室以及有防火防爆要求的场所[1-3]。IT接地系统一般不建议引出中性线,主要是因为当发生单相接地故障而设备仍需继续运行,这时中性线和其余两正常相对地电压会升高,对人员的生命、线路的安全会带来更大的危险,IEC标准也强烈建议IT接地系统不引出中性线[4-6]。

本文主要分析IT接地系统在发生单相接地故障情况下的电压、电流变化,进而分析工程中35 kV变配电系统IT接地系统可以使用的情况,供读者参考。

1 单相接地故障时电压变化分析

一般,电压是指两点间的电位差,例如电压220 V是指相线与中性线的电位差,电压380 V是指三相线路上两相之间电位差。通常取大地电位为参考0电位,没有绝对电位,只有相对电位,如果一个电源系统中性点接地,中性点电位即为大地电位,即0电位,则某点与中性点的电位差是与大地的电位差,即对地电压。三相变压器Δ/Y联结如图1所示。

图1 三相变压器Δ/Y联结

三相变压器二次侧线圈内在的电压、电流其特性和发电机的特性相同,均存在几个固有的属性:

(1) 变压器二次侧线圈内在的三个相电压有效值始终相等,相位也始终彼此相差120°,这里的内在相电压是指相与变压器中心点的电位差,而不是与大地的电位差,即有效值UAN=UBN=UCN,相位角相差120°。

(2) 变压器二次侧线圈内在三个线电压有效值始终彼此相等,相位差始终相差120°,内在的线电压是指相与相之间的电位差。即有效值UAB=UBC=UCA,相位角相差120°。

(4) 三相变压器内在的线电压,相电压均不随负载的情况变化而变化,随负载情况变化的是外在的电流、电压和功率。即UAN、UBN、UCN、UAB、UBC、UCA是变压器固有的属性,不随负载的情况变化而变化。

正常工作情况下,三相变压器二次出线侧电压示意如图2所示。

图2 三相变压器二次出线侧电压示意

当发生单相接地故障时,假设二次侧A相线路与设备外壳或者大地发生单相接地故障,由于IT系统电源侧中性点没有接地,单相接地故障电流没有通过大地返回到变压器中性点的回路,此时A相的故障点电位非常小,基本降为与大地电位同等,接地故障电流非常小,故障点电压小于安全电压50 V,人员没有生命危险。

假设三相变压器二次侧线电压为380 V,相电压为220 V。当发生A相接地故障时,对地电位为0,由于UAN没有发生变化,N点相对地电位相应提高到220 V,同时由于UBN=UCN没有变化,此时B相、C相对N点电位仍为220 V,对地电位则提高到380 V。UAB=UBC=UCA=380 V,即A相故障点对地电位为0,B相、C相对地电位为380 V。

因此,当A相发生单相接地故障短路时,B相、C相对N点没有变化,但对地电压升高,且对地相角发生变化,A相发生接地故障示意图如图3所示。

图3 A相发生接地故障示意图

其他两相对地电压升高到380 V,但由于变压器内在三相相电压、线电压,相位角均未发生变化,所以设备仍可以继续运行,从而保证设备运行的连续性和可靠性,但需通过报警装置及时发现故障点,排除故障,避免二次故障时造成设备的损坏以及人员的危险。

2 单相接地故障时电流变化分析

IT接地系统正常工作情况下,必然存在着相线与大地之间的电容电流。当三相电容电流平衡时,IT接地系统示意如图4所示,电容电流相量和为0,即IA+IB+IC相量和为0。

图4 IT接地系统示意

当IT接地系统发生A相接地故障时,根据电压分析,B相、C相对地电压发生变化,B相、C相对地电压升为380 V,即有效值UAB=UAC=380 V,此时B相、C相对地电容电流也发生变化,且由于B相、C相对地电容电流通过A相接地故障点流回A相线路,三相电容电流原有平衡被打破了,形成新的三相平衡,I′A+I′B+I′C=0。A相发生接地故障电流流向示意如图5所示。

图5 A相发生接地故障电流流向示意

图6 A相发生单相故障相位角示意

3 35 kV配电采用IT接地系统的情况分析

根据我国相关规范规定,对于IT接地系统,即中性点不接地方式,当单相接地故障时电容电流不超过10 A的下列电力系统可采用不接地系统:所有的35、66 kV系统;不直接连接发电机的6～20 kV系统。

根据《工业与民用配电设计手册》表4.6-10,35 kV变电站电力设备增加的电容电流百分数为13%,因此I′A=3IA(1+13%)=3ωCU×1.13,其中ω为角频率,C为每相对地分布电容,U为相电压,取5.77 kV(10 kV高压系统),Cp为每相对地每千米分布电容。10 kV高压电缆单相接地故障,电容电流I′A为10 A时线缆长度如表1所示,其中I′A=3ωkCpU×1.13=10 A。

表1 10 kV高压电缆单相接地故障,电容电流I′A为10 A时线缆长度

表1中电缆采用交联聚乙烯绝缘时的电容电流计算。当10 kV电缆采用其他绝缘类型时,单相电缆电容值为

C=2πεrε0/(lnr2/r1)

(1)

式中:r1——电缆芯线半径;

r2——电缆外皮内半径;

εr——电缆绝缘材料相对介电常数,一般取3;

ε0——空气介电常数,取8.84×10-6。

根据式(1),从而计算出单相接地故障电容电流。

因此,当10 kV高压配电电缆长度不超过上表对应数值时,35 kV配电系统可以采用IT接地系统。

4 单相接地故障下不同接地系统的情况分析

对于IT接地系统,当发生单相接地故障时,三相变压器二次侧内在相间电压并没有被破坏,设备仍可以继续运行,保证设备运行的可靠性,故障点对地电位接近于零,保障人员的安全性;同时由于单相接地电容电流很小,也不会形成稳定的接地电弧,故障点电弧可以迅速自熄,防止火灾发生;对临近通信线路干扰也小。因此,IT接地系统的正确使用具有很多优点。缺点是发生单相接地故障时会产生弧光重燃过电压,这种过电压最高会达到线电压的3.5倍。这种过电压现象会造成电气设备的绝缘损坏或开关柜绝缘子闪络、电缆绝缘击穿,所以对整个系统绝缘水平要求较高。当系统采用IT接地系统时,需注意以下系统设备的绝缘等级及配合:系统相关的变压器、配电电缆、相关开关柜、高压开关设备以及避雷器等。

部分高压设备绝缘等级如表2所示。

表2 部分高压设备绝缘等级

具体工程中,对于IT接地系统,除了提高系统的绝缘等级,还需做好绝缘监测措施。当发生第一次单相接地故障时,可以继续运行一段时间而不切断电源,同时及时报警引起工作人员的注意,从而通过查找故障点排除接地故障。如没有排除掉,当发生第二次单相接地故障时,可能产生相间短路(通过大地或者共用接地线),故障点电压已经超过安全电压,需即刻切除故障线路,以保证人员和线路的安全。

当计算单相故障电容电流I′A>10 A时,又需要在接地故障情况下运行,可采用中性点谐振接地方式,通过中性点设置消弧线圈,来补偿单相接地故障时电容电流,使接地点电弧容易熄灭,减少间歇性电弧的产生,抑制弧光接地过电压。变压器中性点经消弧线圈接地如图7所示。使用消弧线圈时可使系统带接地故障运行2 h以下,以提高供电的可靠性。但需注意宜采用具有自动跟踪补偿功能的消弧装置,系统接地故障残余电流不应大于10 A,且对不能自动调节的消弧线圈应运行在过补偿状态下。