某改造项目中35 kV变电站的中性点接地方式的选择
2021-10-27魏旗
魏 旗
(中国建材国际工程集团有限公司，上海 200063)
选择电力网中性点接地方式是一个综合性问题，它与电压等级、单相接地故障电流、过电压水平、保护配置均有关系。通过一个工程案例，经过计算来分析该工程35 kV变电站的中性点接地方式的选择以及该项目存在的故障的原因，说明了弧光接地隐患对电网的危害以及解决方法。
1 工程现状
该改造项目已于2021年建成投运，现有2台10 000 kVA的三相三绕组变压器，连接组别为YNd11，35 kV系统为单母线分段，现有出线4回，10 kV系统为单母线分段，现有出线16回。35 kV系统和10 kV系统均采用中性点不接地的方式，电气主接线示意图如图1所示。
2 中性点接地方式的选择
《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》(GB/T 50064—2014)中规定[1]：35 kV、66 kV系统和不直接连接发电机、由钢筋混凝土杆或金属杆塔的架空线路构成的6～20 kV系统，当单相接地故障电容电流不大于10 A时，可采用中性点不接地方式；当大于10 A又需在接地故障条件下运行时，应采用中性点谐振接地方式。
不直接连接发电机、由电缆线路构成的6～20 kV系统，当单相接地故障电容电流不大于10 A时，可采用中性点不接地方式；当大于10 A又需在接地故障条件下运行时，宜采用中性点谐振接地方式。
《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》(GB/T 50064—2014)的条文说明中给出了单相接地电流小于10 A情况下的10 kV、35 kV系统中性点不接地方式的选择依据，即：《6～10 kV电缆单相接地间歇性电弧电流下限的试验研究》，西北电力技术，1991年4月第2期。该项试验是在1∶1的模拟系统上进行的，用于试验研究的三种三芯电缆是3 mm×240 mm的10 kV油纸绝缘电缆、3 mm×70 mm的6 kV全塑绝缘电缆和3 mm×95 mm的6 kV交联聚乙烯绝缘电缆。研究结果表明这三种电缆的单相接地电流熄弧下限与绝缘型式密切相关：对全塑绝缘电缆单相接地电流不大于20 A，对油纸绝缘电缆不大于15 A，对交联聚乙烯绝缘电缆不大于10 A时电弧可以熄灭。为安全计，最终给出统一的熄弧电流10 A的阈值。
该项目中35 kV线路、10 kV线路均为电缆线路，中性点采用不接地的运行方式。下面估算单相接地电容电流，根据《电力工程电气设计手册》(电气一次部分)[3]，电缆线路的电容电流可用下式近似估算
Ic=0.1UcL
式中，Ic为电缆线路的电容电流；Uc为电缆线路的额定线电压；L为电缆线路的长度。该工程35 kV线路长度共约2 km ，10 kV线路长度约5 km。
因此该站35 kV电缆的电容电流值为：Ic=0.1×35×2=7 A；该站10 kV电缆的电容电流值为：Ic=0.1×10×5=5 A。另外考虑到35 kV变电站电力设备对电容电流的附加值[5]，因此35 kV侧发生单相接地故障时，产生的电容电流：ΣIc=7×(1+13%)=7.91 A；10 kV侧发生单相接地故障时，产生的电容电流：ΣIc=5×(1+16%)=5.8 A；因此，该变电站的35 kV系统、10 kV系统均采用了中性点不接地的方式。
3 中性点不接地系统带来的电弧接地可引起过电压
当电力系统中性点不接地系统发生单相接地时，故障点将流过电容电流，如果电容电流值很小，当故障原因消失后，电弧一般可自行熄灭，系统很快恢复正常。如果电弧造成的影响扩大，能发展为两相或三相短路，尤其当接地处发生所谓断续电弧，也就是周期性熄灭与重燃的电弧，它与电网振荡回路的相互作用可能引起相与地之间的谐振过电压。这种电压可以达到(2.5～3)倍相电压值，进而导致非接地相绝缘击穿形成相间短路。在项目所述案例中，当中性点不接地系统的单相接地故障电流大于10 A时，电弧不能自动熄灭，引起单相接地故障。在电力系统中接地电容电流大于5 A时就可能引起断续电弧，进而导致线路上绝缘地点的绝缘被击穿。虽然电弧不致于稳定燃烧，但电弧时燃时灭的不稳定状态，会导致电磁能量的强烈震荡，并在健全相和故障相上产生过电压，这就是间歇性电弧接地过电压。空气潮湿削弱了绝缘效果，该文所述案例，在湿度大于65%的雷雨季节，从高压柜底部窗口可以看到闪络电弧。
4 单相间歇性电弧可引起电压互感器异常损坏
已有的研究认为：电压互感器损坏的原因是，在电网中性点偏移电压作用下，电压互感器与中性点对地电容构成的L-C串联铁磁谐振。电网对地电容较小时发生几率较大，因此采取在电压互感器上加装消谐器等措施以消除谐振。但是，近年来的运行情况表明，电压互感器的异常损坏是由系统故障状况下，电压互感器的饱和特性和电网的对地电容相互作用在电压互感器中产生的暂态过电流造成的。单相间歇性电弧接地故障发生时，电压互感器端电压的不断切换，将电压互感器推进深度饱和区，加重其与电容相互作用产生的暂态过电流，更容易造成电压互感器异常损坏。实验证明铁磁谐振已不是电压互感器损坏的主要原因，当系统单相接地故障消失后，系统电容的放电电流造成电压互感器中较大的暂态过电流，导致其损坏。
5 如何消除电弧引起的过电压
为消除电弧接地过电压、消除间歇性电弧，最有效的方法是将中性点直接接地，目前110 kV及以上电网大都采用中性点直接接地的运行方式。发生单相接地故障时，线路断开，待故障消除后恢复供电，但是在我国低压配电系统中，单相接地事故概率相对较大，如采用中性点直接接地，势必引起断路器频繁跳闸，故采用中性点绝缘的运行方式。电网过电压保护和绝缘配合比较复杂，过电压(雷击、线路碰线、电容耦合等)是造成开关爆炸、开关柜失火、电力设备损坏的重要原因。为使电弧容易熄灭，我国35 kV及以下电压等级的配电网采用中性点不接地或者中性点经消弧线圈接地的运行方式。消弧线圈接于系统的中性点处，补偿流过故障点的短路电流，使电弧能自行熄灭，降低故障相上的恢复电压上升的速度，减少电弧重燃的可能性。
6 中性点经消弧线圈接地运行状况分析
消弧线圈接地方式是利用电抗器的感性电流补偿电网的容性电流，使接地电流大为减少[4]。当中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地时，流过接地点的电流是接地电容电流Ic和流过消弧线圈的电感电流IL的向量和。由于Ic超前Uc90°，IL滞后Uc90°，两电流相抵后使流过接地点的电流减小。
根据IL与IC的矢量值不同，消弧线圈的补偿有3种方式：1)全补偿，IL=Ic；2)欠补偿 ，IL
中性点经消弧线圈接地发生单向接地故障时，相间电压的相位不改变，故障相对地电压为0，非故障相对地电压升高至线电压，三相设备仍可照常运行，但不能长期带故障运行，必须装设单相接地保护或绝缘监视装置，在发生单相接地故障时发出报警信号或指示，以便工作人员及时处理。
消弧线圈需要安装在电力系统的中性点，但是该项目35 kV系统、10 kV系统都没有中性点引出，这时就需要在系统中另外设置一个中性点来连接消弧线圈。为此在母线上需要装设接地变压器。接地变压器也可以同时为变电站设备正常运行提供电源。
7 关于消弧线圈和过电压的认识误区
虽然消弧线圈可以消除单相接地故障，但是消弧线圈的自动跟踪、自动调谐装置都是在工频条件下工作的，在弧光产生的高频震荡的过程中，消弧线圈不能起到补偿电网电容的作用。同时消弧线圈也不能补充谐波电流，谐波电流也可能发生弧光接地过电压。
8 结 语
工厂35 kV变电站的设计、选址应结合电网实际情况，理解规范制定的出发点，合理选择中性点接地方式，重视电弧闪络带来的过电压危害，要做到从实际出发，具体问题具体分析。
