一种孤网供电系统中性点接地方式的选择与应用

林 俊

（安徽海螺川崎工程有限公司）

0 引言

随着国家“一带一路”战略实施，中国企业走向世界的步伐加快，在海外投资建设的项目会越来越多，水泥作为基础设施建设主要材料需求越来越多，而基于一些投资国电网系统比较落后，电力不足等因素，国外规划建设水泥线的同时也会同步建设自备电站，由电站向水泥工厂提供电力，电站与水泥工厂组成独立的供电网络。

根据水泥生产线的产能和生产生活用电负荷情况，一般会选择15～50MW 不等的发电机机组作为主供电源，同时，根据所规划工厂所在地没有大容量电源可提供的实际情况，一般自备电站在建设过程中，需配置1～2台大容量的柴油发电机作为黑启动电源和机组调峰电源，有些项目为了效益最大化，也会同步规划余热发电机组。上述几台发电机组共同构成一套完整的分布式电源供电系统，具有运行稳定、负荷调配方便等优点，在东南亚等一些电力欠发达国家得到广泛的应用，但孤网供电系统涉及多机组和多种变工况运行，且系统中存在大量的电容电流，一旦发生接地故障，将会造成发电机、线路及其他设备损坏，不仅造成经济损失，更会带来安全事故。因此，多机组孤网供电系统如何选择一种既安全可靠又经济合理的接地方式显得非常重要。

本文结合具体项目实例，阐述一些孤网系统中性点接地方式选择的一些思路，以供大家探讨。

1 项目特点

某企业在印尼规划建设一条5000T／D水泥生产线，基于当地的电网资源短缺而同步建设2套20MW汽轮机组的自备电站，发电机出口主母线采用单母线按机分段的直配线接线方式，发电机出口10.5kV母线分别分7路馈线送到水泥工厂的各个生产和生活区域，由于选址兼顾矿山石灰石原料输送方便和后期水路运输，项目厂区内所有配电线路均采用电缆，直配电缆总长约30km，接线如图1所示。

图1 孤网供电网络电气接线示意图

2 系统电容电流的计算与接地方式的选择

依据电力设计规程，6～35kV配电网一般采用小电流接地方式，小电流接地通常细分为不接地、电阻接地、消弧线圈接地（也称谐振接地）三种接地方式，无论选择哪种接地方式，电容电流都是选择和判别的基础。

2.1 电容电流计算

由于孤网供电系统主要由发电机和机端所连接的配电装置以及水泥工厂的工艺设备组成，这些发配电回路和设备存在大小不等的对地电容，当发生接地时，接地点流过的故障电流即为上述对地电容电流。一般来说，电容电流主要来自长距离输电电缆，设备本身产生的电容电流相对较小，可以忽略不计，经初步计算发电机产生电容电流加以验证。

通过查询本项目发电机生产厂提供的三相对地电容值0.48μF，通过式（1）计算后仅0.91A，电流值很小。

式中，Ic1为对地电容电流，A；CF为发电机对地电容；ω为角频率；UN为额定电压。

电缆产生的单相接地电容电流计算过程如下：

式中，Ic2为接地电容电流，A；S为电缆芯线的标称截面，mm2，Ur为线路额定线电压，kV；L为线路长度，km。

计算孤网系统的电容电流，不仅需要考虑电厂侧电缆，水泥厂侧也需要考虑。整个系统电缆规格长度及电流计算值如表1所示。

表1 全厂电缆规格长度及电流计算值

将表1相关数据代入式（2），并考虑发电机、变压器、电动机以及配电装置等电气设备的电容值，将上述求得的电缆总电容电流乘以系数1.25为全厂总电容电流的近似值，即得：

2.2 接地方式的选择

从上述计算看出，总电容电流Ic1接近50A，考虑接地电流较大（30A以上），接地故障将产生稳定的电弧，形成持续性的弧光接地，会损坏设备并造成事故进一步扩大化，所以不能采用中性点不接地方式。根据DL／T620—1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》相应的规定，3～20kV具有发电机的系统，当单相故障电容电流大于允许值时，在发生单相接地故障不要求瞬时切除时，应采用中性点经消弧线圈接地方式，但结合本项目特点：①由于存在柴油发电机单独运行时馈线回路不固定的情况，消弧线圈选型相对困难；②当单台柴油发电机带较少线路运行时，故障零序电流很小，受限于综保装置定值有下限，保护定值不易整定；③线路输送电力时，一旦发生击穿接地，故障点的绝缘强度几乎为零，故障点的绝缘不能恢复到正常绝缘水平，间歇性弧光过电压会使故障点的绝缘再次击穿，采用消弧线圈不能有效地消除单相接地故障残余电流。为了提高供电系统的安全性，电阻接地方式将是值得推荐的方式，当发生接地故障时，能及时、准确地切除故障点。

为限制单相接地时的过电压倍数在2.6倍以内，通过计算，发电机中性点需要设置电流不小于50A的电阻。如果仅通过发电机中性点接电阻的形式对系统故障时的电容电流进行释放，考虑实际生产组织中，会存在几台发电机组不同组合的运行工况，当单台发电机运行时，系统中的电容电流由于馈线回路的存在并未降低多少，因此，每台发电机中性点均需设1台不小于50A的电阻才能满足要求，但当满负荷生产时，会存在多台机组（如2台汽轮机，2台柴油发电机组同时运行）运行的工况，这就导致了接地电流以（50A×发电机运行数量）的模数增加，同时，对单相接地保护区内和区外的判别存在很大困难，保护定值的整定将需考虑到上述四台发电机不同组合时（共8种）工况，这就增加了设计和生产组织的难度，且存在安全风险。

为了解决上述难题，如果在供电系统中人为营造一个中性点出来，采用电阻接地，有效地避免了上述接地电流以50A的模数叠加的问题，也不需要每台发电机单独设接地装置。通过从系统母线引出接地，母线接地电阻的计算和选型考虑整个系统中的电容电流，同时，当发电机区内发生接地故障时，系统提供的电容电流与母线接地电阻提供的电阻电流远大于发电机自身的电容电流，利用两个数值大小差异就能够判别出每台发电机区内区外故障，有利于发电机接地保护的判别和保护定值的整定，提高继电保护的可靠性。

2.3 中性点接地装置的连接方式

为了兼顾系统和发电机，中性点接地装置需连接在10.5kV母线上。从主母线上提供回路给专用接地变压器，接地电阻器接到专用接地变压器高压侧引出的中性点上，这种连接方式既可以让所有机组运行时实现保护，也能让单台发电机独立运行时实现保护。考虑主母线是单母线分段型式，母线并列运行时投入1套，母线分列运行时，每段母线投入1套。

具体接线如图2所示。

图2 中性点接地装置接线方式示意图

3 中性点接地设备的计算

母线中性点接地电阻的计算如下。

1）电阻的额定电压选择为：

2）电阻的阻值选择为：

3）三相接地变压器的容量选择为：

其中，K为接地变压器10s的过载系数，依据IEEE-C62.92.3相关要求（见表2），接地变压器10s过载系数为额定容量的10.5倍，所以K选择10.5（K应以设备制造厂家实际过载系数为准）。经过计算，最终选择电阻的参数见表3。

表2 中性点接地配电变压器允许的短时间过载系数

表3 接地电阻的参数

4 结束语

中性点接地方式是一个综合性、系统性、复杂的问题，它与供电的可靠性、设备绝缘水平、过电压水平、继电保护方式等技术密切相关，不同的接线系统需选择合适的接地方式才能保障安全经济运行。本文只是从一种孤网供电系统的实例分析各种接地方式的特点，从而针对多机组、变工况、电缆线路多的孤网系统，提出了一种人为营造中性点并经电阻接地的方式，解决多机组不同组合运行工况时，接地电流变化大，故障不好区分，单台机组带较少线路运行时定值不易整定等问题，同时避免了多台发电机单独设置接地装置带来的问题，不仅增加了孤网系统的稳定性和可靠性，提高了接地保护的灵敏性和选择性，也从一定程度上节省了投资。因此，采用人为营造中性点并经电阻接地，对多机组孤网供电系统是安全可靠的，也是经济可行的。