钢铁企业中压供配电系统改低电阻接地方式研讨

高大全，李 星，杨余杰

（攀钢集团攀枝花钢钒有限公司能源动力分公司，四川攀枝花 617000）

前言

大多数运行多年的钢铁企业6～35 kV 供配电系统采用电缆供电，其中性点均采用不接地或经消弧线圈接地的方式，但随着生产规模的发展以及供用电负荷的增加，供配电系统接地电容电流已大幅超过当初设计时的限值，原有的消弧补偿容量已不足，在供配电系统发生单相接地故障时，容易造成电气设备绝缘损坏、电缆火灾等事故，严重影响6～35 kV供配电系统的安全运行。

企业随着供配电系统的升级改造，逐步实现了供配电变电站分区域集中监控、变电站无人或少人值守的模式。在现有配电系统中性点接地方式下，如发生单相接地故障，仍需依靠值班人员在调度指令下拉合配出回路来查找判断接地故障的回路。经常在故障查找隔离处置过程中会发生相应配出回路过流保护动作跳闸、电缆放炮着火等事故。因此，配电系统原有的中性点接地方式已不适应企业供配电区域集中监控、变电站无人或少人值守的运行管控要求。

近年来，新建投运的大型发电厂的厂用电系统或大型企业的中压配电系统，普遍采用的是低电阻接地方式，该接地方式具有系统配置简单、投资费用小、可降低系统过电压水平、防止电缆着火、快速隔离故障等优点。由于仍有部分技术人员对中压供配电系统中性点接地方式改低电阻接地方式存在疑虑，为证明该接地方式的可行性，通过对配电系统现有接地方式存在的问题及低电阻接地方式优缺点进行分析，并辅以故障案例及现场测试，论证中压供配电系统中性点接地改低电阻接地方式的必要性，为企业实施中压供配电系统中性点接地方式改造提供借鉴。

1 中性点接地方式的行业状况及存在问题

大型钢铁企业具有电力负荷密度大、供电可靠性要求高、供配电线路以电力电缆为主等特点。供配电系统95%以上配出均采用电缆线路，且随着电缆长度不断增加，配电系统的接地电容电流水平不断提高，甚至可达百安培以上（攀钢某110 kV 变电站的6 kV母线并列运行时，系统电容电流在110 A左右，多个110 kV变电站的6～10 kV单段母线接地电容电流在30～70 A）。不断增加的单相接地电容电流已不适用中性点不接地或经消弧线圈接地的运行方式，已不能满足当前企业对供配电系统区域集控运行、无人或少人值守的运行要求。当在配电系统发生单相接地故障时，易造成故障损失扩大，影响企业供配电系统安全可靠运行。

2 中压供配电系统改中性点低电阻接地系统的分析

中压供配电系统中性点一般采用非有效接地方式，主要有不接地、经消弧线圈接地、低电阻接地3种方式［1］。

中性点经电阻接地，就是在配电系统变压器中性点或接地变压器一次侧中性点接入适当的电阻，该电阻与系统对地电容构成并联回路。中性点经低电阻接地方式中，一般选择较小的电阻值，在系统单相接地时，可以控制流过接地点的电流在150～1 000 A 左右，通过各配出开路的零序电流互感器接入微机保护装置，沿着供电电源的供电方向，依靠零序过流保护定值逐级配合，在发生单相接地时启动相应回路的接地零序保护，实现对接地故障回路的准确定位，有选择性就近切除。低电阻接地方式尤其适用于远程集中监控与无人值守的配电系统，在系统发生接地故障时，不再需要按传统方式依靠调度人员指挥各变配电站所岗位人员轮流试切配出开路来确认具体故障回路，也不需要各用电负荷的生产线人员配合查找，大幅降低调度及运行岗位人员的操作量，同时大幅降低系统过电压水平及接地故障持续时间。一般发生单相接地故障后，按接地故障零序电流保护逐级配合时限，仅需0.2～1.5 s即可切除接地故障回路。

低电阻接地方式的主要优点［1］：

（1）接地故障时，非故障相电压不会明显升高，可以将弧光接地过电压限制在较低的水平。

（2）克服了不接地系统的铁磁谐振与消弧线圈接地系统的串联谐振问题。

（3）继电保护配置比较简单，零序过流保护有较高的灵敏度，易检出接地线路，故障定位准确，可以迅速切除接地故障线路，运行维护方便。

（4）系统电容电流增大时，不需要对接地装置进行扩容改造。

（5）将双重接地（异相故障）的机率削减至最低，最大程度降低电缆接地放炮引发着火事故的可能性，可以减少工厂电缆隧道加装水雾灭火的配置。

但低电阻接地方式也存在明显的缺点：

（1）瞬时性故障也会导致跳闸，使供电可靠性降低。国内外统计结果表明，消弧线圈接地系统改造后短时停电次数增加1 倍左右，长时间停电次数增加10%。对于电缆供电系统，电缆故障一般都是永久性的、几乎无瞬时性故障。

（2）不利于实现对经高电阻接地的保护，但对电缆供电的配电系统不存在架空导线可能发生的坠地与“树闪”之类的高阻故障。

（3）单相接地故障电流大、接地点地电位升高幅度大，存在接触电压与跨步电压触电风险。

3 单相接地故障案例分析与电容电流实测

3.1 单相接地故障案例分析

某钢铁企业6～35 kV 配电系统每年均发生多次单相接地故障。接地故障发生后，接地选线装置不能准确选线，需在生产工序配合下，结合部分小电流选线装置的选线信号，由值班人员依靠拉合有关配出馈线的方法来寻找故障回路，故障处理时间较长，多次在发生单相接地故障几分钟内就出现配出开路过流保护跳闸事故。如10 kV 电缆配出开路送电后曾发生间歇性反复接地，该10 kV 配电系统自动消弧补偿装置的容量已不能满足逐步增加的接地电容电流要求，发生单相接地后2～20 min 内，10 kV 电缆配出开路跨回路出现多次异相接地，形成相间短路，相继导致多回路过流保护跳闸，引发电缆隧道火灾，烧毁多回路电缆，迫使烧结、炼铁工序全部停产，损失巨大。

作为比对，某钢铁企业自备电厂（300 MW 机组、6 kV）厂用电系统，由于采用了低电阻接地系统（接地电阻9.09 Ω、10 s，接地电流400 A），其6 kV 细碎煤机在2021 年1 月因转子上风扇固定销子脱落导致电机绕组端部绝缘轻微损伤，在启动时发生接地零序过流保护，在0.33 s 时动作跳闸（接地过流零序保护定值整定为60 A、0.3 s）。经检查该电机单相接地故障点损伤程度较小，微机保护装置记录保护跳闸时二次零序电压仅13.2 V、零序电流一次值约129 A，对机组厂用电系统运行未造成任何影响。该案例充分验证了低电阻接地系统的优点。

3.2 电容电流实测

配电系统电容电流大小与该系统的电压等级、电缆截面积及电缆长度密切相关。在设计阶段往往仅初步考虑了电源侧变电站的电容电流，而负荷侧的电容电流未一并考虑，因此造成配电系统的实际电容电流值超过规范要求的10 A，而配电系统中性点接地方式依然采用不接地或经消弧线圈接地方式，为后期的安全稳定运行埋下了隐患。

为掌握企业配电系统的实际电容电流，用电容电流测试仪对部分变电站中性点不接地的6～35 kV配电系统的电容电流进行测试。

（1）制氧空分系统：该系统为10 kV 中性点不接地系统，测试时该段由1台变压器供电，其总负荷电流为423.6 A，功率为6.9 MW，功率因数是0.90，电容电流为18.93 A。显然其电容电流超过了不接地系统允许的规范限值要求。

（2）热轧加热炉与连铸加热炉系统：该系统为35 kV 中性点不接地供电系统，测试时总负荷电流为362 A，功率为2.7 MW，无功为-23.9 MVar，电容电流为16.21 A。

（3）新建投运的某110 kV 变电站10 kV 配电系统：该系统为中性点不接地系统，其中一段母线的电容电流测试为27.75 A，另一段母线电容电流为35.97 A。而变电站设计时仅考虑该新建站10 kV母线的电容电流不超8 A，故实际电容电流值不满足国家相关规范对中性点不接地的技术要求。

通过以上配电系统电容电流实测，可知单台变压器供电系统的电容电流均超过规范要求，若考虑电源侧母线段并列运行，其电容电流将更大。由于电网发展的变化，消弧线圈的补偿容量已很难满足工程最终规模的需要，以电缆配出为主的大型企业在6～10 kV 配电网发生单相接地故障时，原有的消弧线圈运行在过补偿的条件已难以满足，对于中性点不接地的配电系统在发生单相接地时容易发生电磁谐振，谐振过电压对电缆配出系统的安全运行将带来较大风险，可能造成设备烧毁炸裂等事故，因此，有必要将原中压供配电系统中性点接地方式改为低电阻接地方式。

4 改造所涉及相关问题的分析

4.1 低电阻接地系统对一级、二级用电负荷的影响及对策

部分企业对配电系统改为中性点低电阻接地系统存在顾虑，原因是技术人员担心配电系统中性点改为低电阻接地方式后，一旦发生配出回路单相接地故障，该配出回路的零序电流保护将快速动作，切除故障回路，导致该回路供电中断，影响生产。

实际上配电系统改为低电阻接地系统后，当单相接地故障发生时，由沿着电源供电方向靠近故障点的零序电流保护动作，有选择性地快速切除故障源，可避免事故进一步扩大，并且可以帮助运检人员快速排查故障点，避免因单相接地产生的过电压及接地点故障电容电流对设备绝缘的进一步破坏，整体上更加安全和经济。

此外，厂内重要负荷一般均有两个及以上独立电源作为工作电源，配电系统主接线基本为单母线分段接线，重要的电机负载一般均有备用或其它安保措施，其中一路电源或负荷发生单相接地故障跳闸对生产影响是有限的，对重要负荷的电源系统，若配置电源快速切换装置，可大幅提升安全运行水平。目前新建大型钢铁企业配电系统及电厂厂用电系统通常都采用了低电阻接地系统，多年的运行效果也证明了低电阻接地系统对用电负荷安全及供电可靠性没有显著影响，对供电系统的故障查找、故障处理、配电系统安全运行更为有利。

4.2 低电阻接地系统对继电保护的要求

目前企业新建或改造的配电系统项目均采用微机型综合保护装置，具有接地零序电流保护功能。对于以前采用电磁式保护及没有配备接地零序电流保护功能的老旧微机保护装置则需要进行改造更换，且应配置专用的接地零序电流互感器。对于每相并联有多根电缆的配出开路，若没有特别定制的零序电流互感器，则需配置多个零序电流互感器，其二次回路应按相同极性并联后，引出接到微机保护装置的零序保护回路上。此处应特别注意，不能将多个零序电流互感器二次串联，一些企业将每相并联有多根电缆的多个零序互感器二次串联接入保护，造成了并列倒闸操作时零序保护误动。［2］

接地零序保护的定值整定应满足《厂用电继电保护整定计算导则》（DL∕T 1502—2016）及《3 kV～110 kV 电网继电保护装置运行整定规程》（DL∕T 584—2017）中的相关要求。

对于直接电动机配出回路，其接地零序电流保护定值应躲过正常启动时最大不平衡电流，并具有5～6 的灵敏系数，其动作时间可按0.10～0.20 s整定。

对于负荷的电源供电回路，接地零序保护定值宜具有4～5的灵敏系数，且应可靠躲过负荷的最大不平衡电流，其动作时限应满足上下级之间的配合关系，时差按0.25～0.30 s 整定。《3 kV～110 kV 电网继电保护装置运行整定规程》（DL∕T 584—2017）中建议10～35 kV 低电阻接地系统中接地电阻宜为5～30 Ω，单相接地故障时零序电流以1 000 A 左右为宜。但考虑到6～35 kV 配电系统单相接地时零序电流保护的灵敏度、过电压倍数等因素，建议在6～10 kV 配电系统中，宜将单相接地故障电流限制在300～500 A，一般以400 A 为宜；35 kV配电系统单相接地故障电流宜限制在400～600 A。此外，对于中性点低电阻接地系统的35 kV母线系统，在满足系统稳定的前提下，一般不宜再配置35 kV母线保护。

4.3 直接接有小容量发电机组的接地保护配置

钢铁企业6～10 kV 配电系统中，往往有直接并入的小容量发电机组（如TRT 机组与余热余汽发电机组等）。发电机中性点采用不接地或经消弧线圈接地方式时，当发电机内部发生单相接地故障，接地电流数值如小于发电机的允许值，则发电机可以继续运行一段时间，否则应及时停机。

在配电系统改造为低电阻接地系统后，单相接地故障电流可能会对发电机的定子与铁芯造成不同程度的损伤，因此，需对这些小容量发电机配置接地零序电流保护，以实现单相接地故障时快速跳闸（0.3～0.5 s）。

4.4 对运行方式的要求

按《3 kV～110 kV 电网继电保护装置运行整定规程》（DL∕T 584—2017），低电阻配电系统运行主要考虑以下原则：

（1）低电阻接地系统必须且只能有一个中性点接地运行，当接地变压器或中性点电阻失去时，发生接地故障，供电变压器的同级断路器应断开。

（2）在改造过渡期间，低电阻接地系统所有配出回路的接地零序电流保护均投跳闸。若不接地系统与低电阻接地系统进行电源切换时，应增设电源快速切换装置，实现两个不同接地系统的快速切换（并列时间小于0.2 s），杜绝采用传统的手动操作电源并列切换模式，以免两个不同中性点接地系统在手动并列切换时，发生单相接地故障。

4.5 低电阻接地系统改造配合问题

钢铁企业供配电系统中性点低电阻接地方式改造涉及多个配电所，工作量较大且需相应生产线设备停运配合。改造应先将某供电系统内所有配出负荷的接地零序电流接入微机保护，完成定值设置与调试，确认各级变配电所接地网的接地电阻满足要求后，再开始接地变压器及其接地变保护系统的改造。因改造需涉及生产各工序协调配合停电，预计全部改造工作需要耗时1年左右。

5 结语

通过分析单相接地故障案例并现场实测供配电系统的电容电流，证实了大型钢铁企业供配电系统中性点不接地或经消弧线圈接地方式不仅不能满足国家相关规范要求，影响供配电系统安全可靠运行，而且也不能满足对变电站所实施集中监控或无人、少人化值守的要求。因此，在大型钢铁企业6～35 kV 供配电系统中采用中性点低电阻接地系统应是优先选择。