（1.广东珠海金湾液化天然气有限公司；2.中海石油海南天然气有限公司）
摘要：中性点接地方式关系到供电系统线路和设备的绝缘水平、供电可靠性、抗干扰等因素。中性点经小电阻接地系统具有在发生单相接地故障时能快速切除故障，抑制谐振过电压，提高配电系统安全性的优点，但由于配置和运行方式变化，相对不接地系统而言会增加部分建设投资成本。本文通过对中性点经小电阻接地系统的研究，希望能对其他相似的配电系统的设计和施工起到一些参考作用。
关键词：接地方式；小电阻接地；接地变；电缆选型
1 引言
随着电力电缆在新建工程项目的配电系统中的广泛采用，电缆馈线回路的不断增加，单相接地电容电流也不断增加，合理选择企业配电系统中性点接地方式，是配电系统设计的主要和关键内容。
LNG接收站等大型石化项目具有电力负荷大，对供电可靠性要求高的特点，由于项目大量采用电力电缆，线路系统接地时产生的单相接地短路电流很大，电弧难以自熄，产生的内部过电压也常超过电力设备的绝缘耐受能力，使配电设备遭受损坏，严重时会影响到安全生产。本文针对某LNG接收站项目6kV配电系统选用的中性点经小电阻接地系统，通过对比不同中性点接地方式的特点及优缺点，着重分析小电阻接地系统对6kV配电系统的继电保护配置及电缆截面选择的影响。
2 某LNG接收站项目配电系统规模及情况
（1）电压等级：110kV/6kV/380V
（2）主变压器：一期2×31.5MVA，终期为4台。变压器型号：SZ11-31500/110，110±8×1.25%/6.3kV，阻抗电压：Uk=16%，联结组别：Yn，d11
（3）各电压出线：
110kV接线：本期电缆出线2回，主变电缆进线2回；终期电缆出线2回，主变电缆进线4回；
6kV接线：最终48回，电缆出线。
（4）中性点接地方式：110kV侧采用中性点直接接地方式；6kV侧采用中性点经小电阻接地方式；380/220V采用中性点直接接地方式；
（5）小电阻接地系统：接地变压器6.3kV，500kVa，接地用小电阻7.3Ω。
该项目全厂配电系统单线图以下图1：
图1 某LNG接收站项目全厂配电系统单线图
3 中性点接地方式的介绍
电力系统中性点接地方式主要有四种：中性点不接地系统、中性点经消弧线圈接地系统，中性点直接接地系统、中性点经小电阻接地系统，然而前两者属于小电流接地系统（即中性点非有效接地系统），后两者属于大电流接地系统（即中性点有效接地系统）两类。
3.1 中性点不接地系统
中性点不接地是指没有人为的将中性点与大地连接，其特点：当正常运行时，三相的相电压是对称的，中性点对地电压为零，三相的对地电容电流处于平衡状态（即相量和为零）；当发生单相接地故障时，故障相对地电压为零，中性点对地电压变为相电压，完好相的对地电压升高为原对地电压的倍（即变为线电压），系统的线电压相位和量值均未发生改变，接地电流为正常运行时三倍的每相对地电容电流。
此方式主要应用于电网的电容电流不大于10A的配电系统。
3.2 中性点经消弧线圈接地系统
中性点经消弧线圈（谐振）接地方式与中性点不接地系统的特点有些类似，此方式主要考虑到当发生单相接地故障时会产生较大的接地电流，则会在故障点产生断续电弧，使线路上绝缘薄弱地方发生绝缘击穿的情况。为了防止此类情况的发生，可在配电系统中一个或多个中性点采取经消弧线圈接地的方式，对单相接地电容电流进行调谐，减小接地故障残流，避免产生间歇弧光接地过电压。
此方式主要应用于电网电容电流大于10A的配电系统。
3.3 中性点直接接地系统
中性点直接接地方式是直接通过中性点形成单相短路，利用单相接地短路大电流使继电保护装置动作，迅速切断故障线路，防止产生间歇电弧接地过电压的可能。
3.4 中性点经小电阻接地系统
中性点经小电阻接地方式主要由接地变压器和小电阻构成，可分为高电阻接地和低电阻接地，高电阻接地方式一般用在接地故障电流小于10A（电阻值为几百欧姆到几千欧姆），低电阻接地方式多用于接地故障电流100A～1000A（电阻值在几欧姆到几十欧姆）。
（1）高电阻接地用于因发电机内部发生单相接地故障时迅速停机，电阻器一般装设在发电机中性点（或中性点变压器的二次绕组上），为了防止产生谐振、间歇弧光接地过电压对设备造成损害。
（2）低电阻接地用于当主变低压侧为三角接线时，通过接地变压器引出系统的中性点，并串入一个低电阻，以限制故障接地电容电流（一般在100A～1000A之间）和降低暂态过电压，再配合相适应的继电保护装置，根据检测到的故障电流，有选择性地迅速切断配电系统中的单相接地故障线路，防止接地故障的继续扩大，弥补小电流接地系统的不足。
4 不同接地方式的优缺点
4.1 中性点不接地方式的优缺点
优点是当发生单相接地故障时，配电系统电压仍然保持平衡且故障电流较小，跨步电压和接触电压低，减小对信号干扰的同时系统还可以带故障运行2小时，供电可靠性较高。主要的缺点是当线路发生单相接地故障时，还存在产生间歇性弧光接地过电压的概率，进而发展成相间短路故障，使事故进一步扩大。
4.2 中性点经消弧线圈接地方式的优缺点
同样作为中性点非有效接地，接地保护装置只报警不跳闸，故障线路同样可以继续供电不超过2小时。相对于中性点不接地方式，此方式优点是通过增加消弧线圈补偿电容电流，减缓恢复电压的上升速度，有利于接地电弧的熄灭，降低了间歇性弧光接地过电压产生的概率，使得线路中大多数瞬时性接地故障可自行消失。中性点不接地系统的缺点对于中性点经消弧线圈接地系统也全有，仅能降低发生弧光接地过电压的概率，并不能完全避免弧光接地过电压的产生。
4.3 中性点经小电阻接地方式的优缺点
在以电缆布线为主交流配电系统中，当发生单相接地故障时，接地容性电流较大，可能使得间歇电弧接地过电压的出现具备了特定的“临界”条件，从而导致弧光接地过电压的产生。中性点通过小电阻接地方式，形成了电网对地电容中能量的泄放通道，并给接地故障点注入阻性电流，使其呈阻容性质，减少与电压的相位角差，降低故障点电流过零息弧后的重燃率，破坏弧光过电压产生的“临界”条件，使过电压限制在相电压的2.5倍以内。同时保障高灵敏接地故障保护装置能准确判定并切除馈线故障，提高配电系统的安全性。
系统发生单相接地时，完好相电压不升高或者升幅较小，降低对设备绝缘等级的要求，耐压等级可按相电压来选取。
当然此方式也存在一些不足，可能会因接地点接地电流较大时，零序保护动作不及时或者拒动，将使接地故障点及附近的绝缘受到更严重的危害导致相间短路故障的发生。此外，对于线路中不管是永久性还是非永久性接地的动作均为跳闸，使跳闸次数增多，影响系统正常供电，降低供电的可靠性。
以上几种不同接地方式优缺点比较情况见以下表格。
5 6kV小电阻接地系统分析
5.1 系统接线及组成
某LNG接收站项目6kV小电阻接地系统组成如下图。主要组成部分：110kV/6kV降压主变压器（星三角联结），曲折接地变压器（即Z型绕组接地变压器），中性点接地电阻，6kV母线，6kV馈电线路、零序互感器等。具体的连接情况见图1。
图2 6kV小电阻接地系统接线图
因主变压器6kV侧为三角接线，通过接地变压器（曲折变）提供系统中性点，再将中性点接地电阻接入接地变压器引出的中性点上。
接地变压器一般采用Z型接地变，即将三相铁芯每个芯柱上的绕组平均分为两段，两段绕组极性相反，三相绕组按Z形连接法接成星型接线。其特性是在电网正常运行时有很高的励磁阻抗，绕组中只流过较小的励磁电流或因中性点电压偏移引起的持续电流（此值一般较小）。当系统发生单相接地故障时，接地变压器绕组对正序、负序都呈现高阻抗，而对零序电流则呈低阻抗，这一零序电流经过接地变压器中性点电阻或消弧线圈起到减小电网的接地电流和抑制过电压的发生。为此，该接地变压器的结构就必须采用曲折形的绕组联结法，并在中性线处引出中性点套管，以加装消弧线圈或接地电阻。
5.2 接地电阻和接地变压器（Z型接地变）的容量选择
在项目实际工程中，为配电系统选择接地电阻和接地变压器的容量时，需要充分考虑：（1）当发生单相接地时，完好相的最大工频电压升高幅度尽可能小；（2）当发生单相接地时，应将线路短路电流限制在通讯线路干扰影响的容许范围内，降低对信号的干扰；（3）当发生单相接地时，故障线路的继电保护应有足够的灵敏性和选择性。
某LNG接收站项目主变压器配套的Z型接地变选择容量为500kVa，中性点接地电阻采用额定电压为6.3/
kV，电阻值为7.3Ω，10s通流为500A。
6 中性点经小电阻接地系统的继电保护配置
当选择中性点经小电阻接地系统后，对系统单相接地故障而言，故障电流增大，同时也会有零序电流的产生，因此继电保护应配置专用的零序电流保护且考虑在电缆出线端设置专用零序电流互感器。根据工程实际应用的经验，继电保护配置宜采用不同时限的零序保护和反时限的零序保护。
继电保护装置还需考虑：
（1）配电线路采用零序电流互感器和反应工频电流值的零序电流接地保护作为单相接地主保护作用于跳闸。
（2）接地变增配反应单相接地的零序保护，作为主变低压侧和母线单相接地故障的主保护和馈线单相接地的后备保护，保护用于接地变和主变低压侧断路器跳闸。
（3）保护整定值需躲过本段总电容电流，在实际工程中可按接地电流的20%进行整定计算，可靠系数可取2.0。
（4）灵敏度按流过故障线路的电容电流效验，灵敏度大于1.25。
（5）本段母线电压互感器的开口三角3Uo作为报警信号。
（6）动作时限出线为末端，取0.3或0.5s，也可以选择IEC标准反时限Dial=0.1，以上各级相应放大一个时限（0.3或0.5s），通过时间进行配合使故障范围最小化。
（7）零序电流互感器最好采用电缆专用单个零序电流互感器，不具备条件时可采用三相电流互感器合成零序电流，应保证所使用的三个互感器型号和参数一致。
7 中性点经小电阻接地系统对中压电缆截面选择的影响
7.1 电线、电缆截面选择的条件
（1）通过负载电流时，线芯温度不超过电线、电缆绝缘所允许的长期工作温度，即按温升选择电线、电缆截面；
（2）经济寿命期内的总费用最少，即初始投资和经济寿命期内线路损耗费用之和最少，简称按经济电流选择；
（3）通过短路电流时，不超过所允许的短路强度。高、低压电缆、电线均要进行短路热稳定性校验；
（4）电压损失在允许范围内；
（5）满足机械强度的要求；
（6）低压电线、电缆应符合过负载保护的要求。
7.2 影响6kV中压电缆截面选型的主要因素分析
项目中6kV配电系统选用中性点经小电阻接地系统，因小电阻接地方式属于大电流接地系统，当线路发生单相接地故障时，流过故障点的接地短路电流较大，以至于要提高对电缆热稳定校验要求，根据文中第7章第一节的第（3）点可知，电缆热稳定校验是影响电缆截面选择的因素之一。
下面将通过实例（选取某710KW 6kV电动机馈线回路），进行6kV中压电缆短路热稳定（即热校验）计算，说明大电流接地系统的系统短路电流对中压电缆选型的影响：
（1）计算公式：
S-缆芯导体截面，mm2；
J-热功当量系数，取1.0；
q-缆芯导体的单位体积热容量，J/（cm3.℃），铝芯取2.48，铜芯取3.4；
Qm-短路作用时间内电缆缆芯允许最高温度（250）℃；
Qp-短路发生前的缆芯最高工作温度℃；
Qh-电缆额定负荷的缆芯允许最高工作温度（90）℃；
Qo-电缆所处的环境温度最高值（36）℃，根据设计院提供的环境参数资料取得；
Ih-电缆的额定负荷电流150mm2为319A、185mm2为364A；
Ip-电缆实际最大工作电流 121.4A（设计方取100A）；
I-系统电源供给短路电流的周期分量起始有效值（28.03A），根据ETAP软件计算的系统最大短路电流见下表；
表2 系统最大短路电流
t-短路切除时间（1s）；
α-20℃时缆芯导体的电阻温度系数，1/℃，铜芯为0.00393、铝芯为0.00403；
ρ-20℃时缆芯导体的电阻系数，（Ω.cm2）/cm，铜芯为0.0184×10-4，铝芯为0.031×10-4；
η-计入包含电缆芯数充填物热容影响的校正系数，对3～6kV电动机馈线回路，宜取0.93，其他情况可按1；
k-缆芯导体的交流电阻与直流电阻之比值，150mm2取1.008，185mm2取1.009；
取150mm2电缆计算：
计算得出150mm2的电缆不能满足热稳定要求；
选用185mm2电缆计算，其中k=1.009，Ih=364A，经计算得出：
因此185mm2的电缆能够满足要求。
但经过查阅设计手册“工业与民用配电设计手册”，表“常用电缆按热稳定校验允许的短路电流有效值”中数据为切除时间为1s时，185mm2的电缆允许的短路电流有效值为24.73kA；240mm2的电缆允许的短路电流有效值为32.09kA。
综合以上情况，设计中选择截面为240mm2的电缆。
8 结束语
（1）在以电缆布线为主的配电系统中，中性点小电阻接地方式通过与线路零序保护配合，可准确地判断出故障线路并能迅速切除，其保证配电系统安全运行相对于不接地或经消弧线圈接地系统有所提高。
（2）小电阻接地系统，线路中不管是永久性还是非永久性接地导致继电保护动作均为跳闸，使线路中跳闸次数增多，可靠性降低，影响供电持续性。不过，由于电缆供电线路中的故障多半为永久性故障，故这种保护特性也是可以接受的。
（3）中性点小电阻接地方式属于大电流接地系统，单相接地短路电流大，相比较中性点不接地系统而言，系统的最大短路电流大大增加。由于6KV母排、6KV电缆选型需要进行短路热校验，故最大短路电流的增加必然要求相应增加母排、电缆的规格。
（4）在初期建设投资方面，在6kV配电系统配置中性点经小电阻接地系统，虽然减少了消弧设备的投资，但相应增加对接地变压器和接地电阻、6KV中压电缆和零序互感器等方面的投资额。这其中尤其以6KV中压电缆的投资增加最为明显，这也是6KV中性点经小电阻接地系统中需要考虑的一个问题。
（5）综合而言，6KV或者10KV中性点经小电阻接地系统是这一电压级别配电系统发展的趋势，在很多场合逐渐取代了原有的不接地系统，该系统的优点和合理性是非常明显的，不过我们同时也注意到了它给系统运行可靠性和初期投资额方面带来的负面影响。这些问题需要在作系统接地方式设计的时候有必要进行综合考虑。
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论文作者:杨锴1,蔡勇斌2
论文发表刊物:《电力设备》2018年第9期
论文发表时间:2018/7/2
标签：电流论文; 电阻论文; 系统论文; 电缆论文; 过电压论文; 故障论文; 单相论文; 《电力设备》2018年第9期论文;