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关于钢铁企业6～10kV配电系统中性点接地方式的分析

张强，张颖辉

(中冶京诚工程技术有限公司电气与自动化工程技术所，北京 100176)

摘 要：钢铁企业6～10kV配电系统中，变压器或发电机的中性点接地方式包括中性点不接地、中性点经消弧线圈接地和中性点经电阻接地3种方式。本文着重分析了这3种接地方式的特点，并提出合理选择6～10kV系统接地方式的思路。

关 键 词：配电系统；中性点接地方式；不接地方式；消弧线圈接地方式；电阻接地方式

0 引言

钢铁企业配电系统的主要特点是几乎全部采用电缆供电，一旦发生电缆故障则多为永久性故障；发生接地故障时接地电容电流较大(通常会超过30A)；由单相接地故障发展为相间故障的几率很大。在我国，钢铁企业的全厂配电系统一般包含220，110，35，10，6和0.4kV等多种电压等级。

对于不同的电压等级，其配电系统中性点的接地方式也有差异。因此，如何针对钢铁企业配电系统的特点，合理选择配电系统中性点接地方式是一个非常重要的综合性问题，对整个企业具有至关重要的意义。它不仅关系到电网运行的可靠性、过电压保护配置以及绝缘水平的选择和保护配置，而且还对通信干扰、接地装置及人身安全都有着重要的影响^[1]。

配电系统的中性点是指系统中变压器或发电机绕组的星形连接点。6～10kV是我国钢铁企业中最常见、应用范围最广的配电电压等级，其中性点接地方式通常包括中性点不接地、中性点经消弧线圈接地和中性点经电阻接地3种方式^[2]。本文着重分析了这3种接地方式用于钢铁企业6～10kV配电系统中的优缺点，并提出合理选择接地方式的建议。

1 中性点不接地

中性点不接地方式实际上可以看作是经容抗接地^[3]，该容抗由电网中的架空线路、电缆线路、电动机和变压器绕组等对地耦合电容组成。正常运行时，三相电路完全对称，中性点电位为零。当发生单相接地故障时，会有以下几个特点：(1)三相对地电压不再对称，故障相对地电压为零，非故障相对地电压升高到线电压的值，即升高到相电压的槡3倍；(2)接地电流是正常运行时每相电容电流的3倍；(3)线电压的大小和方向不变，保持对称，相位仍然互差120°，并且不影响三相负荷的正常运行。

采用中性点不接地方式的配电系统发生单相接地故障后，仍然能够继续正常运行，且供电可靠性高。但考虑到长期带接地故障运行，非故障相电压升高可能会导致绝缘薄弱处击穿，造成两相接地，所以采用中性点不接地的配电系统中，发生单相接地故障后允许继续运行的时间一般不超过2h^[3]。

采用中性点不接地的配电系统发生单相接地后，虽然不构成短路，但接地点会有电容性质的接地电流流过，这个接地电流将在接地处产生电弧。

当接地电流较小时，电弧会自行熄灭，不会对系统运行造成直接危害；当接地电流较大时，就有可能形成间歇的或稳定的电弧。若接地电流大于10A而小于30A时，有可能产生不稳定的间歇性电弧，随着间歇性电弧的产生将引起幅值较高的弧光接地过电压；若接地电流大于30A时，将会产生稳定的电弧，可能导致烧毁设备，引起两相甚至三相短路^[4]。近年来，由于采用这种接地方式而造成的火灾事故时有发生。

由钢铁企业配电系统的特点可以知道，中性点不接地方式实际上已经不适用于目前的钢铁企业。

2 中性点经消弧线圈接地

中性点经消弧线圈接地方式是在中性点接入消弧线圈，补偿接地点电容电流，创造电弧自行熄灭的条件，从而解决发生接地故障时电容电流偏大的问题。

消弧线圈是一个带铁芯的电感线圈，其电阻很小，电抗很大。消弧线圈一端接变压器或发电机的中性点，另外一端接地。正常运行时，系统负荷完全对称，中性点对地电位为零，消弧线圈两端没有电压差，消弧线圈中没有电流通过。当某相发生单相接地故障时，在接地点产生较大电容电流并形成电弧，且中性点电位发生偏移，这时在消弧线圈两端将出现电位差，产生的电流流过消弧线圈，由于消弧线圈的参数以感抗为主，所以该电流也为感性。同时，这个感性的电流还将流过接地回路，由于与接地点产生的较大电容电流相位相反，因此二者互相补偿，使流过接地点的电容电流减小，并在接地电流过零点熄灭电弧。电弧熄灭后，消弧线圈还可起到降低故障相电压的恢复速度从而减小电弧重燃可能性的作用。

采用中性点经消弧线圈接地的配电系统发生接地故障后，其电压变化与采用中性点不接地的配电系统类似：故障相对地电压下降，非故障相对地电压升高到相电压的槡3倍；而故障后线电压依然不变，不影响负荷的运行，可以继续运行2h。

因此，中性点经消弧线圈接地方式也具有供电连续性高、对通信干扰小的优点，它既可以满足单相接地故障后允许继续运行2h的要求，也可以消除接地电容电流过大而造成的隐患，因此，目前这种方式普遍存在于钢铁企业的6～10kV系统中。

但是，在选择这种接地方式时，也要注意以下2个问题：(1)由于感性电流不大于接地电容电流时，消弧线圈容易与对地电容产生串联谐振过电压，使中性点电压升高，危害到设备的绝缘，因此，采用中性点经消弧线圈接地的配电系统必须运行在过补偿方式下，即选择的消弧线圈的感抗要小于电网的对地容抗^[3]。也就是说，消弧线圈提供的感性电流要大于系统的接地电容电流，才能避免串联谐振的发生。通常，在做钢铁企业变电站的最初设计时，设计人员大都会按照过补偿方式选择消弧线圈的容量。但是在实际运行中，配电系统往往会因为生产的需要而不断扩大，导致系统的接地电容电流不断增加，有时会超过消弧线圈提供的感性电流，从而使系统存在隐患。这就要求钢铁企业对系统的接地电容电流进行定期测量，如果发现该电流超标，则应马上扩大消弧线圈的容量。

(2)经消弧线圈补偿后，系统接地点的电流很小，并且处于高频震荡状态，采用继电保护装置来判断接地故障比较困难，这就要求在配电系统中加装小电流选线装置。目前，大多数消弧线圈成套装置均附带了小电流选线的功能，当系统发生单相接地故障时能够自动选出故障线路并提供故障信息。但是根据实际反馈，这些小电流选线装置的准确率在60%～70%，其余需要人工反复测试和现场巡视，才能找到接地故障点。因此，采用中性点经消弧线圈接地的系统存在接地故障点不能快速发现的隐患，需要生产单位加强日常对电缆的巡视及维护，减少由于电缆故障引起的接地事故，来保证系统的安全运行。

3 中性点经电阻接地

中性点经消弧线圈接地最大的优点在于允许单相接地时，系统带故障运行2h，因而可以保证供电的连续性。但是在目前钢铁企业配电系统普遍采用电缆的情况下，一旦发生电缆单相接地故障则通常是永久性故障，这时如果不能迅速找到故障点，永久性的单相接地故障就很有可能发展为相间故障。这样，一方面使系统设备长时间承受过电压的作用；另一方面，供电连续性的优势也不复存在。针对这种情况，同时考虑到前面两种方式的不足，近年来越来越多的企业选择采用中性点经电阻接地的方式。

中性点经电阻接地方式，是将电阻接于中性点与地之间。中性点经电阻接地方式又分为经高电阻接地方式和经低电阻接地方式。中性点经高电阻接地方式发生接地故障时，流经电阻的电流小于10A；中性点经低电阻接地方式发生接地故障时，流经电阻的电流一般为100～1000A^[2]。在选择经高电阻还是低电阻接地时，流经接地电阻的电流应考虑按系统发生接地故障时可能产生的最大接地电容电流的2.5～3倍选定。由于钢铁企业内部6～10kV系统的接地电容电流普遍较大，因此中性点经低电阻接地方式被越来越多地采用。

采用中性点经低电阻接地方式的配电系统在正常运行时，中性点电位为零或接近于零，所以没有或只有少量的电流流过接地电阻。当线路某相出现接地故障时，中性点电位发生偏移，有较大的电流流过该接地电阻，同时，这个阻性电流也会流过接地故障点，叠加在故障点较大的电容电流上。

由于故障点的电流可以达到数百安培，因此，故障线路不能继续运行，零序继电保护会快速动作，断开线路断路器，以切除故障相。

与中性点经消弧线圈接地方式相比，中性点经低电阻接地方式优点如下：可以降低单相接地时非故障相的过电压，避免使单相接地发展为两相故障；由于过电压水平低，因而可以采用绝缘水平较低的电缆和设备，以节省投资；便于选择简单灵敏的继电保护设备；自动清除故障，运行维护方便。

中性点经低电阻接地方式最大的缺点是由于接地故障线路被迅速切除，因此会引起供电间断。

但是，根据钢铁企业配电系统的特点，不论采用何种接地方式，间断供电都很难避免。况且，钢铁企业二类及以上的负荷，均已考虑两回路供电，即使因接地故障而切除一个回路的电源，仍然还有另一回路电源供电。因此，从表面上看，这种接地方式破坏了供电的连续性，但实际上却最大限度地保障了系统安全，因而使其间断供电的缺点并不十分突出。

4 结论

根据上述理论分析以及各个钢铁企业实际运行的经验，可以对目前钢铁企业6～10kV系统中性点接地方式的选择做出以下结论：

(1)对于新建的大规模钢铁企业，建议首选中性点经低电阻接地方式。该种接地方式能够迅速判断出故障线路，并在很短时间内将其切除，使设备耐受过电压的时间大幅度缩短，保障电网安全运行，使整个钢铁企业电网的供电可靠性有较大提高。

(2)对于已经建成或扩建的钢铁企业，并且以前配电系统已经采用了中性点经消弧线圈接地方式，如果条件允许，可以改为采用中性点经低电阻接地方式。但这种改动需要更换配电系统中所有6～10kV回路的零序电流互感器，并增加零序继电保护，改动工作量大，很有可能会中断企业的正常生产。因此，对难以满足上述条件的企业，仍然可以保留中性点经消弧线圈接地方式，但应对配电系统的接地电容电流进行定期测量，当该电流发生变化时，重新校核消弧线圈的容量，以保证其运行在过补偿方式下。同时，需要在配电系统中安装选线准确率高的小电流选线装置，并加强企业日常对电缆的巡视及维护，减少由于电缆故障引起的安全隐患。

(3)钢铁企业中，应尽量避免采用中性点不接地方式。由中性点不接地改造为中性点经低电阻接地方式，也需要更换配电系统中所有6～10kV回路的零序电流互感器，并增加零序继电保护。

因此，对于已经采用了中性点不接地方式的企业，如果条件允许，应优先改为中性点经低电阻接地方式；如果条件不允许，则至少应改为中性点经消弧线圈接地方式。

参 考 文 献：

[1]   余建华．供配电一次系统[M]．北京：中国电力出版社，2006：21-22．

[2]   杜澍春，陈维江．DL/T620-1997，交流电气装置过电压保护与绝缘配合[S]．北京：中国电力出版社，1997：1-3．

[3]   王洪才，陈廷镖，陆乃城，等．钢铁企业电力设计手册[M]．北京：冶金工业出版社，1996：35-37．

[4]   杜文学．供用电工程[M]．北京：中国电力出版社，2005：42-46．