论文部分内容阅读
[摘要]：根据钢铁企业自身的特点，详细介绍了10kV供电系统的中性点不同的接地方式以及每种接地方式的特点，，分析中性点接地方式与企业生产工艺负荷的关系，主要讨论大电流接地和小电流接地系统各自可靠性的影响因素，并提出提高可靠性的对策。
中图分类号：TP213 文献标识码：TP 文章编号：1009-914X（2012）20- 0151 -02
一般的大型钢铁企业包含有烧结、焦化、高炉炼铁、转炉炼钢、热轧、冷轧、能源动力工厂（自备发电、供电、燃气、制氧、供水）及辅助部门（机加工、原料加工、基础建设、车辆运输、机车修理等），某些大型钢铁企业甚至包括矿山。我参与的相关项目如武钢、湘钢、昆钢、阳春新钢等就是包括了上述全部生产部门的大型钢铁企业，其供电系统规模庞大，电压等级最高220kV，最低380V ，中间电压还有l10，35，10kV等，其中10kV供电电缆和设备在数量和空间上都占绝对的比例，10kV 供电系统的维护工作量和故障率位居整个企业高压供电系统榜首。1OkV系统接地方式的选择是供电系统设计阶段的重要内容，是在供电系统运行之前就已决定供电可靠性的重要因素，随着实际运行情况可靠性的表现，接地方式与装备、负荷类型、运行方式等关系更加密切，这种关系的制约与促进作用对供电可靠性的影响不可忽视。
1 .中性点接地方式的种类及各自特点
额定电压为1kV及以上的高压系统，单相接地电流或同点两相接地时入地电流大于500A的称为大接地短路电流系统，500A及以下的称为小接地短路电流系统。在一般情况下，中性点直接接地电网属于大接地短路电流系统，非直接接地电网属于小接地短路电流系统。发电机或变压器中性点直接或经小阻抗与接地装置连接，称为中性点直接接地。发电机或变压器的中性点不接地或经消弧线圈、电阻和电压互感器等接地的，称为中性点非直接接地。
我国电网按不同电压等级通常采用的接地方式如下：220kV电压等级及以上的系统采用中性点直接接地方式；154及110kV电压等级系统大部分为中性点直接接地方式，小部分为非直接接地；3～60kV电压等级系统采用中性点非直接接地方式。
对于直接接地（包括中性点经小电阻接地）方式，发生单相接地故障时，接地短路电流很大。此种接地系统接地时，接地点与中性接地点构成短路回路，接地相电流很大，极易损坏电气设备，必须迅速切除接地部分。采用零序保护使接地设备开关跳闸，快速切除接地设备。从保护设备的角度来看，此种接地方式保护速度迅速，灵敏度高。但是从发生单相接地就造成跳闸停电这层意义上说，供电可靠性低。
对于中性点不接地（中性点经消弧线圈接地）方式。发生单相接地时，接地点电容电流泄人大地，电流很小，不构成短路回路（中性点经消弧线圈接地构成回路，但有消弧线圈的补偿作用，回路电流很小），不必立即切除接地相，可维持一段时间，因此从供电可靠性来说提高了，但非接地相的对地电压升高为相电压的 倍（线电压），相应的绝缘要求提高。因此，对于非直接接地系统电压等级越高，绝缘成本就越高，而采用中性点直接接地方式，不必增加象不接地方式需提高 倍的绝缘要求，有效降低绝缘成本。对于钢铁厂10kV供电系统来说，绝缘成本不再是主要问题，重要的是可靠性，即供电安全连续，保证烧结、焦化、高炉炼铁、转炉电炉炼钢、热轧、冷轧等主工艺生产设备和人身安全及工艺顺行。这就需要更多的根据负荷性质，而不是仅仅参考电压等级，去考虑适用范围，从而达到选择的平衡和优化，提高供电可靠性和人员及设备的安全性。
2 .选择中性点接地类型与负荷及装备的关系
2.1 负荷的区域性决定的供电系统
变电站10kV配电线路的地理分布、架空线路长度是对供电可靠性产生影响的一个重要因素。对于工艺规模较小，生产线较单一，用电负荷较小，电力系统较简单的钢铁厂，通常仅由几个降压变电站负担所有主工艺生产设备。一个降压变电站同时带周边好幾个主工艺生产设备及众多辅助厂、开关站。这些主要工艺设备地理分布跨度较大，造成10kV配电线路的地理分布面积大、架空线路长度长。这就必然使配电架空线路及电缆受自然环境及外力破坏几率增加，即发生单相接地和短路的故障率增加。例如经调查武钢早期的几个降压变电站就有这样的特点，是一种综合型降压站，通常采用中性点经消弧线圈接地方式（非直接接地系统），杜绝接地故障时接地点电弧重燃，减少因单相接地故障的跳闸停电率（尤其是因风雨天气对架空线造成的瞬时性接地），提高了供电可靠性。
对于专供变电站（专供某一个厂，如某轧钢厂、炼钢厂、氧气站等），通常变电站10kV线路为电缆出线，由降压变电站通过统一的电缆沟（隧道或电缆通廊）直达用户开关站，地理分布为线段形，距离近，电缆长度较短，受环境影响和破坏的几率较低，可靠性在这方面较高，因此中性点接地方式可不采用中性点经消弧线圈接地方式（非直接接地系统），又考虑到负荷工艺和装备绝缘的因素，选择中性点经电阻直接接地方式，即大电流接地系统。这样做可以节省设备成本，同时供电可靠性得到了保证。
2.2 工艺生产线的个性决定的供电系统
一个降压变电站的负荷如果是一套工序性很强的生产工厂，其所有设备中有一台重要设备中断供电，则工序中断，这种负荷是一个连续的生产线，其供电降压变电站站设计为专供降变电压站，与生产现场距离近，采用全电缆供电，电缆发生单相接地时，极易发展为两相或三相短路。不希望发生接地时能运行一段时间，而希望接地时迅速切除接地线路。因此，选择大电流接地系统，不选择中性点经消弧接地方式。如热轧钢厂，降压站出线电源分别供粗轧主传动、精轧主传动、粗轧动力、精轧动力、粗轧辅助、精轧辅助等有关设备，当其中某一供电线路发生故障停车，则整个生产线停车。这种降压站设计为中性点经电阻接地方式，发生单相接地时，立即通过零序过流保护切除接地线路。从而保护设备的安全。
2.3 设备装备决定的供电系统
近几年，随电气技术的发展，电气设备向轻小型、集成化、免维护等特点发展，新建供电系统电气设备广泛具备以上特点。现在的电气设备自动化程度高，体积小，整个配电室开关柜集中，占地空间小，大多采用真空断路器，优点是维护量小，节约建设资金，操作方便；缺点是绝缘间距缩小，电缆绝缘参数余度降低，一旦发生接地事故，容易扩大为两相短路事故。因此，发生接地故障时不希望继续运行一段时间而增加两相短路的风险，而是希望接地时迅速切除接地线路。因此，选择大电流接地系统（中性点经电阻直接接地），不选择中性点经消弧接地方式。 3. 不同接地方式供电可靠性分析
3.1 中性点不接地系统方式的可靠性分析
中性点不接地系统属于非直接接地系统的一种，实际上可以看做是经容抗接地系统。当发生单相接地时，仅非故障相对地电压升高而相间电压对称性并为破坏，故不影响三相用电设备供电，某些情况下允许电网带故障运行1～2小时。对于单相接地电容电流很小的系统，许多瞬时性故障常常能自动消除，因而能迅速恢复电网正常运行。但是中性点不接地系可能会产生异常过电压。当发生单相接地故障或操作时，有时会产生铁磁谐振过电压，使非故障相的高电压达到运行电压的4～4.5倍，当发生弧光接地时，由于反复多次重燃使非故障相过电压，一般为运行电压的3倍，最高可达3.5倍，并且能量大，持续时间长，遍及全系统。这将影响设备绝缘，大大降低设备使用寿命，因此产生异常过电压称为中性点不接地系统的主要缺点。
3.2 中性点经消弧线圈的小电流接地方式的可靠性分析
综合型降压变电站电缆架空线路长，架空线路多，架空线路分支多，受环境影响较大，定检维护存在死角，用户类型多元化，维护力量参差不齐，这是造成线路故障率高的主要原因，供电系统选择中性点经消弧线圈的小电流接地方式，发生接地故障时，能继续运行一段时间，不会马上跳闸而引起断电，给用户充分的时间切换到其他电源继续生产，避免因突然断电引起的事故或生产损失，从这个意义上讲，提高了供电可靠性。但是，在单相接地期间，接地相电压接近零，另两相电压升高为线电压，对绝缘是个考验，同一系统的薄弱环节很可能发生两相短路故障，跳闸断电。因此，扬长避短才能最终提高供电可靠性。
3.3 中性点经电阻直接接地的大电流接地系统可靠性分析
无论是负荷工艺类型还是设备装备决定的大电流接地系统，都不允许长时间接地，避免进一步的绝缘损伤甚至烧毁电器设备，因此配备零序过流保护，迅速切断接地线路。虽然，这种供电系统在接地时和两相短路时均跳闸，跳闸几率较高，似乎可靠性降低，但可以从其他方面减少跳闸次数，提高供电可靠性。
4 .提高不同中性点接地方式系统可靠性的解决方案
4.1 提高中性点不接地系统（小电流接地方式）可靠性的解决方案
加强供电设备、线路巡视维护，定期对线路和电缆进行绝缘测试和清扫，将裸线更换为绝缘导线，对于10kV供电线路尽量采用电缆供电，这样可以抵抗外界干扰，保证供电线路正常运行，减少故障率。相接地故障时，采用小电流接地选线装置和人工经验查找接地线路法，尽快查出接地线路，及时切除接地线路故障部分，是减少接地故障扩大和蔓延的有效措施。
4.2 提高中性点直接接地系统（大电流接地方式）可靠性的解决方案
需注意几点：一是做好定检预试工作，预先了解电缆绝缘水平，采用与电压等级相适应的低频交流绝缘测试技术对电缆进行耐压试验，既考察了电缆的绝缘水平又降低了耐压试验本身对绝缘的破坏（与纯直流耐压试验比较而言）；二是定期校验零序保护及速断、过流保护，保持正常的灵敏度和运行状况；三是加强电缆隧道监控，定时巡视，清理隧道，保持良好的环境；四是装备电缆在线测温、消防烟雾报警监测设备，对电缆进行监控。
5 .结语
每种接地方式都有着自身的优缺点，都有着自身的适用范围，因此我们在今后的工作当中要仔细分析实际情况，根据钢铁企业生产工艺不同的类型、装备特点及建设空间地理位置的特点，合理选择l0kV中性点接地方式，这对于保障人员安全和钢厂供电系统稳定、安全、可靠运行具有十分重要的意义，同时也可以优化我们的工程设计质量。
参考文献：
[1]钢铁企业电力设计手冊，北京：冶金工业出版社
[2]电气工程基础，中国电力出版社
[3]电力系统分析，中国电力出版社
中图分类号：TP213 文献标识码：TP 文章编号：1009-914X（2012）20- 0151 -02
一般的大型钢铁企业包含有烧结、焦化、高炉炼铁、转炉炼钢、热轧、冷轧、能源动力工厂（自备发电、供电、燃气、制氧、供水）及辅助部门（机加工、原料加工、基础建设、车辆运输、机车修理等），某些大型钢铁企业甚至包括矿山。我参与的相关项目如武钢、湘钢、昆钢、阳春新钢等就是包括了上述全部生产部门的大型钢铁企业，其供电系统规模庞大，电压等级最高220kV，最低380V ，中间电压还有l10，35，10kV等，其中10kV供电电缆和设备在数量和空间上都占绝对的比例，10kV 供电系统的维护工作量和故障率位居整个企业高压供电系统榜首。1OkV系统接地方式的选择是供电系统设计阶段的重要内容，是在供电系统运行之前就已决定供电可靠性的重要因素，随着实际运行情况可靠性的表现，接地方式与装备、负荷类型、运行方式等关系更加密切，这种关系的制约与促进作用对供电可靠性的影响不可忽视。
1 .中性点接地方式的种类及各自特点
额定电压为1kV及以上的高压系统，单相接地电流或同点两相接地时入地电流大于500A的称为大接地短路电流系统，500A及以下的称为小接地短路电流系统。在一般情况下，中性点直接接地电网属于大接地短路电流系统，非直接接地电网属于小接地短路电流系统。发电机或变压器中性点直接或经小阻抗与接地装置连接，称为中性点直接接地。发电机或变压器的中性点不接地或经消弧线圈、电阻和电压互感器等接地的，称为中性点非直接接地。
我国电网按不同电压等级通常采用的接地方式如下：220kV电压等级及以上的系统采用中性点直接接地方式；154及110kV电压等级系统大部分为中性点直接接地方式，小部分为非直接接地；3～60kV电压等级系统采用中性点非直接接地方式。
对于直接接地（包括中性点经小电阻接地）方式，发生单相接地故障时，接地短路电流很大。此种接地系统接地时，接地点与中性接地点构成短路回路，接地相电流很大，极易损坏电气设备，必须迅速切除接地部分。采用零序保护使接地设备开关跳闸，快速切除接地设备。从保护设备的角度来看，此种接地方式保护速度迅速，灵敏度高。但是从发生单相接地就造成跳闸停电这层意义上说，供电可靠性低。
对于中性点不接地（中性点经消弧线圈接地）方式。发生单相接地时，接地点电容电流泄人大地，电流很小，不构成短路回路（中性点经消弧线圈接地构成回路，但有消弧线圈的补偿作用，回路电流很小），不必立即切除接地相，可维持一段时间，因此从供电可靠性来说提高了，但非接地相的对地电压升高为相电压的 倍（线电压），相应的绝缘要求提高。因此，对于非直接接地系统电压等级越高，绝缘成本就越高，而采用中性点直接接地方式，不必增加象不接地方式需提高 倍的绝缘要求，有效降低绝缘成本。对于钢铁厂10kV供电系统来说，绝缘成本不再是主要问题，重要的是可靠性，即供电安全连续，保证烧结、焦化、高炉炼铁、转炉电炉炼钢、热轧、冷轧等主工艺生产设备和人身安全及工艺顺行。这就需要更多的根据负荷性质，而不是仅仅参考电压等级，去考虑适用范围，从而达到选择的平衡和优化，提高供电可靠性和人员及设备的安全性。
2 .选择中性点接地类型与负荷及装备的关系
2.1 负荷的区域性决定的供电系统
变电站10kV配电线路的地理分布、架空线路长度是对供电可靠性产生影响的一个重要因素。对于工艺规模较小，生产线较单一，用电负荷较小，电力系统较简单的钢铁厂，通常仅由几个降压变电站负担所有主工艺生产设备。一个降压变电站同时带周边好幾个主工艺生产设备及众多辅助厂、开关站。这些主要工艺设备地理分布跨度较大，造成10kV配电线路的地理分布面积大、架空线路长度长。这就必然使配电架空线路及电缆受自然环境及外力破坏几率增加，即发生单相接地和短路的故障率增加。例如经调查武钢早期的几个降压变电站就有这样的特点，是一种综合型降压站，通常采用中性点经消弧线圈接地方式（非直接接地系统），杜绝接地故障时接地点电弧重燃，减少因单相接地故障的跳闸停电率（尤其是因风雨天气对架空线造成的瞬时性接地），提高了供电可靠性。
对于专供变电站（专供某一个厂，如某轧钢厂、炼钢厂、氧气站等），通常变电站10kV线路为电缆出线，由降压变电站通过统一的电缆沟（隧道或电缆通廊）直达用户开关站，地理分布为线段形，距离近，电缆长度较短，受环境影响和破坏的几率较低，可靠性在这方面较高，因此中性点接地方式可不采用中性点经消弧线圈接地方式（非直接接地系统），又考虑到负荷工艺和装备绝缘的因素，选择中性点经电阻直接接地方式，即大电流接地系统。这样做可以节省设备成本，同时供电可靠性得到了保证。
2.2 工艺生产线的个性决定的供电系统
一个降压变电站的负荷如果是一套工序性很强的生产工厂，其所有设备中有一台重要设备中断供电，则工序中断，这种负荷是一个连续的生产线，其供电降压变电站站设计为专供降变电压站，与生产现场距离近，采用全电缆供电，电缆发生单相接地时，极易发展为两相或三相短路。不希望发生接地时能运行一段时间，而希望接地时迅速切除接地线路。因此，选择大电流接地系统，不选择中性点经消弧接地方式。如热轧钢厂，降压站出线电源分别供粗轧主传动、精轧主传动、粗轧动力、精轧动力、粗轧辅助、精轧辅助等有关设备，当其中某一供电线路发生故障停车，则整个生产线停车。这种降压站设计为中性点经电阻接地方式，发生单相接地时，立即通过零序过流保护切除接地线路。从而保护设备的安全。
2.3 设备装备决定的供电系统
近几年，随电气技术的发展，电气设备向轻小型、集成化、免维护等特点发展，新建供电系统电气设备广泛具备以上特点。现在的电气设备自动化程度高，体积小，整个配电室开关柜集中，占地空间小，大多采用真空断路器，优点是维护量小，节约建设资金，操作方便；缺点是绝缘间距缩小，电缆绝缘参数余度降低，一旦发生接地事故，容易扩大为两相短路事故。因此，发生接地故障时不希望继续运行一段时间而增加两相短路的风险，而是希望接地时迅速切除接地线路。因此，选择大电流接地系统（中性点经电阻直接接地），不选择中性点经消弧接地方式。 3. 不同接地方式供电可靠性分析
3.1 中性点不接地系统方式的可靠性分析
中性点不接地系统属于非直接接地系统的一种，实际上可以看做是经容抗接地系统。当发生单相接地时，仅非故障相对地电压升高而相间电压对称性并为破坏，故不影响三相用电设备供电，某些情况下允许电网带故障运行1～2小时。对于单相接地电容电流很小的系统，许多瞬时性故障常常能自动消除，因而能迅速恢复电网正常运行。但是中性点不接地系可能会产生异常过电压。当发生单相接地故障或操作时，有时会产生铁磁谐振过电压，使非故障相的高电压达到运行电压的4～4.5倍，当发生弧光接地时，由于反复多次重燃使非故障相过电压，一般为运行电压的3倍，最高可达3.5倍，并且能量大，持续时间长，遍及全系统。这将影响设备绝缘，大大降低设备使用寿命，因此产生异常过电压称为中性点不接地系统的主要缺点。
3.2 中性点经消弧线圈的小电流接地方式的可靠性分析
综合型降压变电站电缆架空线路长，架空线路多，架空线路分支多，受环境影响较大，定检维护存在死角，用户类型多元化，维护力量参差不齐，这是造成线路故障率高的主要原因，供电系统选择中性点经消弧线圈的小电流接地方式，发生接地故障时，能继续运行一段时间，不会马上跳闸而引起断电，给用户充分的时间切换到其他电源继续生产，避免因突然断电引起的事故或生产损失，从这个意义上讲，提高了供电可靠性。但是，在单相接地期间，接地相电压接近零，另两相电压升高为线电压，对绝缘是个考验，同一系统的薄弱环节很可能发生两相短路故障，跳闸断电。因此，扬长避短才能最终提高供电可靠性。
3.3 中性点经电阻直接接地的大电流接地系统可靠性分析
无论是负荷工艺类型还是设备装备决定的大电流接地系统，都不允许长时间接地，避免进一步的绝缘损伤甚至烧毁电器设备，因此配备零序过流保护，迅速切断接地线路。虽然，这种供电系统在接地时和两相短路时均跳闸，跳闸几率较高，似乎可靠性降低，但可以从其他方面减少跳闸次数，提高供电可靠性。
4 .提高不同中性点接地方式系统可靠性的解决方案
4.1 提高中性点不接地系统（小电流接地方式）可靠性的解决方案
加强供电设备、线路巡视维护，定期对线路和电缆进行绝缘测试和清扫，将裸线更换为绝缘导线，对于10kV供电线路尽量采用电缆供电，这样可以抵抗外界干扰，保证供电线路正常运行，减少故障率。相接地故障时，采用小电流接地选线装置和人工经验查找接地线路法，尽快查出接地线路，及时切除接地线路故障部分，是减少接地故障扩大和蔓延的有效措施。
4.2 提高中性点直接接地系统（大电流接地方式）可靠性的解决方案
需注意几点：一是做好定检预试工作，预先了解电缆绝缘水平，采用与电压等级相适应的低频交流绝缘测试技术对电缆进行耐压试验，既考察了电缆的绝缘水平又降低了耐压试验本身对绝缘的破坏（与纯直流耐压试验比较而言）；二是定期校验零序保护及速断、过流保护，保持正常的灵敏度和运行状况；三是加强电缆隧道监控，定时巡视，清理隧道，保持良好的环境；四是装备电缆在线测温、消防烟雾报警监测设备，对电缆进行监控。
5 .结语
每种接地方式都有着自身的优缺点，都有着自身的适用范围，因此我们在今后的工作当中要仔细分析实际情况，根据钢铁企业生产工艺不同的类型、装备特点及建设空间地理位置的特点，合理选择l0kV中性点接地方式，这对于保障人员安全和钢厂供电系统稳定、安全、可靠运行具有十分重要的意义，同时也可以优化我们的工程设计质量。
参考文献：
[1]钢铁企业电力设计手冊，北京：冶金工业出版社
[2]电气工程基础，中国电力出版社
[3]电力系统分析，中国电力出版社