露天礦采選冶工程供配電系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地設(shè)計

董昕鵬，李云鵬

(1.北京市工業(yè)設(shè)計研究院，北京 100055；2.吉安集團(tuán)有限公司，浙江嘉興市 314304)

露天礦采選冶工程供配電系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地設(shè)計

董昕鵬1，李云鵬2

(1.北京市工業(yè)設(shè)計研究院，北京 100055；2.吉安集團(tuán)有限公司，浙江嘉興市 314304)

結(jié)合總降壓變電站、柴油發(fā)電機(jī)站、10 kV車間變電站、采礦場、炸藥庫等場所的供配電系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地設(shè)計，介紹了露天礦采選冶工程的各電壓等級供配電系統(tǒng)的工作接地設(shè)計要點(diǎn)。

中性點(diǎn)接地；總降壓變電所；車間變電所；采礦場

0 引 言

露天礦采選冶工程中有大量的不同電壓等級的電氣設(shè)備，需要采取相應(yīng)的電氣接地措施，將系統(tǒng)、裝置或設(shè)備的給定點(diǎn)與局部地之間做良好的電氣連接。本文結(jié)合一具體工程，針對不同電壓等級的主要電氣裝置，探討露天礦采選冶工程供配電系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地設(shè)計。

1 工程簡介

某大型露天金礦位于我國西部某區(qū)，是該區(qū)最大規(guī)模的露天金礦采選冶工程，也是國內(nèi)最大的堆浸型金礦之一。全礦由露天采礦場、選礦區(qū)、金回收區(qū)、輔助區(qū)(水源地、炸藥庫、動力區(qū)、辦公區(qū)、生活區(qū))等組成，在這些區(qū)域有大量的不同電壓等級的電氣設(shè)備運(yùn)行。

2 中性點(diǎn)接地的概念與方式

2.1 中性點(diǎn)接地的概念

人為地將電力系統(tǒng)中性點(diǎn)，通過接地裝置與大地之間進(jìn)行的電氣連接，稱為中性點(diǎn)接地。它屬于工作接地。

工作接地是為了保障電氣裝置在正常或故障時，能夠可靠地工作而采取的接地，一般通過裝置的中性點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)。這種接地是一種功能性接地。

2.2 中性點(diǎn)接地方式

根據(jù)系統(tǒng)中性點(diǎn)與局部地之間采用的電氣技術(shù)手段(中性點(diǎn)與地之間的物理關(guān)系)，劃分為下述類型。

(1)中性點(diǎn)有效接地方式。采用這種接地方式的系統(tǒng)亦稱為大電流接地系統(tǒng)，系統(tǒng)的中性點(diǎn)直接接地或經(jīng)低阻抗(采用低值電抗器)接地。

(2)中性點(diǎn)非有效接地方式。采用這種接地方式的系統(tǒng)亦稱為小電流接地系統(tǒng)。具體的接地方式有：中性點(diǎn)不接地方式、中性點(diǎn)低電阻接地方式、中性點(diǎn)高電阻接地方式、中性點(diǎn)諧振接地方式。

上述接地方式是功能性接地中的工作接地。

保護(hù)性接地是直接接地，如系統(tǒng)的外露可導(dǎo)電部分通過接地裝置與地直接相聯(lián)接，獲得零電位或建立局部等電位。

3 高壓(110kV)系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地

本工程設(shè)有一座110/10 kV總降壓變電所。該變電所屬于一般變電所(非樞紐變電所)。其110 kV側(cè)為單母線接線，10 kV側(cè)采用單母線分段接線，設(shè)有兩臺同規(guī)格的主變壓器。

3.1 110 kV輸電線路接地形式

總降壓變電所的電源來自于地區(qū)110 kV電網(wǎng)，其中性點(diǎn)接地方式為直接接地。這種接地方式的特點(diǎn)是：在發(fā)生單相短路時，短路電源較大，線路或設(shè)備需立即切除，雖然降低了供電連續(xù)性，但因其過電壓較低，可降低絕緣水平，減少設(shè)備投資和建設(shè)成本。

輸電線路的敷設(shè)方式為架空線，設(shè)有避雷線。每基桿塔不連避雷線的工頻接地電阻，在雷季干燥時，不宜超過20 Ω。

3.2 110 kV/10主變壓器中性點(diǎn)的接地

3.2.1 110 kV側(cè)

本工程總降壓變電所主變壓器的具體規(guī)格為：雙繞組有載調(diào)壓，油浸，變比為110±8x1.25%/10.5 kV，繞組結(jié)線方式為YNd11，Uk%＝10.5。按國家電力部門規(guī)定，電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式為直接接地，因

此主變壓器的110 kV側(cè)繞組為Y形接法，采用中性點(diǎn)直接接地方式，具體實(shí)施的設(shè)備為中性點(diǎn)綜合接地裝置。該裝置的組成為：水平開啟式隔離開關(guān)、氧化鋅避雷器、中性點(diǎn)間隙組合設(shè)備、中性點(diǎn)間隙電流互感器。

主要參數(shù)如下：

(1)氧化鋅避雷器，額定電壓72 kV，標(biāo)稱放電電流1.5 kA，1.5 kA雷電沖擊電流殘壓186 kV。

(2)中性點(diǎn)間隙組合設(shè)備，間隙額定電壓(有效值)63 kV，系統(tǒng)額定電壓(有效值)110 kV，間隙電極距離可調(diào)范圍90～135 mm；

(3)中性點(diǎn)間隙電流互感器，額定電流比為100/5 A。

3.2.2 10 kV側(cè)

主變壓器二次側(cè)為三角形接法，無中性點(diǎn)，不接地。

4 中壓(10kV)系統(tǒng)接地

本工程中壓系統(tǒng)電壓等級為10 kV，系統(tǒng)范圍包括總降變電站10 kV系統(tǒng)，車間變電所10 kV系統(tǒng)，10 kV用電設(shè)備。

4.1 中性點(diǎn)接地方式的選擇

單相接地短路故障占到電氣短路故障的70%～80%，并且絕大多數(shù)相間故障都是由單相接地故障發(fā)展而來的。

接地故障與中性點(diǎn)接地方式緊密相關(guān)，即使故障條件相同，但中性點(diǎn)接地方式不同，表現(xiàn)出的故障特點(diǎn)、后果完全不同，采取的保護(hù)措施也不相同。

4.1.1 不同接地形式的10 kV配電系統(tǒng)的單相接地短路故障特點(diǎn)

(1)10 kV有效接地系統(tǒng)。中性點(diǎn)直接接地方式：在該系統(tǒng)中，單相接地故障發(fā)生后，接地點(diǎn)通過中性點(diǎn)與大地、相導(dǎo)線形成電氣通路，故障相會有大值短路電流流過，此時斷路器須立即跳閘切除故障回路。中性點(diǎn)經(jīng)低阻抗接地方式：變壓器的中性點(diǎn)經(jīng)低阻抗值的小電抗器接地的系統(tǒng)，在單相接地故障發(fā)生后，故障相會有較大值的短路電流流過，此時斷路器跳閘切除故障回路。與其它接地方式相比，中性點(diǎn)的過電壓會大幅下降，不再出現(xiàn)高達(dá)相電壓的過電壓，系統(tǒng)的單相短路電流值得到降低，不再出現(xiàn)失地現(xiàn)象，能夠有效降低變壓器中性點(diǎn)的絕緣水平。在實(shí)踐中，多用于220 kV及以上系統(tǒng)變壓器的中性點(diǎn)接地。

(2)10 kV非有效接地系統(tǒng)。中性點(diǎn)不接地方式：該系統(tǒng)發(fā)生單相接地短路故障時，故障電流Id沒有返回電源的通路，只能通過另兩個非故障相的對地電容返回電源。故障相和非故障相都將流過正常負(fù)荷電流，線電壓仍保持不變，可以短時不切除。但非故障相在故障時間內(nèi)將承受倍相電壓的過電壓，為此需提高10 kV系統(tǒng)供配電設(shè)備及線路的絕緣水平，加大其空氣間隙、爬電距離等，從而加大投資與建設(shè)成本。由于線路對地電容，特別是采用架空線路時，電容很小，因此Id值很小，按規(guī)范規(guī)定，10 kV故障回路的電源側(cè)斷路器不用跳閘，只需發(fā)出故障信號，系統(tǒng)可繼續(xù)運(yùn)行2 h，在該段時間內(nèi)排除故障，以避免因立即跳閘而擴(kuò)大停電范圍。中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式：在實(shí)際工程中，一些城市(如北京)的10 kV配電網(wǎng)采用了電纜埋地敷設(shè)方式，系統(tǒng)單相接地故障電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過10 A，接地電容電流過大，難以補(bǔ)償。設(shè)于系統(tǒng)中性點(diǎn)與大地之間的小電阻，在發(fā)生單相接地故障時，能夠限制故障電流和故障后過電壓的大小。由于故障電流仍較大，需要斷路器迅速動作切除故障線路，中斷供電。

中性點(diǎn)諧振接地方式：對中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，由于線路分布電容的存在，有數(shù)值不大的電容性電流在導(dǎo)線和大地間流通，該電流在故障點(diǎn)將以電弧形式存在。當(dāng)電容電流較大(如大長度的10 kV電纜系統(tǒng))時，電弧高溫會燒毀設(shè)備，引起火災(zāi)，不穩(wěn)定的電弧燃燒還會引起弧光過電壓，造成相間故障，從而導(dǎo)致斷路器跳閘，中斷供電。為消除上述故障，在中性點(diǎn)接入消弧線圈，經(jīng)接地變壓器接地。正常時接于中性點(diǎn)與大地之間的線圈中無電流通過，該線圈不起作用；接地故障發(fā)生時，中性點(diǎn)出現(xiàn)零序電壓，將有感性電流通過消弧線圈進(jìn)入發(fā)生了接地故障的電力系統(tǒng)，抵消在接地點(diǎn)的容性接地電流，接地點(diǎn)的電弧電流被消除或只有很小的容性電流，能夠消除或減輕電弧電流的危害。

經(jīng)高電阻接地系統(tǒng)：在單相接地電流電容電流較小(小于10 A)時，為減少故障點(diǎn)的電位梯度、阻尼諧振過電壓，在中性點(diǎn)接入高電阻，電阻值為幾百至幾千歐姆，一般大于500 Ω。在大型發(fā)電機(jī)組、部分中壓配電系統(tǒng)、電廠廠用電系統(tǒng)故障電容電流較小時，為限制單相接地故障電流，以防止諧振、間隙性電弧接地過電壓等對設(shè)備的損害，可采用高電阻接地方式。這樣在系統(tǒng)發(fā)生單相接地時可以繼續(xù)運(yùn)行2 h，在該段時間內(nèi)故障接地可不跳閘。這與小電

阻接地運(yùn)行方式有著根本不同。

4.1.2 中性點(diǎn)接地方式的選擇

選擇中性點(diǎn)的接地方式主要需考慮供電可靠性(可否在某一相發(fā)生接地短路故障時，系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行)和限制過電壓。

國家電力規(guī)范要求：對中性點(diǎn)有效接地系統(tǒng)，應(yīng)迅速切斷接地短路故障(切斷供電)；對中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，應(yīng)能迅速反應(yīng)接地故障的信號，也可裝設(shè)延時自動切除故障的裝置(允許發(fā)生故障后繼續(xù)供電一段時間，一般為2 h，期間查找、排除故障)。結(jié)合上述要求和不同形式的中性點(diǎn)接地系統(tǒng)發(fā)生接地故障時的特點(diǎn)，對中性點(diǎn)接地方式的選擇如下。

(1)10 kV和20 kV中壓配電網(wǎng)，當(dāng)單相接地電容電流不超過10 A時，應(yīng)采用不接地方式；當(dāng)為在小接地電容電流時，抑制單相接地暫態(tài)過電壓，防止產(chǎn)生弧光接地過電壓，應(yīng)采用經(jīng)高電阻接地的方式。

(2)當(dāng)單相接地電容電流超過10 A、小于100～150 A時，宜采用經(jīng)消弧線圈接地方式，接地電流宜控制在10 A以內(nèi)。例如，對于不直接連接發(fā)電機(jī)，由鋼筋混凝土桿或金屬塔桿構(gòu)成的6～20 kV系統(tǒng)、由電纜線路構(gòu)成的6～20 kV系統(tǒng)，單相接地故障電流大于10 A又需在接地故障條件運(yùn)行時，應(yīng)采用中性點(diǎn)諧振接地方式。

(3)當(dāng)單相接地電流超過100～150 A，或?yàn)槿娎|網(wǎng)時，宜采用低電阻接地方式，其接地電阻宜按單相接地電流200～1000 A、接地故障瞬時跳閘方式選擇。

4.2 總降壓變電所10 kV系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地方式

總降壓變電所將供電電源經(jīng)主變壓器降壓后，通過所內(nèi)10 kV配電系統(tǒng)(即10 kV母線中壓中置柜系統(tǒng))為礦區(qū)各子項(xiàng)工程及10 kV用電設(shè)備供電，是礦區(qū)的電能樞紐中心。因此正確地選擇該系統(tǒng)的接地方式，對保障礦區(qū)供電的連續(xù)性、可靠性，保持礦區(qū)生產(chǎn)、生活的長期正常運(yùn)行，具有重要意義。

礦區(qū)內(nèi)的10 kV配電線路有架空線、直埋電纜、電纜橋架等3種形式，經(jīng)計算，線路單相接地電容電流總值為30.5 A，決定采用消弧線圈接地方式，設(shè)消弧線圈和接地變壓器，容量分別為300 kVA和400 kVA，并設(shè)消弧線圈控制屏。

4.3 各車間變電所10 kV系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地方式

各車間變電所至相應(yīng)10/0.38 kV變壓器和10 kV用電設(shè)備均采用電纜橋架敷設(shè)方式，系統(tǒng)單相接地電容電流遠(yuǎn)小于10 A，因此采用中性點(diǎn)不接地方式，可保證供電的可靠性。

4.4 各車間10 kV用電設(shè)備的中性點(diǎn)接地方式

各車間10 kV用電設(shè)備為破碎設(shè)備，其中圓錐破碎機(jī) 6臺，顎式破碎機(jī) 1臺，功率均為 400 kW/臺，均為鼠籠型電機(jī)，其中性點(diǎn)不接地。

5 低壓(0.38/0.22kV)配電系統(tǒng)中性點(diǎn)接地

5.1 低壓系統(tǒng)接地類型

根據(jù)國際電工委員會IEC標(biāo)準(zhǔn)，低壓配電系統(tǒng)接地型式有以下3種。

5.1.1 TN系統(tǒng)

系統(tǒng)有一點(diǎn)(中性點(diǎn))直接接地，電氣裝置的外露可導(dǎo)電部分通過保護(hù)線與該接地點(diǎn)相連接。根據(jù)中性導(dǎo)體(N)和保護(hù)導(dǎo)體(PE)的配置方式，該系統(tǒng)分為3種類型：

(1)TN-C系統(tǒng)。系統(tǒng)的N線和PE線是合一的。

(2)TN-C-S系統(tǒng)。系統(tǒng)中N線和PE線是不完全合一的，只有一部分線路是合一的。

(3)TN-S系統(tǒng)。系統(tǒng)的N線和PE線是分開的。

5.1.2 TT系統(tǒng)

系統(tǒng)有一點(diǎn)(中性點(diǎn))直接接地，電氣裝置的外露可導(dǎo)電部分通過保護(hù)線與接地極相連，但該接地極與系統(tǒng)接地點(diǎn)無關(guān)，是在另外地點(diǎn)設(shè)置的。

5.1.3 IT系統(tǒng)

系統(tǒng)與大地間不直接連接(或經(jīng)過高電阻接地)，電氣裝置的外露可導(dǎo)電部分通過保護(hù)線與接地極相連，該接地極一般在裝置附近就地設(shè)置。

可以看出TN系統(tǒng)、TT系統(tǒng)的中性點(diǎn)是直接接地的，IT系統(tǒng)的中性點(diǎn)不接地。因些前兩個系統(tǒng)發(fā)生單相故障時，線路上的斷路器迅速動作跳閘，切斷供電；而IT系統(tǒng)則在發(fā)生單相接地故障時，由于沒有或接地故障電流很小，斷路器不動作，線路可以繼續(xù)供電，可以提高系統(tǒng)供電的可靠性，該系統(tǒng)適于井下、手術(shù)室等供電連續(xù)要求較高的場所。

5.2 礦區(qū)低壓(0.38/0.22 kV)配電系統(tǒng)中性點(diǎn)接地設(shè)計

5.2.1 采礦區(qū)

在露天采礦場設(shè)箱式變電站，其變壓器均為Dyn11接法，二次側(cè)為Y型接法，二次側(cè)的中性點(diǎn)直接接地，為其設(shè)置接地裝置，接地電阻值不大于1

Ω。低壓系統(tǒng)采用TT系統(tǒng)，三相五線制，電氣裝置的PE線另設(shè)接地極。

5.2.2 選礦、冶煉區(qū)

在相關(guān)車間的10/0.38 kV變電站，其變壓器均為Dyn11接法，二次側(cè)為Y型接法，二次側(cè)的中性點(diǎn)直接接地，為其設(shè)置接地裝置，接地電阻值不大于1 Ω。變壓器二次側(cè)中性點(diǎn)直接接地可以防止變壓器中性點(diǎn)漂移，使單相對地電壓穩(wěn)定在220 V左右，減少高壓竄入低壓的危險。

低壓系統(tǒng)采用TN-S系統(tǒng)，三相五線制，變電站內(nèi)設(shè)總等電位聯(lián)結(jié)箱。

5.2.3 廠前區(qū)

廠前區(qū)的低壓配電系統(tǒng)同選礦、冶煉區(qū)，亦采用TN-S系統(tǒng)，三相五線制。變壓器均為Dyn11接法，二次側(cè)中性點(diǎn)直接接地，接地電阻值不大于1 Ω。

低壓系統(tǒng)采用TN-S系統(tǒng)，三相五線制，變電站內(nèi)設(shè)總等電位聯(lián)結(jié)箱。

5.3 柴油發(fā)電站電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地設(shè)計

為了保障重要工藝設(shè)備及消防負(fù)荷的用電需求，本工程設(shè)有一個柴油發(fā)電站，站內(nèi)設(shè)有2臺康明斯 C1500P型柴油發(fā)電機(jī)組，輸出電源電壓為0.4/0.23 kV。電源經(jīng)10/0.4 kV變壓器升壓后，輸送到總降變電站10 kV應(yīng)急母線段。

5.3.1 柴油發(fā)電機(jī)組(0.4/0.23 kV)系統(tǒng)工作接地設(shè)計

柴油發(fā)電機(jī)組輸出電源為0.4/0.23 kV，采用三相五線制，為TN-S系統(tǒng)，中性點(diǎn)直接接地。由于安裝了2臺發(fā)電機(jī)組，采用并列運(yùn)行方式，在每臺機(jī)組的中性點(diǎn)接地線路中安裝刀開關(guān)，即中性點(diǎn)經(jīng)刀開關(guān)接地。

當(dāng)兩臺或多臺機(jī)組并列運(yùn)行時，中性導(dǎo)體易產(chǎn)生奇次諧波環(huán)流。當(dāng)兩臺機(jī)組的中性點(diǎn)接地導(dǎo)體存在環(huán)流時，將其中一臺發(fā)電機(jī)組的中性點(diǎn)接地，另一臺機(jī)組的中性接地線路上的刀開關(guān)斷開，切斷環(huán)流通路。

5.3.2 柴油發(fā)電站升壓系統(tǒng)的工作接地設(shè)計

該站設(shè)有2臺油浸變壓器，規(guī)格為S11-M-10/ 0.4 kV 1600 kVA，繞組接線方式為Dyn11。變壓器一次側(cè)為低壓側(cè)，其中性點(diǎn)直接接地，接地電阻不大于1 Ω；二次側(cè)為高壓側(cè)，不接地。

5.4 炸藥庫配電系統(tǒng)中性點(diǎn)接地設(shè)計

本工程設(shè)有炸藥庫，內(nèi)含雷管庫和乳化炸藥庫各一座，其危險等級均為1.1級，并屬于第一類防雷建筑物。

其配電系統(tǒng)的接地型式為TN-S系統(tǒng)，從建筑物內(nèi)總配電盤(箱)開始引出的配電線路和分支線，均采用TN-S系統(tǒng)三相五線制，中性點(diǎn)直接接地，整個系統(tǒng)的N線與PE線分開。

目前，該工程已投入使用，并達(dá)產(chǎn)。其中，礦區(qū)不同電壓等級的供配電系統(tǒng)的工作接地和其它各類接地裝置工作正常，為礦區(qū)電力系統(tǒng)的良好運(yùn)行發(fā)揮了積極的作用。實(shí)現(xiàn)了建設(shè)單位的生產(chǎn)需求，也從實(shí)踐上肯定了工程設(shè)計與設(shè)備選型。

6 結(jié) 語

電氣引發(fā)的火災(zāi)占總數(shù)的三成以上，電氣短路是導(dǎo)致電氣火災(zāi)最主要的原因，約占電氣火災(zāi)總數(shù)的40%以上。在這些電氣事故中，部分原因歸結(jié)于不合理的系統(tǒng)工作接地設(shè)計。正確的工作接地設(shè)計，可以大大降低發(fā)生電氣短路的可能性。

正確的供配電系統(tǒng)的接地設(shè)計，能夠有效地保證用電設(shè)備(系統(tǒng))可靠而正確地實(shí)現(xiàn)其功能，并保護(hù)人身和設(shè)備的安全，使電力系統(tǒng)長期、可靠、穩(wěn)定地運(yùn)行。這就需要電氣工程技術(shù)人員不斷學(xué)習(xí)，與時俱進(jìn)，努力提高自身業(yè)務(wù)水平，因地制宜地為各類電氣系統(tǒng)提供科學(xué)合理的各類接地設(shè)計方案。

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2016-07-06)

董昕鵬(1971-)，男，吉林人，工學(xué)碩士，高級工程師，從事工業(yè)與民用建筑工程電氣設(shè)計工作，Email：dxpwork＠163.com。