露天矿采选冶工程供配电系统的中性点接地设计

董昕鹏，李云鹏

(1.北京市工业设计研究院，北京 100055；2.吉安集团有限公司，浙江嘉兴市 314304)

露天矿采选冶工程供配电系统的中性点接地设计

董昕鹏1，李云鹏2

(1.北京市工业设计研究院，北京 100055；2.吉安集团有限公司，浙江嘉兴市 314304)

结合总降压变电站、柴油发电机站、10 kV车间变电站、采矿场、炸药库等场所的供配电系统的中性点接地设计，介绍了露天矿采选冶工程的各电压等级供配电系统的工作接地设计要点。

中性点接地；总降压变电所；车间变电所；采矿场

0 引 言

露天矿采选冶工程中有大量的不同电压等级的电气设备，需要采取相应的电气接地措施，将系统、装置或设备的给定点与局部地之间做良好的电气连接。本文结合一具体工程，针对不同电压等级的主要电气装置，探讨露天矿采选冶工程供配电系统的中性点接地设计。

1 工程简介

某大型露天金矿位于我国西部某区，是该区最大规模的露天金矿采选冶工程，也是国内最大的堆浸型金矿之一。全矿由露天采矿场、选矿区、金回收区、辅助区(水源地、炸药库、动力区、办公区、生活区)等组成，在这些区域有大量的不同电压等级的电气设备运行。

2 中性点接地的概念与方式

2.1 中性点接地的概念

人为地将电力系统中性点，通过接地装置与大地之间进行的电气连接，称为中性点接地。它属于工作接地。

工作接地是为了保障电气装置在正常或故障时，能够可靠地工作而采取的接地，一般通过装置的中性点来实现。这种接地是一种功能性接地。

2.2 中性点接地方式

根据系统中性点与局部地之间采用的电气技术手段(中性点与地之间的物理关系)，划分为下述类型。

(1)中性点有效接地方式。采用这种接地方式的系统亦称为大电流接地系统，系统的中性点直接接地或经低阻抗(采用低值电抗器)接地。

(2)中性点非有效接地方式。采用这种接地方式的系统亦称为小电流接地系统。具体的接地方式有：中性点不接地方式、中性点低电阻接地方式、中性点高电阻接地方式、中性点谐振接地方式。

上述接地方式是功能性接地中的工作接地。

保护性接地是直接接地，如系统的外露可导电部分通过接地装置与地直接相联接，获得零电位或建立局部等电位。

3 高压(110kV)系统的中性点接地

本工程设有一座110/10 kV总降压变电所。该变电所属于一般变电所(非枢纽变电所)。其110 kV侧为单母线接线，10 kV侧采用单母线分段接线，设有两台同规格的主变压器。

3.1 110 kV输电线路接地形式

总降压变电所的电源来自于地区110 kV电网，其中性点接地方式为直接接地。这种接地方式的特点是：在发生单相短路时，短路电源较大，线路或设备需立即切除，虽然降低了供电连续性，但因其过电压较低，可降低绝缘水平，减少设备投资和建设成本。

输电线路的敷设方式为架空线，设有避雷线。每基杆塔不连避雷线的工频接地电阻，在雷季干燥时，不宜超过20 Ω。

3.2 110 kV/10主变压器中性点的接地

3.2.1 110 kV侧

本工程总降压变电所主变压器的具体规格为：双绕组有载调压，油浸，变比为110±8x1.25%/10.5 kV，绕组结线方式为YNd11，Uk%＝10.5。按国家电力部门规定，电网中性点接地方式为直接接地，因

此主变压器的110 kV侧绕组为Y形接法，采用中性点直接接地方式，具体实施的设备为中性点综合接地装置。该装置的组成为：水平开启式隔离开关、氧化锌避雷器、中性点间隙组合设备、中性点间隙电流互感器。

主要参数如下：

(1)氧化锌避雷器，额定电压72 kV，标称放电电流1.5 kA，1.5 kA雷电冲击电流残压186 kV。

(2)中性点间隙组合设备，间隙额定电压(有效值)63 kV，系统额定电压(有效值)110 kV，间隙电极距离可调范围90～135 mm；

(3)中性点间隙电流互感器，额定电流比为100/5 A。

3.2.2 10 kV侧

主变压器二次侧为三角形接法，无中性点，不接地。

4 中压(10kV)系统接地

本工程中压系统电压等级为10 kV，系统范围包括总降变电站10 kV系统，车间变电所10 kV系统，10 kV用电设备。

4.1 中性点接地方式的选择

单相接地短路故障占到电气短路故障的70%～80%，并且绝大多数相间故障都是由单相接地故障发展而来的。

接地故障与中性点接地方式紧密相关，即使故障条件相同，但中性点接地方式不同，表现出的故障特点、后果完全不同，采取的保护措施也不相同。

4.1.1 不同接地形式的10 kV配电系统的单相接地短路故障特点

(1)10 kV有效接地系统。中性点直接接地方式：在该系统中，单相接地故障发生后，接地点通过中性点与大地、相导线形成电气通路，故障相会有大值短路电流流过，此时断路器须立即跳闸切除故障回路。中性点经低阻抗接地方式：变压器的中性点经低阻抗值的小电抗器接地的系统，在单相接地故障发生后，故障相会有较大值的短路电流流过，此时断路器跳闸切除故障回路。与其它接地方式相比，中性点的过电压会大幅下降，不再出现高达相电压的过电压，系统的单相短路电流值得到降低，不再出现失地现象，能够有效降低变压器中性点的绝缘水平。在实践中，多用于220 kV及以上系统变压器的中性点接地。

(2)10 kV非有效接地系统。中性点不接地方式：该系统发生单相接地短路故障时，故障电流Id没有返回电源的通路，只能通过另两个非故障相的对地电容返回电源。故障相和非故障相都将流过正常负荷电流，线电压仍保持不变，可以短时不切除。但非故障相在故障时间内将承受倍相电压的过电压，为此需提高10 kV系统供配电设备及线路的绝缘水平，加大其空气间隙、爬电距离等，从而加大投资与建设成本。由于线路对地电容，特别是采用架空线路时，电容很小，因此Id值很小，按规范规定，10 kV故障回路的电源侧断路器不用跳闸，只需发出故障信号，系统可继续运行2 h，在该段时间内排除故障，以避免因立即跳闸而扩大停电范围。中性点经小电阻接地方式：在实际工程中，一些城市(如北京)的10 kV配电网采用了电缆埋地敷设方式，系统单相接地故障电流远远超过10 A，接地电容电流过大，难以补偿。设于系统中性点与大地之间的小电阻，在发生单相接地故障时，能够限制故障电流和故障后过电压的大小。由于故障电流仍较大，需要断路器迅速动作切除故障线路，中断供电。

中性点谐振接地方式：对中性点不接地系统，由于线路分布电容的存在，有数值不大的电容性电流在导线和大地间流通，该电流在故障点将以电弧形式存在。当电容电流较大(如大长度的10 kV电缆系统)时，电弧高温会烧毁设备，引起火灾，不稳定的电弧燃烧还会引起弧光过电压，造成相间故障，从而导致断路器跳闸，中断供电。为消除上述故障，在中性点接入消弧线圈，经接地变压器接地。正常时接于中性点与大地之间的线圈中无电流通过，该线圈不起作用；接地故障发生时，中性点出现零序电压，将有感性电流通过消弧线圈进入发生了接地故障的电力系统，抵消在接地点的容性接地电流，接地点的电弧电流被消除或只有很小的容性电流，能够消除或减轻电弧电流的危害。

经高电阻接地系统：在单相接地电流电容电流较小(小于10 A)时，为减少故障点的电位梯度、阻尼谐振过电压，在中性点接入高电阻，电阻值为几百至几千欧姆，一般大于500 Ω。在大型发电机组、部分中压配电系统、电厂厂用电系统故障电容电流较小时，为限制单相接地故障电流，以防止谐振、间隙性电弧接地过电压等对设备的损害，可采用高电阻接地方式。这样在系统发生单相接地时可以继续运行2 h，在该段时间内故障接地可不跳闸。这与小电

阻接地运行方式有着根本不同。

4.1.2 中性点接地方式的选择

选择中性点的接地方式主要需考虑供电可靠性(可否在某一相发生接地短路故障时，系统继续运行)和限制过电压。

国家电力规范要求：对中性点有效接地系统，应迅速切断接地短路故障(切断供电)；对中性点不接地系统，应能迅速反应接地故障的信号，也可装设延时自动切除故障的装置(允许发生故障后继续供电一段时间，一般为2 h，期间查找、排除故障)。结合上述要求和不同形式的中性点接地系统发生接地故障时的特点，对中性点接地方式的选择如下。

(1)10 kV和20 kV中压配电网，当单相接地电容电流不超过10 A时，应采用不接地方式；当为在小接地电容电流时，抑制单相接地暂态过电压，防止产生弧光接地过电压，应采用经高电阻接地的方式。

(2)当单相接地电容电流超过10 A、小于100～150 A时，宜采用经消弧线圈接地方式，接地电流宜控制在10 A以内。例如，对于不直接连接发电机，由钢筋混凝土杆或金属塔杆构成的6～20 kV系统、由电缆线路构成的6～20 kV系统，单相接地故障电流大于10 A又需在接地故障条件运行时，应采用中性点谐振接地方式。

(3)当单相接地电流超过100～150 A，或为全电缆网时，宜采用低电阻接地方式，其接地电阻宜按单相接地电流200～1000 A、接地故障瞬时跳闸方式选择。

4.2 总降压变电所10 kV系统的中性点接地方式

总降压变电所将供电电源经主变压器降压后，通过所内10 kV配电系统(即10 kV母线中压中置柜系统)为矿区各子项工程及10 kV用电设备供电，是矿区的电能枢纽中心。因此正确地选择该系统的接地方式，对保障矿区供电的连续性、可靠性，保持矿区生产、生活的长期正常运行，具有重要意义。

矿区内的10 kV配电线路有架空线、直埋电缆、电缆桥架等3种形式，经计算，线路单相接地电容电流总值为30.5 A，决定采用消弧线圈接地方式，设消弧线圈和接地变压器，容量分别为300 kVA和400 kVA，并设消弧线圈控制屏。

4.3 各车间变电所10 kV系统的中性点接地方式

各车间变电所至相应10/0.38 kV变压器和10 kV用电设备均采用电缆桥架敷设方式，系统单相接地电容电流远小于10 A，因此采用中性点不接地方式，可保证供电的可靠性。

4.4 各车间10 kV用电设备的中性点接地方式

各车间10 kV用电设备为破碎设备，其中圆锥破碎机 6台，颚式破碎机 1台，功率均为 400 kW/台，均为鼠笼型电机，其中性点不接地。

5 低压(0.38/0.22kV)配电系统中性点接地

5.1 低压系统接地类型

根据国际电工委员会IEC标准，低压配电系统接地型式有以下3种。

5.1.1 TN系统

系统有一点(中性点)直接接地，电气装置的外露可导电部分通过保护线与该接地点相连接。根据中性导体(N)和保护导体(PE)的配置方式，该系统分为3种类型：

(1)TN-C系统。系统的N线和PE线是合一的。

(2)TN-C-S系统。系统中N线和PE线是不完全合一的，只有一部分线路是合一的。

(3)TN-S系统。系统的N线和PE线是分开的。

5.1.2 TT系统

系统有一点(中性点)直接接地，电气装置的外露可导电部分通过保护线与接地极相连，但该接地极与系统接地点无关，是在另外地点设置的。

5.1.3 IT系统

系统与大地间不直接连接(或经过高电阻接地)，电气装置的外露可导电部分通过保护线与接地极相连，该接地极一般在装置附近就地设置。

可以看出TN系统、TT系统的中性点是直接接地的，IT系统的中性点不接地。因些前两个系统发生单相故障时，线路上的断路器迅速动作跳闸，切断供电；而IT系统则在发生单相接地故障时，由于没有或接地故障电流很小，断路器不动作，线路可以继续供电，可以提高系统供电的可靠性，该系统适于井下、手术室等供电连续要求较高的场所。

5.2 矿区低压(0.38/0.22 kV)配电系统中性点接地设计

5.2.1 采矿区

在露天采矿场设箱式变电站，其变压器均为Dyn11接法，二次侧为Y型接法，二次侧的中性点直接接地，为其设置接地装置，接地电阻值不大于1

Ω。低压系统采用TT系统，三相五线制，电气装置的PE线另设接地极。

5.2.2 选矿、冶炼区

在相关车间的10/0.38 kV变电站，其变压器均为Dyn11接法，二次侧为Y型接法，二次侧的中性点直接接地，为其设置接地装置，接地电阻值不大于1 Ω。变压器二次侧中性点直接接地可以防止变压器中性点漂移，使单相对地电压稳定在220 V左右，减少高压窜入低压的危险。

低压系统采用TN-S系统，三相五线制，变电站内设总等电位联结箱。

5.2.3 厂前区

厂前区的低压配电系统同选矿、冶炼区，亦采用TN-S系统，三相五线制。变压器均为Dyn11接法，二次侧中性点直接接地，接地电阻值不大于1 Ω。

低压系统采用TN-S系统，三相五线制，变电站内设总等电位联结箱。

5.3 柴油发电站电力系统中性点接地设计

为了保障重要工艺设备及消防负荷的用电需求，本工程设有一个柴油发电站，站内设有2台康明斯 C1500P型柴油发电机组，输出电源电压为0.4/0.23 kV。电源经10/0.4 kV变压器升压后，输送到总降变电站10 kV应急母线段。

5.3.1 柴油发电机组(0.4/0.23 kV)系统工作接地设计

柴油发电机组输出电源为0.4/0.23 kV，采用三相五线制，为TN-S系统，中性点直接接地。由于安装了2台发电机组，采用并列运行方式，在每台机组的中性点接地线路中安装刀开关，即中性点经刀开关接地。

当两台或多台机组并列运行时，中性导体易产生奇次谐波环流。当两台机组的中性点接地导体存在环流时，将其中一台发电机组的中性点接地，另一台机组的中性接地线路上的刀开关断开，切断环流通路。

5.3.2 柴油发电站升压系统的工作接地设计

该站设有2台油浸变压器，规格为S11-M-10/ 0.4 kV 1600 kVA，绕组接线方式为Dyn11。变压器一次侧为低压侧，其中性点直接接地，接地电阻不大于1 Ω；二次侧为高压侧，不接地。

5.4 炸药库配电系统中性点接地设计

本工程设有炸药库，内含雷管库和乳化炸药库各一座，其危险等级均为1.1级，并属于第一类防雷建筑物。

其配电系统的接地型式为TN-S系统，从建筑物内总配电盘(箱)开始引出的配电线路和分支线，均采用TN-S系统三相五线制，中性点直接接地，整个系统的N线与PE线分开。

目前，该工程已投入使用，并达产。其中，矿区不同电压等级的供配电系统的工作接地和其它各类接地装置工作正常，为矿区电力系统的良好运行发挥了积极的作用。实现了建设单位的生产需求，也从实践上肯定了工程设计与设备选型。

6 结 语

电气引发的火灾占总数的三成以上，电气短路是导致电气火灾最主要的原因，约占电气火灾总数的40%以上。在这些电气事故中，部分原因归结于不合理的系统工作接地设计。正确的工作接地设计，可以大大降低发生电气短路的可能性。

正确的供配电系统的接地设计，能够有效地保证用电设备(系统)可靠而正确地实现其功能，并保护人身和设备的安全，使电力系统长期、可靠、稳定地运行。这就需要电气工程技术人员不断学习，与时俱进，努力提高自身业务水平，因地制宜地为各类电气系统提供科学合理的各类接地设计方案。

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2016-07-06)

董昕鹏(1971-)，男，吉林人，工学硕士，高级工程师，从事工业与民用建筑工程电气设计工作，Email：dxpwork＠163.com。