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低压高阻接地系统接地电阻的选择依据探讨

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2018年第1期 煤矿机 电 ·49· 王小华,张敏艳.低压高阻接地系统接地电阻的选择依据探讨[J].煤矿机电,2018(1):49—5256.doi:10. ,16545/j.cnki.cmet.2018.01.015 低压高阻接地系统接地电阻的选择依据探讨 王小华,张敏艳 (溧阳市福沃特电力自动化有限公司,江苏常州213300) 摘 要: 针对目前选煤厂中性点高阻接地系统大多未工作在最佳状态和没有可靠的选择性漏电 保护装置的现状,介绍一种中性点高阻接地系统的专用保护设备,可以对系统运行状态进行监控, 实现对中性点电阻的自动调节和选择性漏电保护。分析了中性点电阻对弧光过电压、接触电流和 漏电判据的影响,认为中性点电阻的选择依据应是抑制弧光过电压和保证安全电流。 关键词: 低压;高阻接地;中性点电阻;漏电保护 中图分类号:TM588 文献标志码:B 文章编号:1001—0874(2018)01—0049—05 Ditlscussi on on Groundirounding Resinq esistance Selection of Lc Low Voltage and H igh Resistance G rounding System WANG Xiaohua,ZHANG Minyan (Liyang Forward Power Automation Co.,Ltd.,Changzhou 213300,China) Abstract:The influence of neutral point resistance on arc over voltage,contact current and leakage criterion was analyzed,the selection of neutral point resistance should be based on suppressing the over voltage of arc and ensuring the safe current.In view of the present situation of neutral point high resistance grounding system in coal preparation plant,most of them can not work in the optimum state and there is no reliable selective leakage protection device.A kind of special protection equipment for neutral point high resistance grounding system was introduced,which can monitor the running state of the system and realize the automatic regulation of neutral point resistance and selective leakage protection. Keywords:low voltage;high resistance grounding;neutral point resistance;leakage protection 0 引言 电流将无法控制在安全电流下,而且漏电保护又不 如中性点直接接地完备和快速,极易发生人身伤亡 事故;而电阻太大,无法抑制弧光过电压,影响了设 GB 50359--2016《煤炭洗选工程设计规范》规 定:选煤厂660 V配电网变压器660 V侧中性点应 经电阻接地,并应选用漏电保护装置作为系统单相 接地保护;电阻的选择应使系统产生的单相接地电 备的安全运行。因此,中性点电阻的选择依据应是 有效地抑制弧光过电压,保证安全电流;漏电保护应 是满足中性点接地方式,而不是中性点接地方式来 流与所选用的漏电保护装置相配合,并应兼顾其可 靠性和灵敏性的要求。中性点经高阻接地方式是介 于中性点直接接地和中性点不接地之间的一种接地 方式,兼具两种接地方式的优点。即弧光过电压相 对小,供电可靠性高;漏电电流较小,接触电流可控 制在安全电流下。但高阻接地系统的优点必须建立 在中性点电阻正确选择的前提下:若电阻太小,接触 配合漏电保护。由此,认为低压中性点高阻接地系 统的接地电阻的选择依据是“与所选用的漏电保护 装置相配合”的说法值得商榷。 目前,《煤炭洗选工程设计规范》没有明确指出 中性点电阻应该如何选择,也没有其他关于低压高 阻接地系统中性点电阻选择的指导性文件,以致电 阻选型和生产均没有依据,使用中更没有调节依据, ·50· 煤矿机 电 2018年第1期 而且高阻接地系统的中性点电阻使用现状在安装时 中性点电阻电流和系统电容电流两部分,二者共同 不调试,运行中不调整。绝大多数选煤厂的低压高 阻接地系统无法保证处于最佳工作状态。因此,本 影响接触电流。高阻接地系统零序电压和电流的等 值电路如图1 所示,对保证安全电流的中性点电 阻推导如下: . 文对此提出了问题,可供研究与探讨。 1关于中性点电阻对系统的影响 1.1 中性点电阻对弧光过电压的影响 弧光接地过电压又称间隙性弧光接地过电压, ] % l ( 一-1 L 由于不稳定的间歇性电弧多次不断熄灭和重燃,在 漏电相和非漏电相的电感电容回路上引起高频振荡 过电压,其非漏电相的过电压幅值可达倍相电压的 3.15~3.5倍,这种过电压是系统对地电容上电荷 多次不断地积累和重新再分配形成的,而断续瞬间 发生幅值较高的过电压,对电力设备危害极大。主 要是弧光过电压造成电气设备绝缘的积累性损伤, 在非漏电相的绝缘薄弱环节造成对地击穿,发展成 为相问短路事故;弧光接地过电压使电压互感器饱 和,容易激发铁磁谐振,引发电压互感器爆炸事故。 弧光过电压是中性点不接地系统的主要缺陷。 弧光过电压的产生是由于电荷不断积聚所致。中性 点接人电阻后,三相对地电容有了放电回路,最理想 的状态是经半个周期(T/2),其放电衰减速度为 一l A=e—r=0 (1) 式中:衰减时间常数丁=3R C,R 为中性点接地电 阻,C为对地电容¨ 。影响放电衰减速度的主要因 素是中性点电阻和系统对地电容,中性点电阻电流 和系统电容电流的相对关系的计算结果如表1 所示 表I 中性点电阻电流和系统电容电流相对关系表 由表1可见,电阻电流与电容电流比值愈大,弧 光过电压衰减愈快。当电阻电流为系统电容电流的 3倍时,电压衰减为原值的0.043—0,表明当中性 点电阻电流等于系统电容电流3倍时,经过半个周 期,电网中的对地电容的残余电流基本泄漏完,不会 产生过高的弧光过电压。由此可见,系统弧光过电 压大小和中性电阻的选择关系密切,电阻电流大于 电容电流3倍时可以保证得到理想的抑制效果。 1.2中性点电阻对接触电流的影响 高阻接地系统发生漏电时,漏电电流中包含了 矗 T [ 1 l = 图1 中性点高阻接地漏电等序电路图 =一 (2) E 1+j3RⅣwC =——~ 3 RⅣ(1+3RjwC)+R (3) —U0=E一3厶 (4) 将式(2)代人式(3),得: 厶=~Uo(jmC十 1) (5) 当金属性漏电时,漏电电流最大,金属性漏电 时,R=0(忽略接地电阻),则有: = ( c+ )= c + (6) =3 =E(3i ̄c+ )= c + (7) 由式(7)求得漏电.电流数量佰.即 Id= (8) 设定接触电阻l0 Q,人体最低电阻1 000 n,我 国规定通过人体的极限安全电流为30 mA,则有: (9) 式(9)保证安全电流的中性点电阻和系统电容 的关系,即电阻愈小,人身安全系数愈高。但系统电 容大到一定程度时,系统将无法保证人身安全,高阻 接地系统的网络大小是有限制的,因此在设计系统 网络时应考虑这一因素。 1.3 中性点电阻对漏电判据的影响 目前选煤厂低压高阻接地系统使用的漏电保护 装置不是使用了中性点接地系统的漏电保护,就是 使用了中性点不接地系统的漏电保护。中性点接地 系统的漏电保护原理是“零序电流残流法”,中性点 2018年第1期 煤矿机 电 ·51· 不接地系统的漏电保护有“零序电流大小法”和“零 序功率方向”两种原理。 不接地系统的漏电保护原理。 (1)漏电保护装置的动作依据漏电时零序电压 产生的零序电流。 1.3.1 零序电流残流法不能用于高阻接地系统 1)零序电流残流法的漏电保护原理。该原理 用于中性点接地系统的漏电保护。中性点接地系统 是三相四线制供电方式,其显著特点是中性点直接 接地,且零线引出。 (1)三相四线制漏电保护器是根据基尔霍夫第 (2)正常情况下。由于各相电容电流对称,各 支路零序电流为0,保护器不会动作。 (3)漏电情况下。发生漏电时,漏电相电压降 低,非漏电相电压升高,各相电容电流不平衡,漏电 支路和非漏电支路都出现零序电流。非漏电支路零 一定律 ∑,=0来设计的。工作原理如图2所示。 相线Ll、L2、L3和零线N均通过零序电流互感 器TAN Ll L2 L3 N 图2三相四线制漏电保护原理图 (2)正常情况下。穿过零序电流互感器的零序 电流的矢量和为0,即,l。+, +,w+In=0,漏电保护 不动作。 (3)漏电情况下。当设备发生漏电时,则漏电 电流 经大地回到电源变压器TM中性点而构成回 路。则流经零序电流互感器的零序电流矢量和不等 于0。即,l】+, + +In=, ≠0,当,d达到一定整定 值时,漏电保护器动作。 2)零序残余电流法不能用于高阻接地系统的 原因。中性点接地系统的漏电是电器外壳与火线间 绝缘损坏后和大地之间电位差产生的,用漏电来表 明绝缘损坏程度的轻微,零序电流实际是负载电流 不平衡值,动作值很低,一般为30 mA。中性点接地 系统由于中性点直接接地,系统分布电容电流直接 经大地返回变压器中性点形成回路,不经过零序电 流互感器,不会对漏电保护有影响。高阻接地系统 的漏电就是单相接地。漏电时,由于三相电压不平 衡造成分布电容电流不平衡,漏电支路和非漏电支 路都产生零序电流,漏电支路零序电流是电阻电流 和非漏电支路电容电流矢量和,非漏电支路的零序 电流是本支路的电容电流。因此,把三相四线制漏 电保护器用于高阻接地系统,非漏电支路极易误动。 1.3.2零序电流大小法不能用于高阻接地系统 1)零序电流大小漏电保护原理。这是中性点 序电流大小为本支路对地电容电流,漏电支路的零 序电流的大小为非漏电支路零序电流之和。一般情 况下,漏电支路的零序电流最大,设置动作值大于非 漏电支路的零序电流,小于漏电支路的零序电流,实 现选择性漏电保护装置动作。如图3所示。 f 漏 i支路零序电流_// ._\—等 =所有非漏电支 L_…….非漏电  电流 路 电流之和,滞后 等于本。 电流. 零 电压9O。 超前零 O 【,n=一EA 图3 中性点不接地系统漏电向量度图 2)零序电流大小法不能用于高阻接地系统的 原因。零序电流大小法原理不适用于有长短线悬殊 的环境。由零序电流大小法原理整定方法可以 看出: IDz= ×Ic (1O) 式中: 为动作电流,A;K 为可靠系数,跳闸取4 ~5,发信取1.5~2;Ic为本支路的电容电流,A。 KL=( /c一/c)/ (11) 式中:KL为灵敏系数,取1.25—1.5;∑Ic为最小运 行方式下系统对地电容电流的总和(A)。 由式(10)、式(11)可得: ∑/c=( ×碰+1)/c (12) 由式(12)计算得:跳闸时,∑Ic=(5.0~ 8.5)Ic;发信时,∑/c=(2.875~4)Ic。 满足最小运行方式下,系统对地电容电流的总 和为最长线路的电容电流的3~4倍时,零序电流大 小漏电保护原理才成立 。 在中性点经高阻接地系统中,虽然漏电支路零 序电流中增加了电阻电流,但电阻电流和电容电流 不是数量相加,而是矢量和。选煤厂低压系统网络 大,常常一条支路是另一个子网络的母线,长短线十 ·52· 煤矿机 电 2018年第1期 分悬殊,短支路漏电时,长支路误动。 1.3.3 功率方向原理不能用于高阻接地系统 2.3 中性点高阻接地漏电保护原理的研究 图4是没有考虑有功分量的向量图。电阻电流 是有功电流,电容电流中也有一部分有功电流,考虑 有功电流的向量图如图5所示。 1)功率方向漏电保护原理。这也是一种用于 中性点不接地系统的漏电保护原理,其判断依据是: 漏电时非漏电支路零序电流超前零序电压90。,漏 电支路零序电流滞后零序电压90。,二者反相。其 向量图如图4所示。 电流经过 支路 Ul=lcl ,l(12=,c2 漏 ,c3 滞 非漏电支路零序电 流等于本支路电容 电流,超前零序电压90。 图4高阻接地系统漏电向量图 2)功率方向原理不能用于高阻接地系统原因。 中性点经高阻接地系统中,漏电支路的零序电流为 电阻电流和非漏电支路电容电流的矢量和,而且电 阻电流超过系统电容电流的3倍,其相位发生了根 本的变化。漏电支路和非漏电支路的零序电流不再 反相,用功率方向原理无法正确进行漏电判断。 2关于高阻接地系统中性点电阻的选择依据 高阻接地系统中性点电阻对弧光过电压和接触 电流有很大的影响,中性点电阻愈小,对抑制弧光过 电压愈有利,对保证安全电流愈不利。中性点电阻 的选择就是要在抑制弧光过电压和保证安全电流之 间找到平衡点。因接地方式不同,漏电工况发生了 根本性改变,中性点不接地和中性点直接接地的漏 电保护不适用于中性点经高阻接地,需要研究新的 漏电保护原理,而不是靠选择中性点电阻来凑合满 足其他接地方式的漏电保护。 2.1确定电阻的最大值 电阻电流大于等于系统电容电流的3倍,可以 大大减少破坏性的暂态过电压。即,r≥3,c。U/R ≥3 X U/Xc,则:R~≤Xc/3。 2.2确定电阻的最小值 要保证金属性漏电时的人体安全,中性点电阻 必须满足:RⅣ≥ =二二= = 1+(EwC) 图5 高阻接地系统考虑有功电流后向量图 2.3.1 有功电流是高阻接地漏电时最显著的特 征量 在中性点不接地系统中,零序电流的主要成分 是电容电流,漏电保护装置也选择电容电流作为判 断对象;高阻接地系统中,电阻电流是电容电流的3 倍,只经过漏电支路,因此,零序电流中的有功分量 是高阻接地系统最显著的特征量。 1)非漏电支路只有本支路电容电流的有功分 量,有功分量比例很小,和零序电压同相位。 2)漏电支路有功分量的组成是所有非漏电支 路的电容电流的有功分量和电阻电流,它和零序电 压反相。 2.3.2“有功分量”原理选择性漏电保护 “有功分量”选择性漏电保护原理是高阻接地 系统的专用漏电保护原理,应用计算机技术对零序 电流进行有功电流分解,比较各支路有功电流大小 和相位,实现选择性漏电保护。根据漏电支路的有 功电流最大,可实现“有功电流大小法”的漏电保护 判断原理;根据漏电支路与非漏电支路的有功电流 反向,可实现“有功电流功率方向”的漏电保护 原理。 3 JDG一1型低压高阻接地综合保护装置介绍 《煤炭洗选工程设计规范》规定:选煤厂660 V 动配电网中性点需经高阻接地,由于缺乏相应的技 术支持,实际使用中中性点电阻从来不调节,也没有 可靠的漏电保护装置,大多数选煤厂低压中性点高 阻接地系统处于一种不安全的运行状态。 (下转第56页) ·56· 煤矿机 电 2018年第1期 式中 厂为激振频率, 为发动机转速(r/min);6为 Hyper Works选定主体结构相关参数,进行有限元建 模。结合防爆载人车实际运行工况,计算主体结构 各部位在实际工况中的载荷分配,确定有限元分析 时载荷的施加形式。在自由状态下,对主体结构进 行自由模态分析,求得主体结构的前十阶固有频率 及模态振型,并对主体结构模态振型进行系统性分 上下浮动误差,其值取50;动力系统包括6个气缸, 则m=气缸数/2×3;动力系统的怠速为810 r/min, 怠速激励频率为26.5±1.63 Hz。 3)非悬架承载结构的固有频率分布在6 Hz~ 15 Hz之间,悬架结构的共振频率在2.0 Hz~4.0 Hz 之间。 析,结果证明主体结构骨架的动态性能满足要求。 参考文献: 经过模态分析,该防爆载人车主体结构的一阶 扭转频率为10.9 Hz,一阶弯曲频率为19.6 Hz,其 他阶次均为局部模态,局部模态对整车振动影响较 小。动力系统的怠速激振频率为26.5±1.63 Hz, 远远高于主体结构的一阶扭转频率10.9 Hz与一阶 弯曲频率19.6 Hz。由于前挡板、后围板的刚度不 足,导致低阶内出现局部振型的现象。为避免局部 [1] 韩旭,朱平等.基于刚度和模态性能的轿车车身轻量化研究 [J].汽车丁程,2007,29(7):545-549. [2] 王海霞,汤文成.CG6121GCHK型客车车身骨架有限元建模 及结果分析方法研究[J].汽车工程,2001,23(1):33—36. [3] 傅志方,华宏星.模态分析理论与应用[M].上海:上海交通大 学出版社,2000. [4] 马迅,赵幼平.轻型客车车身结构刚度与模态的有限元分析 振型的出现,在实际的主体结构设计中,前、后围板 均可通过一段弯曲的角钢与车架的竖直加强梁焊 接,以保证其刚度满足条件。 6结论 [J].机械科学与技术,2002,21(1):86-88. [5] 张胜兰.基于HyperWorks的结构优化设计技术[M].北京: 机械T业出版社,2008:I17-l28. 作者简介:韦建龙(1986一),男,2012年毕业于兰州理Z-大学学士, 发表论文1篇,现从事煤矿机械与液压设计研发工作。 (收稿日期:2017—07—05;责任编辑:陶驰东) 以现有主体结构几何模型为基础,通过运用 (上接第52页) JDG一1低压高阻接地综合保护装置是通过检 测系统电容电流和中性点电阻电流来监控系统是否 计和使用中存在一定的误区,无法保证系统处于最 佳工作状态。 中性点高阻接地系统的中性点电阻的选择依据 是抑制弧光过电压和保证安全电流,而不是为了配 处于最佳工作状态,并实现选择性漏电保护的综合 性保护设备。 1)监控系统运行状态。实时检测系统电容,为 合漏电保护的需求。对中性点电阻的选择依据进行 中性点接地电阻的选择和调整提供依据,根据抑制 弧光过电压和保证安全电流的要求,确定中性点电 阻安全运行区间。当电阻超出安全区间时装置自动 探讨和对中性点高阻接地系统漏电保护技术进行研 究,对中性点高阻接地方式的应用和推广是十分必 要的。 参考文献: 发出报警,也可实现中性点电阻的自动调节。这是 国内唯一为中性点高阻接地系统提供中性点电阻调 节依据的保护设备。 2)选择性漏电保护。采用“有功电流大小法” [1] 吕军,陈维江,齐波,等.1O kV配电网中性点经高阻接地方式 下过电压及接地故障选线研究[C]//中国电机一 程学会高压 专委会2007年学术年会论文集.北京:中国电机工程学会高 压专委会,2007. [2] 吕军.1O kV配电网中性点经高阻接地方式下的内部过电压及 接地故障选线、定位研究[D].北京:中国电力科技研究 院,2006. 和“有功电流功率方向原理”的综合决策,实现选择 性漏电保护,改变了中性点高阻接地系统无专用漏 电保护设备的现状。 3)电阻温度保护和电阻过流保护。可实现对 系统全面的保护。 4结论 [3]潘凤涛.漏电保护器原理及在接线中应注意的问题[J].山东 工业技术,2013,26(14). [4] 居玉蒋,郭守生.新集一矿小电流接地检测系统的改造[J].T 矿自动化,2008(5):91-93. 作者简介:王小华(1960一),男,.T-程师。从事电力自动化方向的 研究。 选煤厂低压配电网中性点经高阻接地系统的中 性点电阻在选择中由于缺乏相应的技术支持,在设 (收稿日期:2017—06—16;责任编辑:姚克) 

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