引言
電氣接地故障是電力系統(tǒng)中最常見的一種電氣故障,系統(tǒng)短路時由于電氣設備的可接觸金屬外殼會帶故障電壓,為了確保故障電壓不會造成人身傷害,相關標準中要求對電氣設備的外露可導電部分必須進行有效接地以確保該故障電壓能降低至安全電壓以下。對于干式變壓器來說,由于其繞組和電氣接線端子均是裸露在外的,因此國家規(guī)范中均要求在大部分應用場合其需要帶防護外殼,防護外殼起到了應用現(xiàn)場電氣柵欄的作用。
目前,大部分的變壓器外殼均采用鋼板結構拼裝,為了防止環(huán)境腐蝕,鋼板外殼均會噴一定厚度的漆或做其他表面處理,且環(huán)境越是嚴酷的地方,鋼板表面的噴漆厚度越大,按照ISO要求,C4應用環(huán)境下的外殼噴漆將達到280μm以上,這種情況下,外殼面板間因為是螺栓連接的,其接觸面的接觸電阻就會變得很大,從而影響整個外殼的接地電阻。此外,由于變壓器外殼是通過多塊鋼板拼接起來的,如果某兩塊面板間的接觸電阻過大,在變壓器出現(xiàn)接地故障時兩塊面板上可能會產生超過安全電壓的故障電壓,威脅人身安全。
因此,在設計干式變壓器外殼時,必須對外殼的各面板進行有效電氣連接,降低接觸電阻,從而實現(xiàn)外殼整體為等勢體,消除危險隱患。筆者推薦使用接地電纜或銅編織帶對每塊面板進行等電位連接的方法實現(xiàn)以上功能,并對連接導體的截面進行了分析研究。
1干式變壓器防護外殼結構
干式變壓器外殼可采用不銹鋼、鋁合金、鋼板等材質,考慮到成本和機械強度的問題,大部分情況下,干式變壓器均采用鋼板噴漆結構,根據(jù)外殼尺寸的大小不同,鋼板厚度可采用2.0mm、1.5mm或2.0mm,鋼板表面做噴漆或靜電噴粉處理,使得外殼有足夠的防腐能力,以適應變壓器的使用環(huán)境。
2外殼面板的電氣連接方法
圖1為干式變壓器外殼的爆炸圖,面板之間或面板和外殼框架之間均通過螺栓裝配且外殼每塊金屬面板生產時在面板的特定位置焊接接地螺柱,接地螺柱在面板噴漆時需做噴漆保護,確保接地柱表面是可導電的,接地柱可采用不銹鋼或銅材質,外殼拼裝完成后采用黃綠接地電纜或銅編織帶把每塊面板的接地螺柱與相鄰外殼面板進行連接。按照國家規(guī)范要求,為了避免接地點間形成干擾信號,規(guī)定每個接地點上只能連接一根接地電纜,因此每塊面板上至少需焊接兩個接地柱用于接地電纜連接。
圖1外殼爆炸圖
3外殼面板等電位連接分析
配電變壓器的高壓側均為35kv及以下系統(tǒng),按照《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規(guī)范》(GB/T50064—2014）中關于中性點接地的要求,35kv以下系統(tǒng)為非有效接地系統(tǒng),單相接地故障電流很小,因此,本文不考慮高壓側接地電流的影響。
參照《低壓配電設計規(guī)范》(GB50054—2011）中的要求,低壓單相接地故障引起的設備外露可導電部分的接觸電壓不可以超過50v。出于此原因,規(guī)范中要求采取各種措施降低設備接地處的接地電阻,以實現(xiàn)在任意情況下設備的接地故障電壓不超過50v,從而確保人身安全,因此電氣設備廠商在產品設計時必須確保設備的外露可導電部分能夠有效接地。
把變壓器外殼想象為一個變壓器室,參照規(guī)范要求,該變壓器室需設一個總接地端子,總接地端子通常位于外殼的底座上,采用M12的接地螺栓或螺栓座作為外殼和變壓器的PE端子,變壓器本體和外殼的接地端子分別通過黃綠電纜連接到底座接地端子上,由于外殼噴漆后的接觸電阻增大,外殼與變壓器的總接地端子之間電阻比較大,當變壓器發(fā)生單相短路故障時,短路點與變壓器室的總接地端子之間的基礎電壓可能超過安全電壓,因此,每塊面板之間需要再做輔助等電位連接,即采用接地電纜或銅編織帶把每塊面板通過板上的接地柱連接起來,使得面板之間形成有效電氣連接。因為配電變的外殼尺寸不大,所以面板用接地電纜或銅編織帶連接后的電阻很小,可以認為是一個等勢體,即人體的接觸電壓為零。
4外殼面板連接電纜的選擇
按照中性點與PE線之間的關系,低壓系統(tǒng)可分為TN、TT和IT系統(tǒng),其中,TT系統(tǒng)和IT系統(tǒng)發(fā)生單相短路故障的電流都不大,本文只以TN系統(tǒng)的單相短路故障電流為例做分析。
IEC標準中不允許在變壓器室或發(fā)電機室內將中性點直接接地,如圖2所示,還規(guī)定自變壓器(發(fā)電機）中性點引出的PEN線必須絕緣,并且只能在低壓配電盤內一點與接地的PE母排連接而實現(xiàn)系統(tǒng)接地,在這點以外不得再在其他處接地,不然中性線將通過不正規(guī)的并聯(lián)通路而返回電源。
由于變壓器沒有PE排,只在底座處布置有PE端子,相排和PE端子間的距離較大,導致其相保阻抗很大,當?shù)蛪汗衽c變壓器的連接是電纜時,相線和PE線布置在同一電纜保護物內,或當?shù)蛪汗衽c變壓器之間采用銅排連接時,低壓柜內部的相排和PE排通常布置在同一個水平或垂直面上,兩種情況下,低壓柜內的相線和PE線布置都很規(guī)律,所以低壓柜內的相保阻抗很小。因此,當變壓器外殼內部短路時,變壓器PE端子和低壓柜間的連接電纜很短,兩個設備的PE連接處處于同一電位,此時,短路故障電流大部分將通過低壓柜內的PE回流到電源處形成接地故障回路,變壓器外殼面板上通過的電流很小,因此,外殼間連接電纜僅用于傳遞電位,選型時僅考慮導體的機械強度即可。
在變壓器外殼內部,關于PE導體、等電位連接導體等方面的具體要求在國標中都沒有具體的描述,筆者認為,《低壓配電設計規(guī)范》(GB50054—2022）3.2.14要求不屬于電纜的一部分或不與相線共處于同一外護物之內的每根PE,其截面積不應小于下列數(shù)值:(1）有防機械損傷保護,銅為2.5mm2,鋁為16mm2:(2）沒有防機械損傷保護,銅為4mm2,鋁為16mm2的條文可適用于這種情況。同時,參考DNV規(guī)范中關于配電板或外殼的接地導體截面要求,外殼面板間的連接導體截面按4mm2選擇可滿足要求。
但是,需要注意的是,外殼面板間連接完成后需整體連接至變壓器的總接地端子處,同時,變壓器本體和外殼裝配完成后也需要連接至變壓器底座的接地端子處,參照《低壓配電設計規(guī)范》(GB50054—2011）3.2.15中要求,此時連接銅導體的截面積至少應為6mm2,鋁導體為16mm2。
5結語
本文所述外殼面板間的連接方式從實際應用來看大大降低了外殼的整體接地電阻,生產上也方便操作,可以滿足外殼有效接地的要求。
在其他規(guī)范如挪威船級社規(guī)范中要求,框架、面板之間的連接導體可接受即可,因此,在工程使用中,相關設計人員可根據(jù)實際情況選擇合適的接地連接方式。但對于噴漆保護或采用接觸墊片實現(xiàn)接地的方式,由于破壞漆后可能導致外殼面板的生銹腐蝕,筆者在此不推薦。
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