带外壳后干式变压器外壳内部接地电缆的选型分析

引言

电气接地故障是电力系统中最常见的一种电气故障,系统短路时由于电气设备的可接触金属外壳会带故障电压,为了确保故障电压不会造成人身伤害,相关标准中要求对电气设备的外露可导电部分必须进行有效接地以确保该故障电压能降低至安全电压以下。对于干式变压器来说,由于其绕组和电气接线端子均是裸露在外的,因此国家规范中均要求在大部分应用场合其需要带防护外壳,防护外壳起到了应用现场电气栅栏的作用。

目前,大部分的变压器外壳均采用钢板结构拼装,为了防止环境腐蚀,钢板外壳均会喷一定厚度的漆或做其他表面处理,且环境越是严酷的地方,钢板表面的喷漆厚度越大,按照ISO要求,C4应用环境下的外壳喷漆将达到280μm以上,这种情况下,外壳面板间因为是螺栓连接的,其接触面的接触电阻就会变得很大,从而影响整个外壳的接地电阻。此外,由于变压器外壳是通过多块钢板拼接起来的,如果某两块面板间的接触电阻过大,在变压器出现接地故障时两块面板上可能会产生超过安全电压的故障电压,威胁人身安全。

因此,在设计干式变压器外壳时,必须对外壳的各面板进行有效电气连接,降低接触电阻,从而实现外壳整体为等势体,消除危险隐患。笔者推荐使用接地电缆或铜编织带对每块面板进行等电位连接的方法实现以上功能,并对连接导体的截面进行了分析研究。

1干式变压器防护外壳结构

干式变压器外壳可采用不锈钢、铝合金、钢板等材质,考虑到成本和机械强度的问题,大部分情况下,干式变压器均采用钢板喷漆结构,根据外壳尺寸的大小不同,钢板厚度可采用2.0mm、1.5mm或2.0mm,钢板表面做喷漆或静电喷粉处理,使得外壳有足够的防腐能力,以适应变压器的使用环境。

2外壳面板的电气连接方法

图1为干式变压器外壳的爆炸图,面板之间或面板和外壳框架之间均通过螺栓装配且外壳每块金属面板生产时在面板的特定位置焊接接地螺柱,接地螺柱在面板喷漆时需做喷漆保护,确保接地柱表面是可导电的,接地柱可采用不锈钢或铜材质,外壳拼装完成后采用黄绿接地电缆或铜编织带把每块面板的接地螺柱与相邻外壳面板进行连接。按照国家规范要求,为了避免接地点间形成干扰信号,规定每个接地点上只能连接一根接地电缆,因此每块面板上至少需焊接两个接地柱用于接地电缆连接。

图1外壳爆炸图

3外壳面板等电位连接分析

配电变压器的高压侧均为35kv及以下系统,按照《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》(GB/T50064—2014）中关于中性点接地的要求,35kv以下系统为非有效接地系统,单相接地故障电流很小,因此,本文不考虑高压侧接地电流的影响。

参照《低压配电设计规范》(GB50054—2011）中的要求,低压单相接地故障引起的设备外露可导电部分的接触电压不可以超过50v。出于此原因,规范中要求采取各种措施降低设备接地处的接地电阻,以实现在任意情况下设备的接地故障电压不超过50v,从而确保人身安全,因此电气设备厂商在产品设计时必须确保设备的外露可导电部分能够有效接地。

把变压器外壳想象为一个变压器室,参照规范要求,该变压器室需设一个总接地端子,总接地端子通常位于外壳的底座上,采用M12的接地螺栓或螺栓座作为外壳和变压器的PE端子,变压器本体和外壳的接地端子分别通过黄绿电缆连接到底座接地端子上,由于外壳喷漆后的接触电阻增大,外壳与变压器的总接地端子之间电阻比较大,当变压器发生单相短路故障时,短路点与变压器室的总接地端子之间的基础电压可能超过安全电压,因此,每块面板之间需要再做辅助等电位连接,即采用接地电缆或铜编织带把每块面板通过板上的接地柱连接起来,使得面板之间形成有效电气连接。因为配电变的外壳尺寸不大,所以面板用接地电缆或铜编织带连接后的电阻很小,可以认为是一个等势体,即人体的接触电压为零。

4外壳面板连接电缆的选择

按照中性点与PE线之间的关系,低压系统可分为TN、TT和IT系统,其中,TT系统和IT系统发生单相短路故障的电流都不大,本文只以TN系统的单相短路故障电流为例做分析。

IEC标准中不允许在变压器室或发电机室内将中性点直接接地,如图2所示,还规定自变压器(发电机）中性点引出的PEN线必须绝缘,并且只能在低压配电盘内一点与接地的PE母排连接而实现系统接地,在这点以外不得再在其他处接地,不然中性线将通过不正规的并联通路而返回电源。

由于变压器没有PE排,只在底座处布置有PE端子,相排和PE端子间的距离较大,导致其相保阻抗很大,当低压柜与变压器的连接是电缆时,相线和PE线布置在同一电缆保护物内,或当低压柜与变压器之间采用铜排连接时,低压柜内部的相排和PE排通常布置在同一个水平或垂直面上,两种情况下,低压柜内的相线和PE线布置都很规律,所以低压柜内的相保阻抗很小。因此,当变压器外壳内部短路时,变压器PE端子和低压柜间的连接电缆很短,两个设备的PE连接处处于同一电位,此时,短路故障电流大部分将通过低压柜内的PE回流到电源处形成接地故障回路,变压器外壳面板上通过的电流很小,因此,外壳间连接电缆仅用于传递电位,选型时仅考虑导体的机械强度即可。

在变压器外壳内部,关于PE导体、等电位连接导体等方面的具体要求在国标中都没有具体的描述,笔者认为,《低压配电设计规范》(GB50054—2022）3.2.14要求不属于电缆的一部分或不与相线共处于同一外护物之内的每根PE,其截面积不应小于下列数值:(1）有防机械损伤保护,铜为2.5mm2,铝为16mm2:(2）没有防机械损伤保护,铜为4mm2,铝为16mm2的条文可适用于这种情况。同时,参考DNV规范中关于配电板或外壳的接地导体截面要求,外壳面板间的连接导体截面按4mm2选择可满足要求。

但是,需要注意的是,外壳面板间连接完成后需整体连接至变压器的总接地端子处,同时,变压器本体和外壳装配完成后也需要连接至变压器底座的接地端子处,参照《低压配电设计规范》(GB50054—2011）3.2.15中要求,此时连接铜导体的截面积至少应为6mm2,铝导体为16mm2。

5结语

本文所述外壳面板间的连接方式从实际应用来看大大降低了外壳的整体接地电阻,生产上也方便操作,可以满足外壳有效接地的要求。

在其他规范如挪威船级社规范中要求,框架、面板之间的连接导体可接受即可,因此,在工程使用中,相关设计人员可根据实际情况选择合适的接地连接方式。但对于喷漆保护或采用接触垫片实现接地的方式,由于破坏漆后可能导致外壳面板的生锈腐蚀,笔者在此不推荐。