配电网中性点接地方式的仿真研究

贺栋栋 张桂怀 杨润田

（1.渭南供电局，陕西 渭南 714000；2.内蒙古电力科学研究院 呼和浩特 010020）

随着城市电网的发展以及配网自动化水平的提高、电力电缆的大量使用，逐渐形成了以电缆为主，架空线为辅的供电模式。由于电力系统不断地扩充供电容量以及大量的电缆线路的应用，使得系统的电容电流亦呈逐渐增大之势，加之某些地区不结合自身的实际运行情况，不做全面的分析，就盲目的选择不适合当地实情的接地方式，引起许多严重的问题，如过电压、继电保护、电网电容电流过大、烧毁设备，电网的大面积停电等。随着电力工业的迅猛发展，人们对供电质量的要求越来越高，电网接地方式的选择就显得尤为重要。

我国中压电网的接地方式一般使用中性点电阻接地、中性点不接地和中性点消弧线圈接地等方式，所以有必要对其进行进一步的分析。

1 中压电网的接地方式

1.1 中性点不接地系统

中性点不接地系统属于非有效接地系统的一种，这种接地方式很容易实现，在电源中性点处不加任何附加装置，结构也比较简单，单相接地时，其线电压依然平衡，可以继续运行一段时间。在架空线为主的电网中实际运行时，流过故障点的稳态电流是单相对地电容电流，一般比较小，但是在接地的暂态过程中，也会产生过电流；而在电缆为主的电网中，流过故障点的电流较架空线的大很多，过电流也很大。这种接地方式下，也有可能发生弧光接地，产生很高的过电压，并且会作用于全网。

1.2 中性点经消弧线圈接地

该方式就是在电网中性点和地中间加入了一个电感线圈，使电网单相接地时的电容电流得到了感性电流的补偿，使其残流减小，致使电弧自行熄灭，它的特点是在线路发生单相接地故障时，电网可以带故障运行2h，相对于中压电网来说，由于其接地电流得到了补偿，单相故障发展成相间短路故障的可能性很小，所以中性点经消弧线圈接地的方式大大提高了供电可靠性，此接地系统又叫补偿系统。

这种接地方式有全补偿、过补偿和欠补偿三种运行方式，但是不论欠补偿或过补偿，原则上都不满足谐振条件，都可以达到降低正常运行时中性点位移电压的目的。但实际上消弧装置往往采用过补偿运行方式，这是因为采用欠补偿时，一旦电网部分线路因故障或其他原因断开时，对地电容减小，容抗增大，即可能接近或变成全补偿方式，从而使中性点出现不允许的过电压；欠补偿接地电流接近零时，可能不会使接地保护可靠动作；在电网发展，对地电容增大时，容抗减小，采用欠补偿方式时必须立即增加补偿容量。

1.3 中性点经电阻接地

随着城市配网的迅猛发展，大量使用电缆线路，系统的电容电流迅速增加，发生故障时产生严重的过电压，烧毁变电站设备，人们考虑采用电阻接地方式，以达到降低其过电压的水平，使相间故障发生的可能性减小，如果发生故障就立刻跳闸来减小损失。

这种方式就是在中性点处串联接入一个定值电阻，由于电阻是阻尼元件，具有泄放电荷的作用，系统的对地电容与其形成并联回路，使中性点的电位减小，健全相的恢复电压上升速度也相应减慢，有助于限制弧光过电压和谐振等过电压。中性点的电阻值一般取为几十欧姆，泄放电荷的能力比较好，但是故障电流却很大，一般使其限制在500A左右，其他地方也有1000A左右的，达到接地保护的起动电流时，接地保护会可靠地动作，以便及时的将故障线路切除。

2 仿真模型的建立

本文采用 ATP-EMTP电磁暂态程序中的图形预处理程序ATP-Draw建立某35kV电网的仿真模型，电网的简化接线图见图 1。为了简化系统，将220kV以前的部分等效为带内阻抗的理想电压源，而变压器则采用一个理想的等效变压器，变比为220/38.5kV，接线方式为YN-yn。

图1 电网简化接线图

本文中架空线和电缆都采用Bergeron的分布参数模型，负荷侧采用星型接线方式。该系统共6条出线，由4条电缆出线和2条架空线组成，电缆总长18km，架空线总长度20km，系统总的电容电流约为112A，各线路参数见表1。

表1 线路参数

表中，R的单位为Ω/km，L的单位为mH/km，C的单位为μF/km。

假定电缆线路1上距母线2km处发生单相接地故障（假定A相接地），设置合适的参数之后仿真该电网发生单相接地故障时，在不同的中性点接地方式下系统的各相电压，故障电流以及中性点电压的变化情况。

3 仿真结果及分析

3.1 中性点不接地系统

图2 不接地系统单相金属性故障的三相电压波形图

图3 不接地系统单相金属性故障的中性点电压波形图

图4 不接地系统单相金属性故障的故障电流波形图

3.2 中性点经消弧线圈接地

中性点经消弧线圈接地系统中消弧线圈的电感值可以根据系统总的电容电流和消弧线圈的补偿度计算得到（仿真中采用过补偿5%）。

图5 消弧线圈接地系统单相金属性故障的三相电压波形图

图6 消弧线圈接地系统单相金属性故障的中性点电压波形图

图7 消弧线圈接地系统单相金属性故障的故障电流波形图

3.3 中性点经10Ω电阻接地

图8 电阻接地系统单相金属性故障三相电压波形图

图9 电阻接地系统单相金属性故障中性点电压波形图

图10 电阻接地单相金属性故障的故障电流波形图

在仿真的过程中，可以得到以下数据：

表2 金属性接地故障时不同接地方式的过电压倍数

1）从图2到图10的波形图可以看出，随着中性点接地方式和故障时刻的不同，故障现象也不尽相同。故障现象随故障相电压相位的不同而不同，故障相电压越接近峰值，故障暂态的高频分量越严重并且暂态过程较长，故障相电压越接近零值，暂态高频分量就越小，所以在故障相电压处于峰值和零值时发生故障的故障现象最为典型，其他时刻的现象只是这两者之间的过渡。

表3 不同过渡电阻接地时的过电压倍数和暂态故障电流幅值

表4 中性点经不同电阻接地时过电压倍数和故障稳态电流幅值

2）从中性点经消弧线圈接地系统的仿真图形中可以看出，在故障相相位为 90度时，由于故障发生在电缆线路上，而电缆线路单位长度的电容比架空线大许多，所以发生故障时故障起始时的冲击电流相当大。由于冲击电流主要是由线路对地电容的快速放电产生的，是一个频率很高的快速瞬变过程，在这当中，其感抗大到接近于开路，而且消弧线圈的感性电流不能跳变，所以消弧线圈只是起到了补偿稳态电容电流的作用，使其残流很小，但是其对故障起始时的冲击电流却没有显著的影响，其大小也不依据消弧线圈的变化而发生变化；而中性点电阻接地具有泄放电荷的能力，从波形图上可以看出其对冲击电流具有很好的抑制作用，暂态过程较短，但是其故障电流值较大。

3）从表2到表4可以看出，中性点不接地和消弧线圈接地的工频过电压值相当，而电阻接地的工频过电压值明显较小。在过渡电阻相同时，中性点经电阻接地对非故障相电压和中性点电压具有很好的抑制作用，但是随着中性点电阻值的增大，非故障相电压和中性点电压不断升高，故障电流却不断减小，当中性点电阻增大到一定程度的时候，接近于中性点不接地系统；由于过渡电阻的阻尼作用，随着过渡电阻的增大，各种接地方式下的非故障相电压，中性点电压和故障电流均减小。

4 结论

中性点经电阻接地方式相对于不接地、消弧线圈接地来说，其对于电网的进一步发展和电流变化的适应范围相当广，接地电流水平变化相对于系统容性电流的变化，其反应不是很明显，并且由于电缆的非自恢复绝缘特性，当单相接地时，绝大多数是永久性故障，因而电缆故障时，最好立即将故障切除。可以看出经电阻接地的接地方式在电缆上发生故障时并不会使线路的跳闸频次无端的增加,也并不会无端的影响供电可靠性。所以对于35kv及以下电网，系统经电阻接地、经消弧线圈接地以及不接地各有利弊，但是对于电缆线路大量采用，系统电容电流急剧增加，以及自动化水平的提高，一旦发生故障，可以立即跳闸的配电网，经电阻接地方式体现出了一定的优越性，所以对于以电缆为主的中压电网采用中性点经电阻接地方式是合适的。

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