配电网混合接地运行分析

张志文，申建强，杨 俊，许加柱，罗隆福

（1.湖南大学电气与信息工程学院，长沙410082；2.长沙电业局，长沙410015）

随着城市配电网的不断扩大，对供电可靠性和电能质量的要求越来越高。一方面城市配电网采用环网供电、多电源供电方式；另一方面由于城市电网规模不断地扩建和延伸，受城区规划、环保和场地等条件制约，城市配电网开始采用以电缆出线为主、架空出线为辅的电网结构模式［1］；10kV系统对地电容电流大幅增加。不接地系统发生单相接地时，接地相的接地电流是非故障相对地电容电流之和；当电容电流超过10A，此时接地电弧不能可靠熄灭，就会产生弧光接地过电压、相间短路、铁磁谐振过电压等不良后果。当前配网大多采用中性点经消弧线圈接地的方式运行［1］，利用消弧线圈的感性电流可对系统对地电容电流进行补偿，从而使接地处的电流降为最低。由于接地故障电流较小，线路可不立即跳闸，配电网可带故障运行一段时间。但对于以电缆供电为主的10kV配电网，消弧线圈接地方式暴露出诸多缺点，例如单相接地故障后较高的内部过电压对设备绝缘的破坏；电容电流的增大将不断增大消弧线圈的容量；电缆线路故障大多为永久性故障，不允许带故障运行；发生故障时选线困难等。经国内外研究中性点经小电阻接地系统更适合以电缆线路为主的电网［3～6］，采用电阻接地有利于继电保护装置可迅速可靠切除故障回路，电阻接地还可改善系统参数，降低接地故障时的内部过电压值。城市配电网正陆续用小电阻接地系统取代消弧线圈接地系统，因此接地方式改造过程中，这样两种不同接地方式运行的系统会面临混合运行的情况，这种情况必将长期存在。同时为了供电的可靠性与经济性，10kV配电网带电倒负荷操作频繁，因此两种不同接地方式系统合环后，一旦发生故障特别是单相接地故障时所产生的现象以及对继电保护的影响成为本文研究的重点，具有很高的工程应用价值和现实意义。

1 理论分析

针对单相接地故障是发生机率最高的故障，首先对单相接地故障进行一些理论分析。

设定故障点电阻为Rf，当Rf值很小情况下为金属性接地，配电网中性点的电压Un，线路的零序电压U0，由对称分量法得

由于EA、EB、EC三相对称，和为零。因此从上式可以得到：

经电网零序电容C0流入大地的电流为

经小电阻或消弧线圈流入大地的电流为

由于经电网零序电容流入大地的电流和经小电阻或消弧线圈流入大地的电流都要从故障点流回电网，因此故障点的电流为

得到故障相对地电压UA

将式（3）、（4）代入式（5）、（6）得：

对于小电阻接地系统，考虑正序阻抗和负序阻抗相对于零序阻抗小的多，小电阻接地方式相当于电网单相接地时在电网集中对地容抗回路并联一个等值零序电阻3RN，即：

可得到单相接地时的等值电路如图1所示。

图1 小电阻接地单相等值电路Fig.1 Small resistance grounding single－phase equivalent circuit

对于消弧线圈接地系统.消弧线圈接地方式相当于电网单相接地时在电网集中对地容抗回路并联一个等值零序感抗j wL，即

消弧线圈的作用是补偿单相接地故障时的经电网零序电容电流。

当完全补偿时有

此时：

实际运用中一般采用过补偿方式，即

其等值电路图类似于小电阻接地等值电路图，如图2所示。

图2 消弧线圈接地等值电路Fig.2 Arc extinction coil grounding equivalent circuit

根据单相接地故障等值电路可得到中性点经电阻接地网络的零序电压

同理可得到中性点经消弧线圈接地的零序电压为

单相接地故障时，小电阻接地系统流过中性点电流较大，而消弧线圈接地时流过中性点电流较小。需要说明的是.以上理论分析结果均是假设系统是处于稳定状态计算得到的。

对于混合运行即小电阻接地系统引入消弧线圈系统，在混合运行情况下，即小电阻接地系统和消弧线圈接地系统合环后并列运行情况下，发生单相接地故障时的等值电路如图3，边界条件相同，运用对称分量法计算混合系统下的零序电压为

从等值电路看到，对于消弧线圈接地系统，消弧线圈的作用是补偿单相接地故障时的电网零序电容电流，一般单独消弧线圈接地系统采用过补偿的方式，因此混合系统中消弧线圈将补偿一部分小电阻接地系统的零序电容电流。不过此部分的补偿对小电阻接地系统的影响不大，原因是小电阻接地系统流过故障点的总短路电流为通过中性点有效接地回路形成的包含零序电流分量在内的短路电流和由线路上相对地等效电容引起的电容电流［13］，电容电流相对短路电流很小，并没有影响到小电阻接地系统的优势。

图3 混合运行时的等值电路图Fig.3 Mixed runtime equivalent circuit

2 仿真分析研究

下面结合长沙罗家嘴变电站改造项目，将原有的消弧线圈接地系统改造成小电阻接地系统，根据长沙电业局提供的罗家嘴及其邻站桃花变电站实际相关参数及线路参数，运用电力系统仿真软件建立混合接地模型，进行仿真研究对单独接地方式和混合接地方式下发生单相接地故障时所产生的现象进行研究。

罗家嘴变电站与桃花变电站仿真系统连接模块如图4所示。

图4 混合接地系统仿真图Fig.4 Hybrid grounding system simulation diagram

罗家嘴变电站50MVA主变两台，高压侧为扩大内桥接线方式，低压侧为单母分段接线方式，两段母线分别带有一组接地变经小电阻接地［7］，考虑各方面因素选取小电阻阻值为10Ω，每段母线带两条馈线，分别是中大新区1回、阳光1回、阳光2回和靳江线。

桃花变电站为消弧线圈接地系统，其结构与罗家嘴变电站基本相同。桃花变电站渔场线馈线与阳光1回阳光100一号开关站二母309开关相连，桃花变丰顺线馈线与阳光二回阳光100一号开关站一母301开关相连。连接后两种不同接地系统混合运行。

此次仿真研究在一条出线设立四处故障点，从母线到最底层馈线依次发生单相接地故障

（1）小电阻接地系统罗家嘴变电站阳光1回线路依次发生单相接地故障四次，单独运行与混合运行时中性点电流对比图如图5、图6。图5和图6为阳光1回出线依次发生四次单相接地故障时的中性点电流波形。

图5 独立接地系统中性点电流Fig.5 Neutral current of independent grounding system

图6 混合接地系统时的中性点电流Fig.6 Neutral current of hybrid grounding system

从表1的数据对比中发现：①单相接地故障点离母线越远，其中性点电流也越小，这主要是因为发生单相接地故障时系统的线路零序阻抗的增大所引起的；②两种接地方式系统通过馈线连通后，小电阻接地系统中性点电流稍有变化，变化的值较小，由此可以得出结论，在混合运行情况下，当小电阻接地系统发生单相接地故障时，其零序保护仍然适用，一般不需要做调整。此时经仿真发现虽然消弧线圈系统中性点也出现电流，但小电阻接地系统发现故障后会立即切除故障线路，所以不会对消弧线圈系统的保护造成影响。

表1 中性点电流数据（1）Tab.1 Neutral current data（1）

（2）消弧线圈接地系统桃花变电站渔场线出线依次发生四次单相接地故障时，与罗家嘴变阳光1回馈线连通情况下，罗家嘴变小电阻接地中性点电流，及渔场线依次发生四次单相接地故障，混合运行时，罗家嘴变小电阻接地方式中性点电流，如图7所示。

图7 小电阻接地系统的中性点电流Fig.7 Neutral current of low resistance grounding system

由表2可得知，馈线连通后即混合运行时，当桃花变线路发生单相接地故障时，罗家嘴变电站中性点也出现了较大的中性点电流，这势必会启动小电阻接地系统的零序保护，所以需要在馈线连通线路上加装带方向元件的线路零序保护，当消弧线圈接地系统发生单相接地故障时，立即断开连接线路，从而不影响小电阻接地系统的其他线路的正常运行。

表2 中性点电流数据（2）Tab.2 Neutral current data（2）

3 保护方案分析及配置

总结罗家嘴变电站采用小电阻接地后的保护设置方案：

1）单相接地故障发生时，非故障线路中流过本线路产生的电容电流，故障线路流过的故障电流为单相接地电流与各线路电容电流的向量和，其值比非故障线路的电流大得多，所以采用零序电流互感器与电流继电器、时间继电器组成零序电流保护，就可实现对线路单相故障的保护。根据系统运行的要求可设置为一段式过流保护或两段式过流保护［8～10］。

2）由于单相接地时故障电流大，必须切除故障线路，故其保护配置可为：限时（瞬时）电流速断保护、低电压闭锁过流保护和两段式零序保护，所有保护均作用于跳闸。对于架空输电线路，应配置一二次（或多次）自动重合闸，使得瞬时性故障后可尽快恢复供电［8～12］。同时在永久性故障时，加速继电保护动作于跳闸。对于电缆输电线路，考虑到它的故障必是永久性故障（或永久性故障所占故障比例很大），故不必设置自动重合闸。

3）为保证可靠地切除故障线路，保护一次设备的安全，考虑到故障线路的保护或开关存在拒动的可能，所以应在中性点接地电阻回路中加装TA，接入零序后备保护或称接地电阻零序保护，加适当延时后，作用于跳开变压器低压侧开关。接地变压器设有零序电流保护，作为中压系统母线，接地变压器引线的接地故障保护作为馈线零序电流保护的后备保护。

4）当小电阻系统和消弧线圈系统混合运行时，小电阻测发生故障时，不需要对其保护做任何的调整，当消弧线圈测发生单相接地故障时，有必要在馈线连接处装设线路零序电流保护，带方向元件，及时跳开连接线路，这样能保证消弧线圈测故障不影响小电阻系统的正常运行。

4 结语

本文以长沙市罗家嘴10kV变电站的改造为现实背景，由原来的消弧线圈接地改造为小电阻接地，采用罗家嘴变电站线路和临站桃花变电站线路的实际参数，运用PSCAD软件建立详细的仿真模型，对单独接地方式和混合接地方式下发生单相接地故障时所产生的现象进行分析研究，得出两种不同接地方式系统存在相互影响；混合运行情况下需要对保护进行适当调整，小电阻接地系统发生单相接地故障一般不会对系统零序保护产生影响；若消弧线圈接地系统侧发生单相接地故障，需在两个接地系统连接处增加带方向元件的零序电流保护，来躲避消弧线圈接地系统侧故障对小电阻接地系统带来的不利影响；为了保证供电可靠性，现实运行中应减少混合运行情况。

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