10kV配电网中性点接地方式的问题探究

2013-12-06刘艳芬

冶金动力 2013年2期

郑妍，张洋，刘艳芬

（1.密苏里大学，美国哥伦比亚 999076；2.斯特拉斯克莱德大学，英国格拉斯哥市 G 209 H E；3.内蒙古包钢钢联股份有限公司供电厂，内蒙古包头014010）

1 前言

过去我国配电网是以架空线为主的放射形结构的电网，中性点主要采用不接地或经消弧线圈接地运行方式，但随着经济发展，环网供电、双电源供电以及电缆的大量采用，中性点经电阻接地在我国某些城市电网以及工矿企业配电网也得到应用。每一种中性点接地方式各有其特点和优缺点，应充分考虑各种因素如本地区特点、电网结构、供电可靠性、设备与线路的绝缘水平等，通过技术经济比较，从长远的发展观点，因地制宜地确定配电网中性点接地方式。

2 各种配电网常用的接地方式的单相接地故障分析

2.1 中性点不接地

中性点不接地系统C相不完全接地故障的电路图[1]和矢量图如图1所示。

C相经过过渡电阻Rd接地，各相对地电压由下式表示：

式中，UA、UB、UC为相电压，UAd、UBd、UCd、UNd分别为各相和中性点对地电压。利用地中电流总和为零的关系，可得：

中性点位移电压由下式计算：

式中，YA、YB、YC分别为三相对地导纳，可由下式计算：

式中，C0为三相对地电容，即CA=CB=CC=C0

将式（4）代入式（3）得：

分析式（5）可知，当Rd变化时，矢量UNd始端的轨迹是以接地相的相电压UC为直径的位于其顺时针一侧的半圆，如图1（b）所示。

2.2 中性点经消弧线圈接地

中性点经消弧线圈接地系统C相不完全接地故障电路图如图2所示。

显然在此系统中，式（2）将变为：

从而可得

A、B、C相和中性点对地导纳 YA、YB、YC、YL由下式计算：

式中，C0为三相对地电容，L为消弧线圈的电感。

将式（8）代入式（7）得：

分析式（9）可知，当Rd变化时，可分3种情况讨论：

（1）欠补偿。矢量UNd始端的轨迹是以接地相的相电压Uc为直径的位于其顺时针一侧的半圆，跟中性点不接地系统完全一样。

（2）全补偿。矢量UNd始端固定在点C，此时C′等于0。

（3）过补偿。矢量UNd始端的轨迹是以接地相电压Uc为直径的位于其逆时针一侧的半圆，与中性点不接地系统相位相反。

2.3 中性点经电阻接地

中性点经电阻接地系统只是将图2的消弧线圈换成电阻R，显然式（6）将变为：

A、B、C相对地导纳 YA、YB、YC与前述相同，中性点对地导纳

当发生C相不完全接地故障时，随着Rd的变化，矢量UNd始端的轨迹是以接地相的相电压Uc为直径的位于其顺时针一侧的半圆，当Rd为无穷大时，系统对称运行，无接地现象；当Rd=0时，系统处于金属性单相接地状态，流入接地点的电流为电阻电流和系统对地电容电流之和。

3 各种配电网接地方式的优缺点比较

3.1 中性点不接地方式

10k V配电网采用中性点不接地方式运行，当发生单相金属性接地故障时，由于三个线电压大小不变，仍保持对称，对负荷的供电没有影响，故规程规定，系统可以继续运行2h，从而获得选择接地点并排除故障的时间，相对地提高了供电的可靠性，这是它的一个很大的优点。

中性点不接地系统发生单相接地故障，流过故障点电流仅为电网对地的电容电流，该电容电流超前电压90°，当故障点的电容电流在第一个半波过零熄弧时，加在故障点上的电压正好为峰值，若电容电流过大，空气游离严重，极易把故障点重新击穿。

大型工矿企业10k V配电网大多采用电缆馈出，且馈出回路数较多，由于大型启动设备较多，负荷较重，每一馈出回路的电缆根数也较多，导致配电网单相接地电容电流较大，通常超过规程规定的30A。同时由于电缆敷设、中间头及终端头制作工艺、电缆沟进水、外力施工破坏等原因，经常出现电缆单相接地故障。

由于单相接地故障时故障点的电弧不能自行熄灭，在发生弧光接地时，电弧的反复熄灭与重燃，产生间歇性弧光接地过电压，对设备绝缘造成威胁，尤其是一些绝缘薄弱的设备，导致相间故障、火灾、多点故障，最终难免引起系统电压波动，一些对电压敏感的精密自动化控制设备会保护性停机，给企业生产带来更大的损失。

3.2 中性点经消弧线圈接地方式

变电站主变10k V侧线圈大多采用三角形接线，故通常采用一次绕组为Z型连接的接地变压器来引出10k V电网的中性点。利用接于配电网中性点的消弧线圈的电感电流对单相接地电容电流进行补偿，使故障点的电流变得很小或接近于零，通过减小故障相电压的恢复速度来减小电弧重燃的可能性，使高幅值过电压出现的概率减小[2]，同时使消弧线圈接地方式下的最大过电压略低于中性点不接地系统。这样既减轻了间歇性弧光接地过电压对设备绝缘的破坏程度，避免了更大事故的发生，又保留了中性点不接地系统单相接地时可以继续运行2h，提高了供电可靠性的优点。

由于消弧线圈本身是感性元件，与对地电容构成谐振回路，在参数匹配不适当时就会发生谐振过电压。同时由于消弧线圈补偿后单相接地电流变小，目前按最大值原理或5次谐波原理构成的小电流接地选线装置在消弧线圈接地系统选线正确率太低，只能通过人工拉路选择。

由于工矿企业配电网馈出多为电缆且回路数较多，在单相接地故障发生时，虽然弧光接地过电压得到了一定的抑制，但故障点的弧光燃烧仍然存在，由于并列倒负荷时间较长，往往还没有选出接地点就出现了电缆放炮或一段母线数个高压柜同时放炮、着火的严重事故，不但电气设备损失大，停电修复时间长，对企业生产线的影响也很大。

3.3 中性点经电阻接地方式

采用中性点经电阻接地运行方式，由于电阻是电容电荷释放元件和谐振的阻压元件，可降低单相接地工频过电压，抑制弧光接地过电压，大大降低了对设备绝缘的损害。通过选择适当的接地电阻值，在确保零序保护动作灵敏度的前提下将接地电流控制在一定的范围内，通过阶梯时限配合可以实现保护的有选择性快速跳闸，由于保护动作较快且单相短路电流较小，可有效避免火灾以及绝大多数相间短路故障的发生。同时由于单相接地故障的快速切除，避免了为寻找接地故障进行的大量拉合闸操作以及由此产生的过电压，同时也减少了发生人身安全事故的机会。

中性点经电阻接地方式的缺点是增加了架空线路跳闸次数；当接地变或电阻柜故障而退出运行时，相应的主变开关必须同时打开，扩大了停电范围。当主变压器或母线并列运行时，不允许几个电阻接地系统并列运行，以免接地电流过大引起设备损坏。