10kV电网两种非直接接地方式的对比分析

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(广东电网公司东莞供电局，广东 东莞 523000)

1 引言

电力系统的中性点接地方式对系统供电可靠及系统的安全运行有着重要的影响，并且涉及到继电保护、过电压与绝缘、电子通信及人身安全等多个方面，因此，根据系统的特点来选择合适的中性点接地方式具有重要意义。早期的10kV配电线路绝大多数是架空线路，这种线路因雷击等外界因素发生单相接地瞬时故障的几率较大，考虑到供电可靠性，系统多采用中性点不接地方法，此时发生单相接地故障时故障电流为线路对地电容电流之和，如果接地电流很小(低于10A)，电弧能够自动熄灭[1]。此时未影响系统对称性，可继续运行1～2.5h，供电系统可靠性较高。

近年来，我国10kV配电系统中电缆线路的比重大大增加，部分城市电网的中心地区已变成以电缆线路为主，使得10kV线路上对地电容电流大大增加(10A以上)，发生单相接地故障时，中性点不接地系统无法熄灭电弧，造成非故障相电压大大增加，严重地会发展为相间故障或绝缘击穿，出现两点短路甚至多点短路接地。所以，中性点不接地方式已不适用，而当对地电流超过10A时必须采取限制电容电流的方法，比如经消弧线圈进行接地和经小电阻进行接地等。

2 两种常用10kV配电系统接地方式

2.1 概述

由于系统主变压器采用Yd接线，10kV系统没有中性点，发生接地故障时没有短路通道，考虑到人身设备的安全，我们人为引入一个接地点，也即所说的接地变压器，构成接地方式。为了限制系统中电容电流的大小，我们大多采用在中性点串接消弧线圈或电阻的方法。《电力设备过电压保护设计技术规程》中有明确说明：“3～10kV架空线、35kV、66kV系统，单相接地故障电容电流超过10A，或3～10kV电缆线路系统单相接地故障电容电流超过30A，应采用消弧线圈接地方式”；并指出 “6～35kV主要由电缆线路构成的送、配电系统，单相接地故障电容电流较大时，可采用低电阻接地的方式。”

2.2 两种接地方式分析

2.2.1 中性点经小电阻接地方式

中性点经小电阻接地，是中性点经过一定欧姆的电阻后接地，达到消耗线路过电荷，降低对地过电压的作用。通常该接地电阻阻值较小(10～20Ω)，单相接地电流限制在600A以内。如图1所示，输电线路对地等效电容为C0，忽略输电线路阻抗，系统中性点经Zn接地，Zn=R当时为经电阻接地方式。

图1 中性点非直接接地方式单相接地时电流分布图

2.2.2 中性点经消弧线圈接地方式

中性点经消弧接地方式，是中性点经过一定感抗的电感线圈接地，系统运行中，电感线圈产生感性电流以补偿系统电容电流的方式。如图1所示，当Zn=jωL时为此方式。

对中性点经消弧线圈方式来说，单相接地故障发生是，接地点有一个电感分量的电流通过，此电感电流可抵消原系统的电容电流，使流过故障点的电流减小，当电流减小低于10A时，就会使得电弧易于熄灭，提高了系统的稳定性和供电的可靠性；另一方面，通过对消弧线圈进行设置，会使得电流在系统中对地的阻抗值远低于系统正常情况下的零序阻抗，不仅能很好地抑制因为磁饱和导致的铁磁谐振，还能有效地防止电磁干扰，从而增强了系统的稳定性与可靠性[2]。

根据对系统电容电流补偿度的差别，消弧线圈可分为过补偿、欠补偿、全补偿三种。因为完全补偿时，满足50Hz交流串联谐振的条件，当正常运行时，由于三相对地电容不完全相等，会在系统中性点对地间产生电压偏移，从而使得线路上产生过高的谐振过电压，对系统的安全运行有很大影响。欠补偿也会因为系统运行方式的变化产生完全补偿的效果，所以在实际应用中，均采用过补偿方式，一般选择过补偿度P=5%～10%。

3 单相接地故障时两种接地方式的对比分析

3.1 建立数学模型

假设该电力系统只有两条出线，系统正常运行时，因为三相对称，A、B、C三相负荷电流与对地电容电流在彼此之间形成通路，当Zn=R时为经电阻接地方式，当Zn=jωL时为经消弧线圈接地方式。若线路Ⅱ发生A相单相接地故障(考虑过渡电阻不为0，并未将A相对地电容电流短接)，则系统形成一条接地通路。系统电流分布如图1所示，所有线路对地电容电流与中性点电流将通过接地点流往故障相，形成故障点的故障电流[3]。

为求流过故障点的电流、故障相电压以及中性点电压等，对图1所示的简化网络接线进行分析。其中，假设发生单相接地故障时的过渡电阻为Rg，此时系统中性点的电压为Un，三相电源每相电势分别为EA、EB、EC，线路Ⅰ对地电容为C0I，线路Ⅱ对地电容为C0II，则输电线路三相对地电压如下所示：

(1)

又知，系统的零序电压为

(2)

则发生A相接地故障时，则流过故障点的电流一部分为系统所有出线的总电容电流，如式(3)所示：

(3)

另一部分是流经中性点接地电阻或消弧线圈的电流，如式(4)所示：

(4)

(5)

由式(3)、(4)可知

(6)

可得

(7)

(8)

可得：故障电流、中性点电压以及故障相电压分别为：

(9)

(10)

(11)

3.2 故障分量特征分析

(12)

(13)

做出两种非直接接地方式下零序电流与电压向量图，如图2所示，其中图2(a)为经小电阻接地方式，图2(b)为经消弧线圈接地方式。

图2 两种接地方式下线路零序向量图

(1)零序分量的幅值。

如图2(a)所示，对小电阻接地方式，可知，小电阻接地方式发生单相接地故障时，流入故障点的电流为阻性电流，经过电容电流与电阻电流的矢量迭加，使得系统故障线路的零序电流都比非故障线路大，故障特征比较明显。

(2)零序分量的方向。

由图2(a)可知，对小电阻接地方式，故障线路零序电流的相位滞后于零序电压(3U0)约90°，零序功率方向和正序相反，由线路流往母线；非故障线路零序电流由本线对地电容产生，超前于零序电压约90°，零序功率与正序功率方向相同，由母线流向线路。

由图2(b)可知，对带有消弧线圈的系统，非故障线路的零序电流超前零序电压约90°，方向由母线流向线路；故障线路的零序电流，由于消弧线圈过补偿，也超前于零序电压约90°，方向由母线流向线路，与非故障相相同，因此用零序电流方向的判别方法不能识别接地故障线路。

(3)受其他因素影响。由式(9)～(10)可知，电力系统故障电流、中性点电压的大小与系统中性点的接地阻抗、电网的对地电容及故障点的过渡电阻有关[4]。

3.3 故障选线判据

在发生单相接地故障时，中性点经小电阻接地方式的稳态特征变化比较明显，故障线路的零序电流远远大于非故障线路的零序电流，我们一般将稳态分量也即故障电流分量作为故障选相所考虑的因素。为了保证非故障线的正常安全运行，能够准确快速地找出故障线路，避免因频繁手动分合开关所产生的线路过电压，我们通常考虑同线路的零序保护相配合。但是针对经高阻接地的情况，零序保护一般无法正确动作[5]。

经消弧线圈接地方式，发生单相接地故障时，故障线路与非故障线路零序电流同方向，均从母线流向线路，且流经故障点电流变化不大，不能采用小电阻方式的零序电流方法来识别接地故障线路。主要采用以下两种方式：

(1)将选线装置与消弧装置相互配合。消弧系统在投入补偿后造成一个小扰动，装置选线部分收到通知后开始进行选线，主要是通过分析扰动前后线路零序电流的变化值，且为了增加装置选线的正确性，在选线时还会考虑功率方向等因素。

(2)发生故障的线路，暂态过程富含着大量的故障特征信息，其暂态电流值远大于稳态值，且故障线的暂态零序电流值大于非故障线的零序电流数值；另一方面，因发生故障时系统的接地方式不影响其暂态过程，我们也可选择利用暂态分量法进行故障选线。如首半波法、暂态零序电流比较法、小波分析选线方法等[6]。

4 两种接地方式运行中的注意事项

4.1 中性点经消弧线圈方式

当10kV接地系统采用中心点经消弧线圈接地的方式时，运行中应注意以下几点：

(1)经消弧线圈接地的方式广泛用于10～66kV的中压配网。当电容电流超过10A低于150A时，一般选择经消弧线圈接地方式。

(2)要恰当选择消弧线圈对系统的补偿容量。因为补偿过多或过少，都会使得接地残流过大，不利于电弧的熄灭，而全补偿则容易引起谐振过电压，使得中性点电压大大升高。

(3)经消弧线圈接地方式，零序电流互感器安装需注意：所有的零序电流互感器必须保证极性一致(一次侧的电流流出母线)；一次电缆的接地外皮地线应穿过零序电流互感器，并于线路侧直接接地；电缆的固定夹应和电缆外皮良好绝缘[7]。

4.2 中性点经小电阻接地方式

(1)结合我国实际，电缆线路占比大的供配电网，当系统对地总电容电流超过150A时大多选用中性点经小电阻的接地方式。

(2)由于接地点的故障电流较大，要确保使用合适的线路零序电流互感器变比，否则可能会因零序电流过大导致CT过度饱和，使得零序保护发生拒动。如果保护未能及时动作，则故障点及其附近设备的绝缘水平就会受到不同程度的损害，严重的话会发展为相间故障，扩大故障范围。

(3)系统采用此接地方式时，当两条及以上的线路同时发生接地时，系统的零序分量分布会发生改变，容易使零序保护发生拒动或误动行为。此外，对于两条线路相继出现接地故障的情况，零序保护也会因为故障发生时间的不同失去配合。

(4)当发生多点接地故障时，由于多点接地电阻分散故障电流的关系，流过每个接地点的故障电流并不大，此时要注意整定合适的零序保护电流值，且对于

电缆线和架空线要按不同的整定值整定，所以应防止发生误整定行为，避免接地变的保护发生越级跳闸。

5 结论

本文通过对10kV系统不同接地方式的优缺点进行分析，且对两种非直接接地方式发生单相接地故障时，其电压、电流的变化进行理论分析，从而选择针对不同接地方式的保护方法。每一种接地方式各有优缺点，针对不同情况的系统，应该综合考虑电网的结构组成、继电保护配置情况、系统过电压与绝缘的相互配合、人身设备安全与供电可靠性等重要因素，选择适合自己系统的接线方式。

[1] 贺家李,宋从矩.电力系统继电保护原理[M].北京：中国电力出版社,2001.

[2] 李林,冯勇.中性点采用两种接地方式的配电网单相接地故障的比较[J].高压电器,2008,44(3):239-241.

[3] 申双葵.小电流接地系统单相接地故障选线的研究[D].西南交通大学,2009.

[4] 范迎青,高文逸.6～10 kV电网中性点经中电阻接地的单相接地保护[J].电力自动化设备,2000,20(1):12-15.

[5] 戴光武,都洪基.小电流接地系统单相接地故障选线及其仿真[C]//2008中国电力系统保护与控制学术研讨会论文集,2008:34-37.

[6] 潘艳,李晓明.10kV小电阻接地系统接地变压器零序保护误动机理研究[J].继电器,2003,31(1):30-33.

[7] 王英民.10kV小电阻接地系统接地变压器零序保护误动原因分析[J].华北电力技术,2009:24-26.