配电网中性点接地技术研究

王倩瑜（中南电力设计院有限公司 湖北 武汉430071）

配电网中性点接地技术研究

王倩瑜
（中南电力设计院有限公司 湖北 武汉430071）

为了克服中压配电网现有接地方式存在的缺陷，寻找更为可靠、合理的接地技术，分析了配电网中性点不接地、谐振接地等几种传统接地方式的特点，分析了其在单相接地故障情况下的各项电气参数，并在其基础上研究了一种新型的中性点柔性接地技术，通过仿真对比分析得出：与传统接地方式相比，中性点柔性接地技术在抑制故障过电压、中性点电压、故障点电流等方面具有明显优势，是一种更为可靠的接地方式，并通过仿真算例，分析了柔性接地技术的影响因素。

配电网；中性点；不接地；谐振接地；柔性接地

配电网是整个电力系统中最接近电能分配末端和工业用户和民用用户的部分，配电网的安全可靠运行直接关系的用户的电能品质[1]。由于配电网与用户临近的特点，配电网与主网、输电网或者是骨干网架一样，需要供电高可靠性。供电可靠要求即使配电网发生接地故障也要尽可能做到不停电，供电安全要求发生故障时不停电也能保证设备、人身的安全和系统运行的稳定[2]。

我国配电网发展迅速，电网规模的加大与结构的变化也给传统的接地方式带来了巨大的挑战，特别是系统对地等效电容电流和暂态过电压等问题的出现，暴露出了传统接地方式的不足[3]。当传统接地方式不能符合电网发展需要时，对其进行研究，解决相关问题就变得尤为重要。当前普遍采用的典型接地方案，主要为中性点不接地与中性点谐振接地，由于其结构和选择思路不同，决定了各自都有其鲜明的优势和缺陷[4-5]。

1 传统接地系统分析

1.1 中性点不接地系统

配电网中性点不接地方式是指配网系统的中性点与大地之间不存在任何电气连接，此方式在电容电流小于10安培的配网，尤其是在农网或多架空线而少电缆线路的配网当中应用非常广泛[6]。此种接地方法运行简单，结构也不复杂，相比其他接地方式来说其资金投入也最少。其结构原理图如图1所示（A相接地）。

图1中性点不接地系统结构原理图

单相接地发生时，对于不接地系统来说，接地点处接地电流If应为接地点处加单相电势时三相电容电流之和。即：

其中，C11、C22、C33分别为A、B、C三相对地电容，C12、C23、C13为相间电容。若三相对称，令C11=C22=C33= C0，此时单相接地电流值为：

这样的情况下，电容电流数值较小。其数值将不足以引起断路器动作跳闸。又由于单相接地时非故障相对地电压数值，在理想情况下，会升至线电压数值附近，线电压三角形维持原来的数值，这就决定了不接地系统发生单相接地故障时并不妨碍向用户的正常电能供应，故而在相关规程中，指出可以继续带故障运行一百二十分钟，保证了较高可靠性[7]。

不接地系统的物理构成简洁，不需要在中性点之外加装构件。而且故障电流幅值不大，产生的电磁干扰很小，容易实现持续稳定的电力供应。然而出现间歇电弧的概率很大，将导致接地弧光不能自熄而产生弧光过电压，弧光接地过电压水平较高，可能达到相电压值3.5倍以上，当系统存在绝缘弱点时，可能发生击穿，对电力系统的安全运行造成巨大影响。此外，发生故障时不接地系统有引发铁磁谐振的可能，对配电电力网的安全带来隐患[8]。

1.2 中性点谐振接地系统

中性点谐振接地方式是将一个消弧线圈接入到中性点与大地中间，由于电感线圈对电容电流的补偿作用，故障产生的电容电流将能够得到很好的补偿[9]。这种接地方案，能有效降低减少故障点的残余电流。在弧光接地故障中，可抑制电弧重燃，其结构原理图如图2所示（A相接地）。

图2中性点谐振接地系统结构原理图

谐振接地系统发生单相故障时，故障点处的故障电流由两部分叠加而成。分别是消弧线圈提供的感性电流外与整个系统的电容电流。电感电流与电容电流的向量在相位上相差180°，当脱谐度选择适当时，故障电容电流恰好被补偿掉，使得电流过零点时电弧迅速熄灭。这种接地方式能够有效限制故障相电压的恢复。因此，有效降低了重新燃弧的可能性。但谐振接地方式故障特征不明显，在故障点定位方面存在困难，也很难达到继保装置灵敏度的需要[10]。

设系统容性电流为IC，电感线圈的感性电流为IL。则系统对容性电流的补偿状态可用如下公式表示：

其中：ν为脱谐度；IC=3ωC0UΦ；IL=；UΦ为系统相电压。

若IC=IL，则ν=0。这种状态叫做消全补偿状态，这时故障点残余电流的数值达到最小。但系统正常运行时，则存在串联谐振的问题，中性点位移电压可能达到极高的数值，对系统运行不利。在调谐过程中，应尽量回避出现这种全补偿运行方式。

若IC＞IL，则ν＞0。这种状态叫欠补偿状态。某些特殊情况下比如线路跳闸、断线，线路的电容电流会比正常值偏小。当变小的电容电流数值接近电感电流时，会使电网处于第一种补偿状态，对电网安全稳定运行不利。因此在实际工程应用上一般不采用这种方式。

若IC＜IL时，ν＜0。这种状态叫做消弧线圈的过补偿。这种方式在传统配网中使用较多。这种被广泛采用的补偿方式能够有效限制故障电流的幅值，另一方面也使得故障线路与非故障线路的零序电流与零序电压的相位关系相近，幅值差别也由于存在这种有效的补偿机制而明显减小，造成了选线的困难[11]。

2 柔性接地技术分析

2.1 柔性接地技术原理

考虑到传统配电网中性点接地方式都不可避免地存在固有缺陷，在我国部分研究机构已经开始提出和研究中性点柔性接地技术[12]。

中性点柔性接地技术是在传统接地方式的基础上，考虑在消弧线圈上串联或并联一些电阻，在发生故障时经一定延时投入，以此同时汲取经消弧线圈接地与经电阻接地的优势，并互相弥补不足之处[13-14]。现有研究成果表明，中性点柔性接地方式在抑制故障过电压、提高故障选线准确率等方面都有着一定优势，同时又可减少线路跳闸率，提高系统的稳定性，具有较高的研究和实用价值[15]。

文中研究的中性点柔性接地的主要原理是在消弧线圈接地系统的基础上接入并联电阻，发生单相接地故障后将电阻投入使用，人工地使故障点零序有功电流增大，从而有利于故障选线，同时有利于抑止中性点故障暂态过电压，充分发挥电阻接地的优点，其结构如图3（a）所示。单相接地故障发生的时刻，其等值电路如图3（b）所示（A相接地）。

图3 中性点柔性接地系统结构原理图

图3（b）中，CΣ为电网等效电容；ICΣ

为流经CΣ的电流；L为消弧线圈；I˙L为流经L的电流；Rn为中性点小电阻；I˙Rn为流经Rn的电流；r为接地点过渡电阻；I˙D为流经r的电流；E˙A为系统A相等效电势。

投入小电阻Rn以后，系统中性点电压U˙0为：

由式（4）可见，投入小电阻Rn以后，中性点电压U˙0降低。故障点残余电流由3部分组成，如式（5）所示：

中性点电压U0的降低，使故障点的残余电流中的无功部分减小，有功部分增加，总的零序电流呈增大趋势。

接地电流成正弦趋势变化，当其每次经过0值的时刻，会出现一定程度的过电压。这是因为恢复电压已经超出介质恢复强度的允许范围，因而产生了反复的击穿过程。当消弧线圈带并联电阻接入系统后，消弧线圈内的电感电流对于电容电流存在补偿作用，单相电容电流被补偿，则故障点残流会有明显程度地减小；此外，恢复电压的上升速度会明显减缓，这样一来就有利于介质的熄弧。此工作模式下，消弧线圈可以采用全补偿的工作方式，因为欠补偿方式可能会产生工频谐振，对系统造成危害。

每相电弧接地过电压值与电网参数有关，在同样条件下，若有线间电容，除个别情况外，各相过电压均值和最大值都有所降低，说明增加线间电容有助于抑制过电压程度。

2.2 仿真算例

根据图1、2、3的结构图，建立典型的10 kV配网仿真模型，中性点分别采用不接地、谐振接地、柔性接地方式（并联电阻于0.2 s投入）。其中，电压源采用110 kV理想电源；变压器变比为110/10.5，采用三角形-星形连接；配电网接有4条线路出线，均为电缆线路，线路参数如表1、表2所示；线路末端为固定负荷；在第4条线路发生单相接地故障（A相接地），故障发生点距离母线2.82 km，故障发生时间为0.1 s，为便于仿真，持续时间为0.15 s。

表1 电缆线路参数

表2 线路长度

10 kV配电网发生单相接地故障，当中性点采用不同接地方式时，主要电气参数波形如图4～6所示。

图4 中性点不接地系统电气参数

图5 中性点谐振接地系统电气参数

图6 中性点柔性接地系统电气参数

上图具体仿真结果如表3所示。

由表3可知：

1）发生单相金属性接地故障时，中性点不接地系统故障点电流幅值最小。这是由于系统自身结构决定的。该系统中性点悬空，因此无法形成有效的故障回路。而与中性点谐振系统相比，采用柔性接地方式后，故障点电流会有明显减小，在实际系统中，接地电流的减小将降低弧光接地过电压的幅值，有利于电弧熄灭，避免了单相瞬时接地故障的跳闸，提高了供电可靠性；由于接地点电流的减小，还可以减轻设备的损坏程度，抑制了电弧的扩散范围。

2）中性点柔性接地方式与另外两种传统接地方式相比，在抑制非故障相过电压上有明显优势。而过电压倍数较高时，由于电缆和一些结构紧凑型的高压设备绝缘水平较低，在长时间的过电压作用下一旦击穿很难恢复，使得供电可靠性下降。

表3 配电网故障仿真结果

3）综合对比10 kV配电网中性点柔性接地系统与中性点不接地系统、经小电阻接地系统和谐振接地系统，可以发现，在抑制过电压和故障点暂态残流问题上，柔性接地系统有明显优势，避免了接地电弧重燃造成虚幻接地。同时该系统由于以消弧线圈为基础，由提高了供电可靠性，避免了瞬时性故障时反复跳闸影响供电可靠性。因此，新型中性点柔性接地系统具有较高的研究和应用价值。

3 柔性接地技术的影响因素的仿真分析

通过仿真算例，分析电阻投入时刻、投入电阻阻值等因素对柔性接地技术效果的影响。配电网结构、接地方式、故障类型均与上述仿真模型一致。

3.1 电阻投入时刻对柔性接地的影响

仿真频率为50 Hz，则周期为0.02 s，设故障发生时A相电压相位为0°。改变电阻投入时刻，在一个周期内平均取10个时间点投入电阻，记录每一时刻的故障点电压幅值，结果如图7所示。

图7 不同电阻投入时刻下的故障电压幅值

由图可知，当中性点电压为零时并入小电阻，对系统影响最小，因此，这个时间点的过电压最小。金属性和非金属性接地故障下中性点电压波形近似正弦波，而弧光接地下，中性点为零的时刻较多，因此不同故障下能使系统过电压最小的并入时刻差别较大。

3.2 投入电阻大小对柔性接地的影响

改变投入电阻阻值大小，分别设置柔性接地装置部分投入电阻的阻值为2 Ω、5 Ω和10 Ω，进行仿真，其故障点电压和中性点电压幅值大小仿真结果如表4所示。

表4 投入电阻阻值不同情况下的故障点电压幅值与中性点电压幅值

分析上表可知：

1）接地装置部分投入的电阻大小不同，故障点过电压和中性点过电压的幅值也会不同，其中投入电阻阻值越大，故障点过电压越大，中性点过电压越小。

2）过电压幅值越小，在实际应用中越有利，因此要根据电网实际结构选取适宜的投入电阻阻值。

4 结 论

与配电网传统接地技术相比，柔性接地技术在抑制故障点电压、中性点电压、非故障相电压等方面均具有明显优势。此外，该系统以消弧线圈为基础，提高了供电可靠性。因此，具有较高的研究与应用价值。通过仿真分析了电阻投入时刻、投入电阻阻值大小等因素对柔性接地技术效果的影响，为柔性接地技术的工程应用提供了基础。

[1]侯永将.中压配电网中性点接地方式研究[D].郑州：郑州大学，2010.

[2]要焕年，曹梅月.电力系统谐振接地[M].北京：中国电力出版社，2000.

[3]林海棠.浅谈低压配电网接地的特点及技术措施[J].广东科技，2009（16）:172-173.

[4]Liu H，Xiong X，Ouyang J，et al.Study on decision method of neutral point grounding mode for medium-voltage distribution network[J].Journal ofPower&EnergyEngineering，2014，2（4）.

[5]Sun J，Chen H，Liang W，et al.Neutral-point grounding mode in medium voltage network and technique to eliminate single-phase grounding fault[C]//2008 China International Conference on Electricity Distribution.2008.

[6]向小民，雷雨.中性点不接地系统单相接地选线方法的研究[J].电气开关，2007，45（6）:61-64.

[7]Toader D，Ruset P，Ha Ra Gus S，et al.Selective detection of simple grounding faults in medium voltage powernetworkswith resonantearthed neutral system[C]//Optimization of Electrical and Electronic Equipment （OPTIM）， 2010 12th International Conference on.IEEE，2010:1285-1293.

[8]伍国兴.10kV配电网中性点灵活接地系统控制器的研制[C].2004.

[9]李颖峰.配电网中性点经消弧线圈接地方式探讨[J].电气开关，2008，46（6）:1-2.

[10]王吉庆，沈其英.中性点经消弧线圈接地系统的单相接地故障选线[J].电网技术，2003，27（9）:78-79.

[11]马强.配电网谐振接地系统若干技术问题的研究[D].北京：华北电力大学，2006.

[12]张海.6～35kV电网中性点灵活接地及其控制的研究[D].北京：华北电力大学，2006.

[13]王浩屹，常湧.基于PSCAD的10kV配电网中性点柔性接地技术研究 [J].科技创业月刊，2014（7）: 198-200.

[14]吕峰.中压配电网中性点接地方式改造的研究[D].南京：南京理工大学，2009.

[15]谷双魁.一种中性点接地新方法及其实现技术研究[D].武汉：华中科技大学，2006.

Research on the grounding technology of medium voltage distribution network neutral point

WANG Qian-yu
（Central Southern China Electric Power Design Institute，Wuhan 430071，China）

This paper analyses the characteristics of the traditional grounding ways such as nongrounding system and arc suppression coil grounding system in order to overcome the defects and find out a more reliable and reasonable grounding technology.The electric parameters of the two traditional ways under the circumstances of single-phase grounding fault are analysed.Then a new neutral flexible grounding technology is discussed in this paper.The simulation results verify that the flexible grounding technology has significant advantages on the restraint of fault overvoltage，neutral point overvoltage and fault current.Therefore，the new flexible grounding technology is more reliable than traditional ways.In addition this paper analyses the influence factors by simulation examples.

distribution network；neutral point；non-grounding；arc suppression coil grounding；flexible grounding

TN9

A

1674－6236（2017）07-0139-05

2016-03-20稿件编号：201603259

王倩瑜（1991—），女，广东韶关人，硕士，工程师。研究方向：高压直流输电系统。