电缆为主的10 kV配电网中性点经小电抗接地的可行性研究

李晨辉，李红岩，赵振华，张军浩

（1.宁波甬城配电网建设有限公司，浙江 宁波 315000；2.国网浙江宁波市鄞州区供电公司，浙江 宁波 315100）

2017年浙江电力优秀青工科技论文

电缆为主的10 kV配电网中性点经小电抗接地的可行性研究

李晨辉1，李红岩2，赵振华1，张军浩1

（1.宁波甬城配电网建设有限公司，浙江 宁波 315000；2.国网浙江宁波市鄞州区供电公司，浙江 宁波 315100）

城市配电网中电缆线路的大范围使用，导致10 kV配电系统的电容电流急剧增加，单相接地故障及其引起的相间短路故障也越来越多。近年来，中性点经小电抗接地方式在500 kV，220 kV及110 kV电压等级电网中取得了良好的应用。为了克服现有中压配电网中性点接地方式的问题，研究了电缆出线为主的10 kV配电网在中性点经小电抗接地方式下的故障特性，通过仿真和结果对比，提出了电缆为主的10 kV配电网中性点经小电抗接地的优势和可行性。

10 kV配电网；小电抗接地；单相接地故障

0 引言

近年来，随着城市用电负荷的快速增长，城市规划的进一步加强，电力电缆被越来越多地用于城市的主干电网。可以预见，今后我国中压线路必将逐步电缆化。而目前在中性点接地方式的选择上还存在一些争议[1-4]。在电缆出线为主的中压配电网中，具有代表性的几种接地方式主要存在以下问题。

目前使用最广的经消弧线圈接地，虽然单相接地时，供电可靠性高，但是对于电缆线路，接地电容电流按线电压变化，而消弧线圈按相电压运行。在系统电压有偏移时，整定的残流会发生变化，且当母线电容电流较大，运行方式发生变化或网架结构调整时，其电容电流的变化范围也较大，消弧线圈补偿和调谐较困难[5-6]。而经低电阻接地有以下几个问题[7]：

（1）电阻阻值难以选择，阻值越小，过电压越小，接地电流越大，发展成为相间短路或三相故障的可能性越大。

（2）低值电阻中流过的电流过大，引起的地电位达数千伏，而且满足热容量要求的合金电阻成本太高。而小电抗接地恰好可以满足降低零序阻抗的要求，有学者提出10 kV配电网中采用小电抗接地，可有效抑制故障电流和电压[8]。

因此，以下对电缆为主的配电网，中性点采用小电抗接地时，发生故障时的过电压、过电流以及关键影响因素进行研究，论证小电抗接地在10 kV配电网中的可行性。目前，单相接地故障已成为电力系统中的主要故障形式，约占60%以上[9]，环网箱变电缆头故障如图1所示。以下对单相接地故障时小电抗接地对电缆为主的城市配电网仿真和分析[10-12]。

图1 环网箱变进出线电缆头烧毁照片

1 10 kV电缆网络的单相接地故障理论分析

中性点经电抗接地系统发生单相接地故障时如图2所示（A相接地），图中L为电抗电感；r1，r2，r3分别表示各相对地的分布绝缘电阻；C1，C2，C3分别表示各相对地的分布电容；IE为对地短路电流；EA，EB，EC为三相电压；IL为流过电抗电感的电流。

图2 中性点经小电抗接地系统

等效电路如图3所示，在研究电容电流的暂态特性时，实际就是分析1个L0，C，R0的串联回路，在某个瞬间突然接通零序正弦电源时的过渡过程，图中，C为电网的三相对地电容；R0为零序回路中的等值电阻（其中包括导线的电阻、大地的电阻以及故障点的过渡电阻）；u0为零序电源电压；iL为电抗电感电流；ig为主回路电流。

图3 单相接地暂态电流的等效回路

列出图3中电压平衡方程式，并解微分方程可以得出：

式中：uLC，uR0，uC分别对应 LC，R0， C 的电压；L0为三相线路和电源变压器等在零序回路中的等值电感；L为中性点小电抗，δ=R0/2L0为自由分量的衰减系数，ω0=（1/L0C）1/2为回路的共振频率；ω为回路的自由振荡频率；φ为接地瞬间电源电压的相角；Um为电压幅值。

由式（1），（2）可知，单相接地故障后，故障点会同时流过迅速衰减的暂态电容电流和不衰减的暂态电感电流。图4中线路3发生A相金属性接地，电抗两端为相电压，故障相A相对地电压

从图4中可知，各条出线的各相对地电容C1，C2，C3，均承受的相同母线电压，因此，故障点的接地电流ID为：

图4 等效回路

式中：C∑为对地电容总和；IB∑，IC∑分别对应非故障相B与C的总电容电流；U0为小电抗端电压。

理论分析及实践经验表明，单相接地故障时，系统的过渡主要因素影响：配电网络的结构、大小（中性点接地小电抗值和系统电容电流值）、故障点位置（电缆线路的中部或末端）、接地过渡电阻值。

2 10 kV中性点经小电抗接地网模型的建立

本模型选用单母线分段接线的电气主接线，为Ⅰ，Ⅱ段母线分段运行，Ⅰ段母线带10回出线。因10 kV配电网发生单相接地故障，对110 kV侧及以前的系统影响不大，故本模型中采用无限大电源[13-14]。变压器采用110/10 kV的三相双绕组主变压器，容量为2×31.5 MVA。变电站电气接线图如图5所示。

利用PSCAD（电磁暂态仿真软件）提供的电缆线路的模型，参照典型的电缆出线为主的10 kV线路布置形式来模拟。采用图5中10 kV系统电容电流为526 A的Ⅰ段母线出线，经过适当简化得到计算用的接线图（见图6），图中L为小电抗，L1—L10为10条出线的序号。

选取电缆长度时考虑到其临界长度必须小于20 km。10 kV配电网出线线型（以YJV22-3×300为主）及长度选择如下：L1—L10分别为13.451 km，12.901 km，13.814 km，13.858 km，11.839 km，13.202 km，12.491 km，13.18 km，13.18 km，8.46 km。调整电缆出线的长度，便可改变系统电容电流等级。

图5 变电站电气接线示意

图6 计算用10 kV配电网接线

3 10 kV电缆网络的单相接地故障仿真分析

3.1 单相接地故障暂态情况分析

仿真时，针对中性点经小电阻、小电抗、不同补偿度消弧线圈接地3种方式，分别计算电缆线路首端及末端发生金属性单相接地故障时母线各相、故障点处各相、中性点、暂态电压幅值，故障点及中性点处暂态电流幅值。计算中以π/6为间隔。接地电阻值和小电抗值的选取以ωL=R为原则。为了便于分析，操作过电压幅值均以p.u.为单位（1 p.u.=8.732 kV）。仿真过程，为了更直观的分析中性点经小电抗接地的效果，分别用实际使用效果较好的经小电阻接地和经消弧线圈接地作为对比。

3.1.1 电缆线路首端发生单相接地故障电流和电压暂态幅值

选取1条电缆线路，计算其母线端发生金属性单相接地故障时电流电压暂态幅值。

由表1可知，中性点经小电抗接地时，故障点暂态电流幅值比中性点处要低，而且在故障初相角接近0时，暂态电流幅值出现最大值，这与理论分析的结果一致。对同一故障初相角，中性点经小电抗接地无论是故障处还是中性点处的暂态电流幅值都比中性点经同阻抗模值小电阻接地时大。

表1 暂态电流幅值计算结果A

图7—9给出了母线故障相、健全相以及中性点的暂态电压幅值与故障初相角φ的关系图。可知，母线故障相不超过1.16 p.u.，母线健全相处在π/3时取得最大值1.80 p.u.，中性点处在π/6时取得最大值0.98 p.u.。对于相同的故障初相角，小电抗接地时，母线故障相的暂态电压幅值比经小电阻接地时略高；而健全相和中性点处比经小电阻接地时略低。

图7 母线故障相电压

图8 母线健全相电压

图9 中性点电压

通过上述比较，小电抗接地时，其母线处故障相暂态电压幅值略高于小电阻，而其健全相以及中性点处电压暂态幅值都低于小电阻接地。所以，从暂态电压幅值来看，中性点经小电抗接地是可行的。

中性点经小电抗接地实际上是过补偿度很高的消弧线圈接地方式，因此，此处分析中性点经不同过补偿度电抗接地时的暂态电流电压情况。有代表性地选取了10%，50%，100%，200%，400%和500%过补偿度进行仿真，其中10%和50%代表经消弧线圈接地，≥100%代表小电抗接地。由于消弧线圈接地是小电流接地，而小电抗接地属于大电流接地，无需对电流值进行比较，因而表2只给出不同的过补偿度下的计算结果。

从表2中可看出，在同一过补偿度，初相角接近0时，暂态电流幅值最大。随着过补偿度的增大，暂态电流幅值也增大。

由图10—13可知，随着电抗的减小，健全相及中性点处暂态电压幅值都减小。经小电抗接地时，健全相和中性点处比经消弧线圈接地时低。

通过上述比较可看出，中性点经小电抗接地时，健全相以及中性点处暂态电压幅值都低于消弧线圈接地，而且随着电抗值的减小，健全相以及中性点处电压暂态幅值都明显的减小。由此可见，从暂态电压幅值看，中性点经小电抗接地是可行的。

表2 暂态电流幅值计算结果A

图10 母线故障相电压

图11 母线健全B相电压

3.1.2 电缆线路末端发生单相接地故障电压和电流暂态幅值

图12 母线健全C相电压

图13 中性点电压

同理，计算其末端发生金属性单相接地故障时电压和电流暂态幅值。表3给出了中性点经小电阻和经小电抗接地方式下的仿真计算结果。从表3中可以看出，中性点经小电抗接地时，故障点处的暂态电流幅值比小电阻略低。对比表1与表3，电缆末端短路时，故障点和中性点处的暂态电流幅值比靠近母线处要小得多。

表3 暂态电流幅值计算结果A

由图14，15和18可知，中性点经小电抗接地方式下，母线处故障相、故障点处故障相以及中性点处的暂态电压幅值均比中性点经小电阻接地时的相应值略高，但是均不超过某一范围（分别为 1.02 p.u.， 1.10 p.u.以及 0.05 p.u.）。

图14 母线故障相电压

图15 故障点故障相电压

图16 母线健全相电压

图17 故障点健全相电压

图18 中性点接地方式及对电压暂态幅值的影响

由图16和17可以看出，中性点经小电抗接地时健全相C相的母线处和故障点处的暂态电压幅值的最大值分别不超过1.05 p.u.和1.16 p.u.。

总体上看，小电抗接地母线处、故障点处各相、中性点处电压暂态幅值基本上略高于小电阻接地方式，但是最大值均不超过1.2 p.u.，因此，中性点经小电抗接地方式时的暂态电压满足运行要求。

不同过补偿度电抗接地时的电流情况如表4所示。可知，末端故障时，小电抗接地的暂态电流幅值因故障初相角不同而无变化。过补偿度增大时故障点及中性点处暂态电流幅值也增大。对比表2与4，末端短路时，故障点和中性点处暂态电流幅值比靠近母线处故障时的暂态电流幅值要小得多。

表4 暂态电流幅值计算结果A

由图19—25可知，相同故障初相角，中性点经小电抗接地时，母线及故障点处比经消弧线圈接地时略高，而对应健全相和中性点处比经消弧线圈接地时低。而且末端故障时，故障点处比母线处略高。

图19 母线故障相电压

图20 故障点故障相电压

图21 母线健全B相电压

通过上述比较可以看出，中性点经小电抗接地方式下，只有母线处及故障点处故障相暂态电压幅值略高于消弧线圈接地方式，而母线处及故障点处对应健全相以及中性点处暂态电压幅值以都低于消弧线圈接地方式下的相应值，而且随着中性点所接电抗值的减小，健全相以及中性点处电压暂态幅值都减小。由此可见，从暂态电压幅值来看，中性点经小电抗接地方式是可行的。

图22 故障点健全B相电压

图23 母线健全C相电压

图24 故障点健全C相电压

图25 中性点电压

3.2 单相接地故障稳态情况分析

3.2.1 电缆线路首端发生单相接地故障电压和电流稳态幅值

仿真过程中，电阻值取为6 Ω，小电抗的取值满足ωL=R。表5给出了中性点经小电阻和经小电抗接地时的仿真计算结果。

表5 电压电流稳态幅值计算结果

由表5可知，两种方式母线故障A相的电压稳态幅值均几乎为零（0.002 p.u.），而健全相B、C相基本都在1.7 p.u.，与理论分析一致[15-16]。同时，小电抗接地时略低于小电阻时，故障点及中性点处幅值也低于小电阻接地时。因此，从电压电流的稳态幅值看，经小电抗接地要优于经小电阻接地。表6给出了不同电抗过补偿度时电压电流稳态幅值的计算结果。

表6 不同过补偿度电压电流稳态幅值计算结果

从表6中可以看出，无论何种接地，母线故障相A相的电压稳态幅值都近乎0，母线对应健全相电压稳态幅值为1.73 p.u.左右，与理论分析结果基本一致。中性点经小电抗接地时的过电压幅值要低于经消弧线圈接地时的情况。对于某一特定的过补偿度，中性点处电流稳态幅值比故障点处的值大。

3.2.2 电缆线路末端发生单相接地故障电压和电流稳态幅值

同理，计算其末端发生金属性单相接地故障时电压和电流稳态幅值。表7给出了中性点经小电阻、小电抗接地方式下的仿真计算结果。

可以看出，无论中性点经小电抗还是小电阻接地，母线处、故障点处各相电压、中性点处电压稳态幅值的差别不大。故障点处对应健全相的过电压稳态幅值要略大于母线处。中性点经小电抗接地时中性点处电流稳态幅值高于经小电阻接地时的值，故障点处电流稳态幅值则略低。表8给出了不同电抗过补偿度时的电压、电流稳态幅值的计算结果。

表7 电压电流稳态幅值计算结果

表8 不同过补偿度电压电流稳态幅值计算结果

可知故障点处故障相的电压稳态幅值都为0；母线处故障相的过电压稳态幅值接近1 p.u.，并随电抗的减小而增大。经消弧线圈接地时的过电压幅值要高于小电抗接地的情况。且对于健全相，故障点处的过电压稳态幅值要略大于母线处。故障点及中性点的电流稳态幅值均随着电抗值的减小而增大。

3.3 中性点经小电抗接地时电压电流的波形

仿真母线端发生金属性单相接地故障时中性点和故障线各相的电流和电压波形。选L=0.019 1 H，设0.15 s时发生故障。中性点经小电抗接地时故障点、中性点处、健全相电流波形图分别如图26—29所示。

中性点电流和故障点电流方向相反，故障点处暂态电流比中性点处略低。健全相B相和C相的电流受到故障相的影响，发生剧烈振荡后分别增大为原来的1.61倍和1.56倍。

中性点经小电抗接地时故障相、健全相以及中性点的电压波形如图30—33所示。理论分析表明，电压迅速进入稳态情况，故障相的稳态电压幅值为0，健全相为1.7 p.u.左右。从电压波形可以看出，各相电压的变化情况与理论分析相一致。

图26 故障点处电流

图27 中性点处电流

图28 健全相B相电流

图29 健全相C相电流

图30 中性点处电压

图31 母线故障相电压

图32 母线健全相B相电压

图33 母线健全相C相电压

4 结论

通过对不同中性点接地方式时发生单相接地故障后各相、故障点、中性点处稳态电压幅值、稳态电流幅值的理论分析和仿真计算，得到以下结论：

（1）在以电缆为主的10 kV配电网系统中，首端发生单相接地故障时，中性点经小电抗接地，中性点处暂态电压幅值不超过1.1 p.u.，母线故障相暂态电压幅值不超过1.3 p.u.，且与其他2种接地方式相差不大，而对应母线健全相暂态电压幅值均略低于其他2种接地方式。无论接地方式如何，母线故障相稳态电压幅值均为0，而中性点经小电抗接地时对应母线健全相及中性点处的稳态电压幅值均低于其他2种中性点接地方式。

（2）电缆末端发生单相接地故障时，经小电抗接地时对应母线及故障点各相暂态电压幅值都低于经消弧线圈接地；中性点处暂态电压幅值低于0.6 p.u.；对应母线及故障点处健全相及中性点处电压稳态幅值低于另外2种接地方式，母线故障相暂态电压幅值虽然高于经消弧线圈接地时的值，但最大不超过1 p.u.。

（3）中性点经小电抗接地时故障点处暂态电流幅值比经相同阻抗模值的小电阻接地时大；当线路首端发生单相接地故障时，中性点经小电抗接地时故障点及中性点处稳态电流幅值均低于小电阻接地情况，并且电抗值的热容量要求不高，因此可避免经小电阻接地时因电阻的热容量大导致的制造困难问题。而对于线路末端发生单相接地故障的情况，中性点经小电抗接地时故障点及中性点处的电流与经相同阻抗模值的小电阻接地时相差不大。

由此可见，中性点经小电抗接地方式在电缆出线为主的10 kV配电网络中具有一定的优势。

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2017-09-22

李晨辉（1990），男，助理工程师，从事配电网运行维护工作。

（本文编辑：陆 莹）

建设世界一流电网 建设国际一流企业

Feasibility Study on Neutral Point Grounding Through Small Reactor in Cable-based 10 kV Distribution System

LI Chenhui1，LI Hongyan2，ZHAO Zhenhua1，ZHANG Junhao1
（1.Ningbo Yongcheng Power Distribution System Construction Co.，Ltd.，Ningbo Zhejiang 315000，China；2.State Grid Ningbo Yinzhou Power Supply Company， Ningbo Zhejiang 315100， China）

The wide use of the cable line in urban distribution system leads to the dramatically increase of capacitive current in 10 kV power distribution system，bringing out more and more single-phase ground faults and the induced interphase short-circuit faults.In recent years，the grounding of the neutral point through small reactor has been successfully applied in 500 kV，220 kV and 110 kV power grids.Aiming at overcoming the problem of the grounding of the neural point in the existing medium-voltage distribution system，this paper investigates the fault features of the neural point grounding though small reactor in the cable outletbased distribution system.The advantage and feasibility of neural point grounding though small reactor in the cable-based 10 kV distribution system are presented by the simulation and results comparison.

10 kV distribution system；grounding through small reactor；single-phase ground fault

10.19585/j.zjdl.201711001

1007-1881（2017）11-0002-10

TM862

A