配电网中性点接地方式研究

2018-07-06张晓慧赵喜邈胡光勇张宏兵

沈阳工程学院学报（自然科学版） 2018年2期

贾奇，张晓慧，赵喜邈，胡光勇，张宏兵

(1.沈阳工程学院电力学院，辽宁沈阳 110136； 2.国网北京城区供电公司崇文供电服务中心，北京 100000； 3.国网乐山供电公司运检部，四川乐山 614000； 4.国网定西供电公司营销部，甘肃定西 743000)

21世纪以来，配电网中性点接地运行方式成为国家有关部门关注的热点，配电系统与电网结构、继电保护、绝缘配合、电压等级、电磁兼容等有着很大联系[1]。随着社会经济的发展，人们越来越依赖电，生活生产无时无刻都与电力息息相关。因此，提高电网的安全技术以及提升供电的可靠性成为国家电力公司的重要工作。

配电网是城市供电中的最重要环节，配电网主要工作是从变电站获取电能，通过线路进行输送、通过变压器交换、通过一些设备保护用电的安全等，将电能安全传送给用户。配电网按照不同的电压等级，分低压配电网、中压配电网和高压配电网[2]。上个世纪 60～70 年代，我国大部分地区的配电网完成了改造，采用 10 kV。我国大体配电网分为三等，高压配电网电压为：110 kV、35 kV (23 kV)；中压配电网电压为：10 kV(6.6 kV)；低压配电网电压为：380/220 V[3]。

10 kV中压配电网应用范围较广，它在供电网中的地位尤其重要，供电的安全性以及传输质量更为重要。资料统计，配电网发生事故的比例较高，由此，研究10 kV配电网的接地方式，对电网系统运行和故障预测处理具有重要意义。

1 针对几种中性点接地方式分析

1.1 中性点不接地方式

1.2 中性点经消弧线圈接地

由于补偿率的不同，在采用消弧线圈接地时分为欠补偿、全补偿和过补偿几种方式。在电网中，多采用过补偿方式，当发生单相接地故障时，该接地方式可以提高供电可靠性，同时大大地减少了单相接地故障电流，使接地点的电弧迅速熄灭，防止了由于间歇性电弧所产生的过电压[5]。

1.3 中性点经小电阻接地

中性点接电阻接地，当单相接地故障电流大于100 A 时，采用小电阻接地方式，该方式的优点是快速切除故障，过电压水平低，可采用绝缘水平较低的电缆和设备[6]。

2 对某市区几个典型变电站仿真建模分析

2.1 某变电站仿真模型的建立

针对10 kV城市配电网，变压器等级为10 kV/0.4 kV，dy11接法，利用ETAP软件构建的变电站仿真模型如图1所示。

图1 某市区某变站仿真模型

接地容流的计算方法：

网络简化方式为：每回出线模拟为一回到两回主线+两回支线，所有同型号分支线求和归并。

表1 两个典型接地短路电流

2.2 某典型变电站中性点经消弧线圈接地分析

利用MATLAB进行仿真，过电压波形如图2所示。

图2 某变一段母线，消弧线圈方式过电压MATLAB仿真波形

消弧线圈工作方式：

1)预调式-在系统正常时测量系统的电容电流，并将消弧线圈调节到对应位置，单相接地故障时，消弧线圈零延时进行补偿[7-8]。

问题：正常运行时，防止谐振发生。

2)随调式-在系统正常运行时测量系统的电容电流，当发生单相接地故障后，调节消弧线圈至对应的位置。

问题：①测量过程中的谐振；②响应时间-对瞬时性单相接地故障的补偿效果。

中性点经消弧线圈接地方式，根据不同补偿情况，非故障相工频过电压1.708Uφ～1.820Uφ，与中性点不接地时发生单相接地故障时的情况差不多，但接地点残流很小，有利于灭弧。为了避免电网切除部分线路时发生危险的串联谐振过电压，一般采用过补偿方式。

2.3 某典型变电站中性点经小电阻接地分析

利用MATLAB进行仿真，过电压波形如图3所示。

图3 某变一段母线，10 Ω小电阻接地方式过电压MATLAB仿真波形

利用MATLAB进行仿真，故障支路零序电流波形如图4所示。

图4 某变一段母线，10 Ω小电阻接地方式故障支路零序电流MATLAB仿真波形

中性点经低电阻接地方式，限制过电压的能力非常好，接地电流非常大，系统没有带故障运行的能力，继电保护设备只能动作于线路跳闸；而中性点经高电阻接地方式，具有一定的抑制单相接地过电压的能力，而且单相接地电流和中性点电流不太大，有带故障运行的能力[9]。

3 对几种接地方式选择的分析

3.1 中性点不接地方式

通过调研的两所郊县变电所，电缆占比在10%以下，接地容流均小于10 A，但随着架空绝缘导线的改造和较多的架设分支，有接地总电流接近10 A,建议在改造前后，进行电容电流测试实验。目前的电容电流测试仪主流产品对于无消弧线圈的系统的测试比较准确，可以在不影响系统运行的情况下，通过从PT二次开口处注入异频信号的方法取得测量值。

对于变电所全段母线接地电容电流超过10 A的，要注意运行方式尽量避免并列运行时带上所有负荷，尤其是线路较长的负荷。如果有升级改造后淘汰下来的消弧线圈，在变电所允许情况下，建议可以采用立旧的方式进行备用，在需要的时候可以投入运行。

针对不接地方式给出的建议如下：

1)PT改造抑制铁磁谐振过电压的建议

对于不接地系统，为降低可能出现的铁磁谐振过电压，3PT接线方式改为4PT接线方式，即在3PT中性点加入一个零序PT，以短路阻抗代替励磁阻抗，理论和实践均证明这是比较有效的减少铁磁谐振。

需要注意的是如果用户侧或者系统内其他相连的母线上具有中性点直接接地的PT，仅变电所母线改造成4PT方式，是无效的。对无法进行彻底改造4PT条件的，建议采用PT中性点加装非线性电阻进行消谐。目前考察变电所二次消谐装置投入率不高。

2)关于故障选线装置的建议

对于架空线路为主的郊县变电站，每回母线所带线路少于四回情况下，人工拉选加调度员判断，还是可以采用。在可能情况下，可将消弧线圈方式下选线不准的选线装置，立旧到农网变电所，在不接地系统中，传统的选线装置对永久接地故障(非高过渡电阻接地)还是有着很高的选线准确率。对于出线回数较多的，建议增设选线装置，避免频繁进行开关操作，减少操作过电压，以及提高供电可靠性。

3.2 中性点经消弧线圈接地方式

要对近几年的跳闸率、消弧线圈动作次数、故障选线装置、设备破坏率等进行统计，同时要对消弧线圈设备和选线装置类型进行分类统计，视具体情况，决定是否需要改造。应以事故率高低进行排序，决定变电所是否需要改造。尤其是对于频繁出现电缆事故和PT事故的变电所，应集中分析原因，避免头疼医头、脚疼医脚的单纯更换事故设备的方法进行故障消除。

3.2.1 预调调匝方式消弧线圈接地方式的变电所

需要注意的是这种运行方式的消弧线圈，由于带有定值阻尼电阻箱，最好改造为非线性电阻箱，可以有效抑制中性点电压过高和虚地现象的产生，减少接地误报的几率。非线性电阻可始终处于工作状态，避免了频繁投切定值电阻箱造成的故障，以及定值不配合问题产生的工频谐振。

3.2.2 自动跟踪调谐相控式消弧线圈

相控式(高阻抗变压器)消弧线圈具有正常运行时远离谐振点，降低工频谐振产生几率，故障时，迅速调整到谐振点附近，要求必须有足够快的投入速度，否则，在短路的一个周期内将得不到有效的补偿，一般投入应以小于20 ms的作为首选，可以有效进行工频接地电流的补偿，并降低谐振过电压产生的几率。这种运行方式，可控硅宜工作在全导通状态，如果工作在全截止状态，无法消除铁磁谐振现象。

小电流接地选线装置，老式以稳态方法进行故障选线的装置，已经不适合消弧线圈接地系统使用，必须进行改造，采用复合判据的暂稳态联合判断方法进行故障选线，对已经采用复合判据进行选线的，视其选线准确程度，决定是否可以继续使用。

对于选线装置准确率不高，且电缆事故频发的变电所，可以尝试采用消弧线圈并联电阻方式进行选线，这种选线准确率较高，但改造投资较大，需要增设并联电阻，还需要消弧线圈控制设备进行并联电阻的投切、零序电流互感器的改造，本质上这是一种短时由小电流接地系统变为大电流系统以辨别出故障线路的方法。

近几年出现了采用暂态行波方法进行单相接地故障的选线，采用暂态行波方法进行故障选线已有装置应用于现场，准确率仍有待实验反馈。最新的是以“基于单相电流行波的配电线路单相接地故障选线方法” ，理论较为先进，目前还没有查到成型产品，需要跟踪市场上新的动态。

目前在消弧线圈接地方式运行下，加装消弧柜的办法能够有效抑制间歇弧光接地，原理是在间歇弧光接地时，消弧柜形成稳定金属接地点，抑制故障点间歇电弧发生，如果退出接地开关后，仍然有间歇电弧产生，则再次投入后，发出选线信号，等待故障处理。但这种装置的实用情况，还有待反馈。

3.3 中性点经小电阻接地方式

近年来，北京、上海、杭州、广州、苏州工业园等市区电网均采用了中性点接小电阻方式接地，深圳选16 Ω电阻，不锈钢材质；广州、上海、北京选10 Ω电阻，铸铁和不锈钢材质。

多年运行表明，低电阻接地方式可降低单相接地时非故障相的过电压，抑制弧光接地过电压，消除PT谐振过电压和大部分断线谐振过电压，系统单相接地时避免发展成相间短路，过电压水平大大降低，配电网的运行可靠性提高，接地保护方式较简单，电缆可选择较低绝缘水平的，节省投资。其原因是电缆、绝缘架空线的大量使用，瞬时故障大大降低，缺乏有效快速的选线装置。

电缆线中某点接地，大电流电弧有可能烧毁电缆并波及同一电缆沟内的相邻电缆，从而扩大了事故或酿成火灾；引起地电位(跨步电压)升高超过安全允许值[10]。最为显著和不利的就是，对于有架空线路的配电网甚至全电缆网络，单相接地跳闸次数会比非有效接地方式呈现明显增加。如果还未实行环网供电或线路没有装重合闸，则跳闸率会大大增加。小电阻接地只能靠零序保护速断，解决以上的问题。

小电阻接地方式改造是一个系统工程，需要投入大量的人力、物力和资金，应慎重对待。

根据配电网规划属于电缆网发展区域，应按区域规划成片改造，同一规划区域内应采用相同的中性点接地方式，以利于负荷转供。应按照“自下而上”的方式进行改造，即变电站10 kV母线低电阻接地系统改造之前，应提前安排本母线所带开关站、配电室、用户等的零序保护改造(含低压接地改造)，其零序保护按照有关原则进行整定及验收调试，除了常规保护配置外，还应配置两段零序电流保护作为该元件的主保护和后备保护。对于馈线都需要进行零序保护改造，尤其是混有架空线路的，必须装设自动重合闸，以消除瞬间故障造成的跳闸停电。