水电站中压厂用电系统接地方式研究

张 鑫，任 刚，刘长武，刘书玉

（1. 河北张河湾蓄能发电有限责任公司，河北 石家庄 050300；2. 中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京100024）

0 引言

目前我国水电站中压厂用电系统普遍采用中性点不接地方式，当发生单相接地故障时，厂用电系统一般可以继续运行2 h，保证了供电的可靠性，但由于该接地方式下难以实现灵敏且有选择性的接地保护，可能导致单相接地故障扩大为事故。近年来，水电站发生了数起由于单相接地故障未及时处置，进而发展成相间短路，最终导致火灾的事故，造成重大经济损失。中性点接地方式直接影响厂用电系统供电的可靠性、连续性和电站运行的安全性。因而有必要对厂用电系统接地方式进行研究，以期快速且有选择性地切除故障，消除安全隐患。

1 国内外中压电网接地方式现状

对中压电网接地方式，世界各国有不同的观点及运行经验，在各个国家，甚至同一个国家中的不同城市中，电网接地方式都不尽相同，主要是依据各自的经验和传统来确定。

德国在世界上首先使用了消弧线圈，自1917年开始便在各种电压等级的电力网中大量采用中性点经消弧线圈接地的电力系统谐振接地方式，已有近百年的历史，而近年来德国电力公司认为电缆网络的中性点通过低电阻接地比较合适。

苏联规定在下列情况下中压电网采用不接地方式：6 kV电网单相接地电流小于30 A；10 kV电网单相接地电流小于20 A；15～20 kV电网单相接地电流小于15 A；35 kV电网单相接地电流小于10 A。如果单相接地电流超过上述值，则需采用中性点经消弧线圈接地方式。

英国架空线路组成的中压电网逐步由直接接地或电阻接地改为经消弧线圈接地，而在电缆为主的电网系统中，采用中性点经低电阻接地方式。

日本中压系统不接地、经消弧线圈接地及经电阻接地方式都有应用。

美国广泛采用中性点直接接地或经低电阻接地方式，以限制弧光过电压，并瞬时跳开故障线路。

在我国，建国初期至20世纪80年代电网完全参照前苏联的规定，对3～66 kV电网主要采用不接地或经消弧线圈接地2种方式。但上述2种接地方式中有一个关键的问题没有得到彻底解决，那就是单相故障的快速、准确选择与定位。20世纪90年代以来，随着电网规模越来越大，电缆线路逐渐增多，电容电流也不断增大，而且运行方式经常发生变化，消弧线圈调谐存在很大困难，一些地区配电网开始采用中性点经低电阻接地方式。当前，国内水电站中压厂用电系统多采用不接地方式。在初步调研的国内35座电站中，仅白鹤滩水电站及绩溪抽水蓄能电站两在建项目中压厂用电系统采用了经消弧线圈接地方式，其余均为不接地方式。

2 常见的接地方式及理论分析

我国电力系统常见的接地方式有中性点直接接地、不接地、低/高电阻接地以及消弧线圈接地。

2.1 中性点直接接地

在这种系统中，当发生单相接地时，这一相直接经过接地点和接地的中性点短路，继电保护一般都能迅速而准确地切除故障线路，且保护装置简单，工作可靠。中性点直接接地系统的动态电压升高不超过系统额定电压的80%，高压电网中采用这种接地方式可显著降低设备和线路造价。中性点直接接地的缺点是发生单相接地故障时断路器跳闸，因而供电可靠性较差。目前该接地方式在我国主要应用于110 kV及以上系统中。

2.2 不接地系统

不接地系统是指没有人为采用中性点与大地连接。不接地系统的优点是发生单相接地故障时，不形成短路回路，通过接地点的电流仅为接地电容电流，当单相接地故障电流很小时，故障点电弧可以迅速自熄，熄弧后绝缘可自行恢复，自动清除单相接地故障，而无需使线路断开，可以带故障运行一段时间，以便查找故障线路，因而大大提高了供电可靠性。

图1为不接地网络接线示意图。正常情况下，输电线路存在三相对称的对地电容C0，每一相都有电容电流流入大地，由于三相对称，总的电容电流为零。若A相发生对地金属性短路，A相对地电容被短路，B、C相仍有电容电流流入大地，并通过短路点K流回A相，短路电流为B、C相电容电流的矢量和。同时由于A相接地，A相电压变为零，B、C相对地电压变为线电压，有效值变为原来的倍。

图1 不接地网络接线示意图

图2表示A相接地时各相电压和电流的矢量图，各相对地电压为

原中性点发生偏移，偏移后中性点电压为

非故障相流向故障点的电容电流为

图2 A相接地时矢量图

我国厂用中压系统主要采用不接地方式，其主要优点是供电的可靠性高，并且成本低，简单方便。当发生单相金属性接地故障时，故障相电压变为零，非故障相电压变为线电压，系统的线电压仍然三相对称。根据以往经验，如果电容电流不是很大、小于10 A时，允许持续供电不超过2 h。国内研究表明，当短路电流超过10 A时，短路点电弧就无法自熄灭，会出现间歇性电弧或持续电弧，一方面电弧本身容易诱发火灾，烧毁输电线路，导致事故扩大，另一方面，会出现弧光过电压，过电压倍数最高可达3.5倍。

厂用系统采用不接地方式情况下，一般装设单相接地保护装置，保护装置反应零序电压，原则上一般动作于信号。当中压厂用系统发生单相接地，由于接地电流较小，允许系统继续短时运行，保护装置发出故障信息通知运维人员及时处理。在出线回路数不多，或难以装设有选择性的单相接地保护时，可用依次断开线路的方法，查找故障线路。当出线回路较多，可采用有自动选线功能的小电流接地保护装置。实践证明，当发生单相接地时，特别是电缆发生单相接地时，有很大机率发展成为电缆的相间短路。所以当厂用电系统采用不接地方式，而相应的保护仅动作于信号，其安全性是值得进一步探讨的。

2.3 中性点经低电阻接地

中性点经低电阻接地方式是以获得快速选择性继电保护所需的足够电流为目的，一般接地故障电流为100～1 000 A。中性点低电阻接地方式在单相接地时的异常过电压抑制在运行相电压的2.8倍以下，可以采用绝缘水平较低的电气设备，改善了设备运行条件，提高了设备运行的可靠性，能快速切除单相接地故障，提高系统安全水平。

如图3所示，系统的中性点经一固定阻值的电阻接地，当其中的某一条线路发生单相金属性接地故障时，其故障电流分为2部分，一部分为电容电流，另一部分为从中性点经接地电阻流出的零序电流，从故障点流回系统，总的故障电流为这2部分电流的矢量和。因发生的是金属性接地故障，故障时中性点电压的有效值等于额定相电压（用Uφ表示）。流经接地电阻的零序电流有效值则为，与接地电阻的阻值大小成反比关系。

图3 中性点经电阻接地故障电流流向图

下面来推导中性点经电阻接地、A相发生金属性接地故障时，非故障相的电压变化。对于10 kV厂用中压系统，对地电容一般为μF级别，对应的容抗值为千欧级，而小电阻接地，电阻阻值一般不超过10 Ω，中阻接地电阻阻值通常不超过30 Ω，可见接地电阻值远小于容抗值，在计算时可以忽略电容容抗。

利用对称分量法，将故障点电压分为正、负、零序分量，其零序等值回路如图4所示。忽略线路的电阻，即 R1=R2=0，Z1=jX1=Z2=jX2，Z0=R0=3RN。

由零序等值回路可以算出各序电压分量为

图4 单相接地故障零序等值回路

故障电流为

非故障相电压为

带入可求得

从上式可以看出，非故障相电压的变化量保持一致且与接地电阻相关。当R0=0时，当时。其矢量图如图5所示，∆U˙随接地电阻阻值的变化而变化，其末端轨迹为半圆型。

图5 低电阻接地方式下A相接地时矢量图

由以上理论分析可以看出，中性点经低电阻接地的基本特点是故障电流较大，非故障相依然存在过电压，但过电压倍数较低，且非故障两相的过电压倍数不一致。相比于中性点不接地系统，中性点经低电阻接地的显著特点是，由于电阻的阻尼和损耗作用，电弧过零熄灭后，零序残压通过电阻放电，避免了电弧重燃—熄灭—重燃的振荡过程，从而限制了过电压的升高，将过电压限制在一个较低的水平。同时，为零序电流提供一条通路，接地电阻阻值越小，故障电流越大，可使零序电流保护继电器快速灵敏动作，及时切除故障线路，避免事故进一步扩大。对于厂用中压系统接地电阻值的选择，既要考虑一次设备的承受能力，又要与保护装置的定值整定相配合。

2.4 中性点经高电阻接地

高电阻接地方式以限制单相接地故障电流为目的，电阻阻值一般在数百～数千欧姆。采用中性点经高电阻接地的目的就是给故障点注入阻性电流，以提高接地保护动作灵敏性，当发生单相接地故障时，在接地电弧熄弧后，系统对地电容中的残荷将通过中性点电阻泄放，从而减少电弧重燃的可能性，抑制电网过电压的幅值，从而降低间歇性弧光接地过电压。

中性点高电阻接地方式可以限制间歇性弧光接地过电压和谐振过电压2.5倍以下，当系统发生单相接地故障时可不立即清除，继续运行2 h，供电可靠性高，一般用于发电机回路。

2.5 中性点经消弧线圈接地

中性点经消弧线圈接地方式，当电网发生单相接地故障时，故障点流过电容电流，中性点的位移电压产生感性电流流过接地点，补偿电容电流，使得接地故障残流小，达到自动熄弧、继续供电的目的。

图6所示为中性点经消弧线圈接地，消弧线圈本质为一电感，因线圈本身存在损耗阻抗，其电路模型可用电感与电阻串联表示。当A相发生单相金属性接地故障，故障相电压降为零，中性点电压变为由于消弧线圈一般工作在谐振点附近，电网的零序阻抗趋于无穷大，故线电压三角形保持不变，非故障相电压升高到线电压，有效值变为原来的倍。电压向量图如图7所示。

对于故障电流，分为两部分，一部分为电容电流，另一部分为从中性点经消弧线圈流出，从故障点流回系统的感性电流，感性电流对电容电流进行补偿，减小了故障点的电流。对电路做变换，可得补偿电网的电流谐振等值回路如图8所示。

图6 中性点经消弧线圈接地故障电流流向图

图7 A相接地时电压矢量图

图8 补偿电网的电流谐振等值回路

式中IR为残留中的有功分量，IC为电网的接地电容电流，IL为消弧线圈的补偿电流。

通常消弧线圈工作在谐振点附近的过补偿或欠补偿状态，若恰好工作在全补偿状态，会产生很高的谐振过电压，对系统造成极大的危害。

由以上的分析可以看出，中性点经消弧线圈接地，由于电感电流的补偿作用，能显著减小故障电流，达到快速熄弧的目的。非故障相的电压变为线电压，有效值变为原来的倍。从稳态过电压倍数来看，中性点经消弧线圈接地方式与中性点不接地方式一致，但是由于故障电流的显著减小，通常补偿后的故障电流不超过10 A，故障点电弧容易熄灭且不易重燃，有效避免了弧光接地过电压的产生。同时，消弧线圈能有效减缓恢复电压的上升速度，进一步降低了故障点电弧重燃的概率。

中性点经消弧线圈接地适用于单相接地故障电容电流大于10 A又需要在接地故障条件下运行的架空线路。架空线路的单相接地故障大多数为瞬时性故障，中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障时，允许运行1～2 h，有效的降低了发生瞬时故障时的跳闸率，提高了供电的可靠性。同时，减小了非故障相的过电压倍数，降低了对系统绝缘水平的要求。由于故障电流的减小，对保护装置而言，特征量不明显，存在保护不灵敏，选线困难等问题。

我国厂用中压系统很少采用中性点经消弧线圈接地方式，①老电站的厂用电系统普遍比较简单，单相接地故障电流小于10 A，不需要补偿；②厂用中压系统基本为电缆线路，很少有架空线，中性点经消弧线圈接地方式并不适用；③厂用电系统工作方式复杂，电容电流变化较大，若消弧线圈调谐参数选择不当，很容易出现谐振过电压，对系统危害极大。

3 结论

《水力发电厂过电压保护和绝缘配合设计技术导则》（NB/T 35067-2015）规定：“3～20 kV不直接连接发电机的系统和35 kV、66 kV系统中性点宜采用不接地方式。当单相接地故障电容电流超过10 A，并且需要在接地故障条件下运行时，应采用中性点谐振接地方式；6～35 kV主要由电缆线路构成的配电系统以及发电厂厂用电系统，单相接地故障电容电流较大时，可采用中性点低电阻接地方式；6 kV和10 kV配电系统以及发电厂厂用电系统，单相接地故障电容电流不大于7 A时，为防止谐振、间歇性电弧接地过电压等对设备的损害，可采用高电阻接地方式”。

水电站中压厂用电系统变压器数量及容量一般均有备用，重要负荷采用双电源供电，因而厂用电系统没有带接地故障运行的必要性；且中压厂用电系统以电缆线路为主，其为非自恢复绝缘，发生单相接地故障一般来说均为永久性故障，必须迅速切断电源，避免造成相间短路事故扩大，即便采用消弧线圈，也只是一定程度上降低了接地故障电流，很难及时排除故障，在以电缆为主的厂用电系统中不能有效发挥作用[1]。

而低电阻接地可以使接地故障的检测手段大为简单、可靠，准确快速切除故障，同时也可降低过电压水平，减小单相接地发展成相间短路的概率，防止事故扩大[2]。

综上所述，从确保电站运行安全考虑，水电站中压厂用电系统，当单相接地故障电容电流不大于7 A时，可采用不接地方式，保护动作于信号（需要现场人工即时干预）；当单相接地故障电容电流大于7 A时，宜采用中性点低电阻接地方式，保护动作于跳闸。