山东电网35 kV系统中性点小电阻接地方式分析

2020-11-12康世崴白茂金

山东电力高等专科学校学报 2020年5期

李凯，康世崴，白茂金

（1.国核电力规划设计研究院有限公司，北京 100095；2.山东电力工程咨询院有限公司，山东济南 250013）

0 引言

配电系统中性点接地方式与供电可靠性、过电压与绝缘配合、继电保护等密切相关，是保障人身、设备安全及系统可靠运行的重要条件。长期以来，我国中压配电系统主要以中性点不接地和经消弧线圈接地方式为主［1-2］，随着系统容量的增加，电缆线路的延伸，电容电流越来越大，弧光接地引起的过电压导致电缆头爆炸、设备损坏等故障时有发生，对安全生产造成较大影响。

为应对城市电网电缆化率升高引起的电容电流增大问题，快速切除单相接地故障，避免故障进一步发展为多重故障，国内某些城市的中压配电网中性点由不接地或经消弧线圈接地方式逐渐改为经小电阻接地方式［3-4］。

本文在分析各种接地方式技术特点的基础上，结合山东电网35 kV配电系统发展规划，对采用小电阻接地方式的必要性和可行性进行论证，并通过案例分析验证其有效性，在保证用户供电可靠性的同时，实现对故障线路的快速切除，避免事故进一步扩大。

1 中性点接地方式的演化进程

电力系统中性点接地方式是一个涉及到技术、经济和安全等多个方面的综合问题。首先，中性点接地方式的选择与电力系统的供电可靠性、设备安全、绝缘水平以及继电保护等技术问题密切相关。其次，中性点接地方式的选择应与电网的现状和发展相适应。

目前，我国电力系统中110 kV及以上输电网络考虑绝缘问题及经济因素，一般采用中性点直接接地方式。10～66 kV中压配电网络的中性点接地方式主要有中性点不接地、经消弧线圈接地和经小电阻接地 3 种［5］。

1.1 中性点不接地

电网发展初期，电网网架较弱，主要以辐射型网络结构供电，网络间负荷转带能力差；电网规模小，主要以架空线路为主，单相接地故障电容电流较小（小于10 A），发生单相接地故障时，接地电弧能够自行熄灭，不会产生弧光接地过电压。同时，由于瞬时单相接地故障约占70%～80%，为提高供电可靠性，希望瞬时单相接地故障不动作于跳闸，而是继续运行一段时间，在此期间排查故障，尽量减小停电范围。因此，中性点采用不接地方式。

1.2 经消弧线圈接地

电网发展中期，随着电网规模不断扩大，尤其是电缆线路的增多，电网电容电流迅速增大。当电容电流大于10 A时，若继续采用不接地方式，若发生单相接地故障，接地电弧不能自行熄灭，将产生弧光接地过电压，即发生单相接地故障时，大部分电弧不稳定，这种间歇性的电弧使得系统工作状态时刻变化，导致电感电容元件之间的电磁振荡，形成全系统的过电压。此时，采用经消弧线圈接地方式，流过消弧线圈的感性电流可补偿电网电容电流，使接地电弧熄灭，避免产生弧光接地过电压。

同时，由于电网在这一阶段尚未实现双电源供电，仍以辐射型供电方式为主，为提高供电可靠性，希望瞬时单相接地故障不动作于跳闸，而是继续运行一段时间，在此期间排查故障，尽量减小停电范围。

1.3 经小电阻接地

随着电网规模的进一步扩大，电网电容电流逐渐增大，尤其是城区电网大量采用电缆后，部分电网电容电流超出消弧线圈的补偿能力。当发生单相接地故障时，接地电弧不能自行熄灭，将产生弧光接地过电压。在这种情况下，经消弧线圈接地方式已不能满足要求，应采用经小电阻接地方式。

由于电网已完善为双电源供电网络，采用小电阻接地方式，发生单相接地故障时，可快速切除故障线路，并将备用电源投入运行，不会造成用户停电。故障线路被快速切除后，非故障相过电压的持续时间大大缩短，可避免事故进一步扩大［6-8］。

各种接地方式的技术特点如表1所示。

2 山东35 kV系统中性点小电阻接地必要性

随着电网系统容量的不断发展，尤其是城市配电网电缆化率的提高，以及光伏发电站等新能源的接入，山东电网35 kV系统现有中性点不接地或经消弧线圈接地方式无法有效补偿系统日益增大的电容电流，不能满足中压配电网络的安全可靠运行需求。

2.1 无法满足光伏发电站以35 kV电压等级并网的要求

根据GB/T 19964—2012《光伏发电站接入电力系统技术规定》，光伏发电站应具备快速切除站内汇集系统单相故障的保护措施。为满足光伏发电站并网要求，光伏发电站侧应采用小电阻接地方式。但由于电网侧对应系统为不接地或经消弧线圈接地系统，导致目前光伏发电站侧的中性点接地电阻未能投入运行，不能实现快速切除光伏发电站内汇集系统单相故障的要求，给光伏发电站及其接入电网的运行带来重大安全隐患。

表1 各种接地方式的技术特点

2.2 不能适应35 kV系统单相接地电容电流过大的问题

随着城市配电网中电缆线路比例的不断提高，系统单相接地电容电流不断增大，受消弧线圈容量限制，部分电缆化率高的电网电容电流已接近或超出消弧线圈的补偿能力，消弧线圈接地方式已不能满足要求。例如，山东某城区部分电网220 kV变电站供电区35 kV电缆长度达到57 km，其电容电流约430 A，平均每台主变的35 kV系统电容电流达到140 A。而在通用设计中35 kV消弧线圈最大容量为2 200 kVA，按补偿系数1.35计算，补偿能力仅约80 A。

2.3 不能满足电网快速切除单相接地故障的运行方式要求

中性点不接地和经消弧线圈接地方式下，由于消弧线圈的补偿作用，接地电流很小，导致单相故障选线困难，不能快速准确切除故障线路，需通过逐条线路试拉和现场巡线方式查找故障，导致非故障相设备长时间承受过电压，在电网薄弱环节易引发多重故障，造成事故进一步扩大。因此，电网运行部门对单相故障，尤其是电缆线路的单相故障，有快速切除的迫切需要。

综上，从满足光伏发电站并网的需要、转变电网运行方式、提高供电可靠性角度，山东电网35 kV系统中性点有采用小电阻接地方式的必要。

3 山东35 kV系统中性点小电阻接地可行性

根据《山东电网“十三五”配电网规划报告》，至“十三五”末，山东电网35 kV配电网络全部实现双电源供电，10 kV配电网络按照多分段适度联络（架空网）和双环网（电缆网）的结构目标。除D类区域10 kV线路“N-1”通过率为80%外，其他区域10 kV线路“N-1”通过率为100%，电网的供电可靠性大幅提升。

随着山东中压配电网络结构的加强及配电网自动化技术水平的提升，电网供电可靠性的保证已不再以带故障运行、设备过电压风险为代价。

因此，从电网结构上来看，山东35 kV系统已具备采用小电阻接地方式的条件。