10 kV混合线路中性点接地电阻的选择

2021-09-09葛天成

电工材料 2021年4期

陈帆，胡凯，葛天成

（国网武汉市新洲区供电公司，武汉 431400）

引言

为了使输电线路不易发生跳闸事故，10 kV线路采用中性点不接地方式[1]。随着输电系统的不断发展，现在很多地方在配电网中使用电力电缆，出现架空线路和输电线路混合使用的情况。由于电缆的电容较大，使得系统的电容越来越大[2]，当系统发生弧光接地时，将会产生很大的过电压和故障电流[3]。为了减小此类事故对配电网的危害，实际使用接地电阻和消弧线圈来降低过电压危害，因经消弧线圈经济性不合适[4]，经电阻接地系统有较为广泛的使用。很多地方虽然采用了电阻接地系统，但发生电弧时，抑制过电压的效果不明显。造成这种情况的原因是由于不同的地方线路的结构不同，没有做到具体的线路具体分析。

有许多学者对弧光接地过电压进行研究，文献[5-7]间歇性电弧的仿真采用的固定电阻，然而实际的电弧电阻是不断变化的。本文将建立准确的电弧模型，分析中性点接地电阻不同时A、B、C三相电压的变化，并研究故障时流经中性点和故障相电流的大小。

1 模型参数

1.1 系统参数

系统的结构图如图1所示，系统由3条电缆和1条架空线路组成，Rn为中性点接地电阻。线路的参数如下：

图1 系统模型图

（1）架空线路（7 km）

正序：R1=0.172Ω/km；X1=0.328Ω/km；C1=0.008µF/km。

零序：R0=0.322Ω/km；X0=1.147Ω/km；C0=0.005µF/km。

（2）电缆线路（5 km）

正序：R1=0.105Ω/km；X1=0.081Ω/km；C1=0.48µF/km。

零序：R0=1.05Ω/km；X0=0.32Ω/km；C0=0.41µF/km。

仿真是以2号电缆线路作为故障线路，A相为故障相。

1.2 电弧模型

电弧在导通期间电阻是随时间变化的，为模拟变化电阻通常采用的数学模型为Mayr模型和Cassie模型，两种模型的理论基础不同，Mayr倾向于电击穿理论，而Cassie模型倾向于热击穿理论[8]。实际中电弧变化的规律更加符合Cassie模型，其数学形式如式（1）。

其中gc电弧电导；τc时间常数，其值为1.2×10-5s；uarc电弧电压；uc电弧恢复电压，其值为3.16 kV[9]。

Cassie模型具体电路图如图2所示。

图2 Cassie电弧模型电路图

Cassie电弧模型和开关组合构成间歇性电弧模型，仿真中模拟电弧的四次重燃，t1=0.103 5 s时开关动作，t2=0.113 5 s时开关断开；t3=0.123 5 s时2号开关动作，t4=0.133 5 s时开关断开；电弧第三次重燃时开关动作为t5=0.143 5 s，t6=0.153 5 s开关断开；t7=0.163 5 s时，4号开关动作，再经过0.01 s开关断开[10]。电弧模型结构图如图3所示。

图3 电弧模型结构图

2 中心点不接地系统

图4为不接地系统发生电弧故障时的电压随时间变化图，表1为故障期间不同燃弧次数与最大电压关系，由图表可知第一个工频周期内最高电压为19.658 kV，是标准电压的2.41倍。此时各相电压未达到最大值，第二个周期内，最高的过电压为25.39 kV。由于能量的不断积累，第二次最高的过电压是额定电压的3.11倍，其值大于第一次电弧产生的最高过电压。第三个周期时最高的电压幅值相比第二个周期未发生较大变化。但四次电弧重燃期间的过电压远高于额定电压，短暂的弧光过电压将会使线路再次发生击穿事故。

图4 中性点不接地系统电压波形图

表1 燃弧次数与过电压关系

3 中性点经电阻接地系统

不接地方式下电弧重燃四次时最高过电压达25.354 kV，其过电压是由于电荷在线路中振荡造成。当接地方式改为经电阻接地时，电弧故障产生时，电荷通过中性点的电阻释放掉，降低系统振荡幅度，过电压幅值得到降低。主变压器10 kV侧无中性点，为了降低改造成本，工程中通过引入接地变压器，其容量为300 kVA，阻抗3%。

3.1 电压与接地电阻关系

弧光接地是一个比较复杂的过程，电弧的熄灭与重燃的过程，在电弧产生期间会产生高频振荡电压，接地电阻的阻值会对各相电压产生不同影响。仿真中Rn分别设置10Ω、20Ω、50Ω、100Ω和200Ω。图5为不同接地电阻仿真正波形图。Rn=10Ω时，电弧第一次熄灭瞬间A相快速地振荡，产生19.948 kV的过电压，其幅值大于其他两相最高过电压幅值。同不接地系统仿真结果对比可知，Rn=10Ω过电压幅值降低，但最高过电压在故障相产生，且过电压幅值与燃弧次数无关。

当Rn递增时，故障相最高电压幅值不断递减，B、C相最高电压幅值不断增加。由表2可知，当Rn=10Ω时，最高的过电压在A相产生，其值为19.959 kV。B、C相最高过电压值分别12.705 kV和11.969 kV。当Rn=50Ω时，故障相的过电压最高值小于非故障相过电压最高值，此时最高的过电压在C相产生，其值为13.457 kV。当Rn=200Ω时，A相的过电压最高值为11.009 kV，B、C相最高过电压值分别为为12.982 kV、13.721 kV。

结合图5和表2的数据可知，Rn=200Ω时故障相过电压最低，Rn=10Ω时非故障相过电压最低，但两中情况下线路的过电压均不是最低，当Rn=50Ω时，系统过电压幅值低于其他情况。

表2 不同接地电阻时最高过电压

图5 不同电阻值下电压波形

3.2 电流与接地电阻关系

图6为Rn=10Ω时，故障点和中性点电流波形图。当电弧产生时，故障点电流未达到最大值，随着电弧不断发生，故障点电流达到峰值，在电弧导通时电流先增加后减小，当电弧熄灭时电流值为0。电流变化波形符合电弧实际模型，在电弧导通时刻电弧阻值大于电弧导通时，所以故障点电流在电弧导通时刻未能达到最大值。电弧电流在第一次导通期间最大值为440 A，第二个周期内电流最大值为790 A，在四次电弧产生期间电流最大值797 A；中性点电流变化趋势同故障点电流，第一次电弧导通时电流幅值为267 A，第二次幅值为465 A，四次燃弧期间最大的幅值为474 A。由仿真结果可得，故障点电流和中性点电流第一次产生幅值较小，在第二次电弧导通期间幅值达到稳定。

图6 电流波形图

表3记录了接地电阻Rn取不同值时故障点最大电流和流经Rn电流幅值。当Rn取值增加时故障点产生的最大电流值逐渐降低，流经Rn电流幅值变化趋势同故障点，但流经故障点电流最大值大于流经Rn电流最大值。当Rn取值为10Ω时，流经故障点电流最大值为797 A，流经Rn值为474 A，当Rn取值为200Ω时流经故障点电流最大值降至443 A，流经Rn则为35 A。