10 kV 系统配电网的接地方式研究

2024-01-10何春林张昱

电力电容器与无功补偿 2023年6期

何春林，张昱

（国网四川省电力公司电力科学研究院，成都 610000）

0 引言

中性点接地是指将三相交流配电网的中性点和大地之间连接，这有助于提升供电可靠性、绝缘水平、运行安全性[1-3]，同时有助于防止电压暴露和电气故障的损害[4-6]。在电力系统研发和应用初期，国内所采用接地方式主要以不接地方式、经消弧线圈接地方式为主[7]。随着城市配电网的快速发展，网架结构、运行方式等逐渐复杂，消弧线圈的调整存在很大困难。早在1916 年德国就开始采用消弧线圈接地方式，法国10 kV 配电网起初采用低阻抗接地[8-9]，随后90 年代初开始也逐渐过渡为消弧线圈接地方式。在英国电缆线路为主的配电网多采用电阻接地方式，而架空线路为主的配电网则采用消弧线圈接地方式。对于中性点不接地系统而言，当其出现单相接地故障问题时，由于中性点并没有正常接地，无法形成相应的回路，此时，接地点并不会产生较大的电流。当该系统出现单相短路现象时，故障相电压立即处于置零状态[10-12]。为避免对旧电力设备产生击穿不良影响，延长电力设备使用寿命，需要做好绝缘预防工作。目前，各个城市大量推广和应用10 kV 配电网，大大提高了10 kV 电源的绝缘性能[13-19]，在这样的背景下，为满足电力系统发展需求，研究对10 kV配电网接地方式研究显得尤为重要。

1 配电网中性点各种接地方式比较

1.1 经消弧线圈接地方式

电缆的不断普及和推广，有效地提高了电力系统扩容能力，使得线路电容电流值呈现初段增加的趋势。在应用中性点不接地系统时，一旦出现单相接地故障问题，当系统电流经过接地点后，会不断上升。当接地电流达到10～30 A 时，会增加间隙电弧不稳定度。当接地电流超过30 A 时，所产生的电弧表现出一定的稳定性[20]，从而形成稳定性的电弧接地方式。为确保接地电流降到最低，优先选用中性点经消弧线圈接地方式，这是由于该消弧线圈属于一种典型的补偿装置，通过对电力系统消弧线圈进行接地处理后，可以形成一种功能强大的谐振接地系统。该系统单相接地示意图如图1 所示。

图1 中性点经消弧线圈接地系统单向接地示意图Fig.1 Single-direction grounding schematic diagram of the neutral point via arc suppression coil grounding system

1.2 经电阻接地方式

结合中性点接地电阻阻值大小，可以将经电阻接地方式划分为以下3 种，分别是高电阻接地方式、中电阻接地方式、低电阻接地方式[8]，电阻接地阻值及故障电流大小如表1 所示。在选定不同电阻阻值时，需要结合相应的选取原则，从而将接地过电压、单相接地电流值降到最低，以达到解决通信干扰问题的目的[21-22]。

表1 电阻接地阻值及故障电流大小Table 1 Grounding resistance value and fault current magnitude

中性点经电阻接地操作后，会形成有效接地系统，以达到降低电弧接地过电压值的目的。目前，在构建城市10 kV 配电网期间，为保证中性点经电阻接地系统构建水平，优先选用中性点经低电阻接地方式，通过应用该方式，不仅能实现对电弧接地过电压值的有效抑制，还能有效地解决系统单向接地故障问题[23]，有效地提高电力系统运行的稳定性和可靠性。中性点经低电阻接地方式应用优势如下：1）提高故障切除效率，有效地降低过压电压值；2）减小电力设备绝缘老化速度，延长设备使用寿命，使得电力设备的稳定性和可靠性得以显著提升，降低安全事故出现概率；3）为选用简单化继电保护措施提供重要的依据和参考；4）可以实现对单相接地故障问题的快速分析和解决，保证系统维护的便利性，使得火灾安全事故出现概率降到最低，从而更好地保障人们的人身安全和财产安全[24]。因此，中性点经低电阻接地方式具有较高的应用价值和应用前景，值得被进一步推广和应用。在进行10 kV 配电网构建中，重视该接地方式的运用，为保证配电网的安全性，提高电力系统提供重要的技术支持。

2 配电网中性点主要接地方式仿真及研究

2.1 中性点经消弧线圈接地仿真及研究

2.1.1 原理介绍

对于小电流接地系统而言，如果出现故障现象，短路电流会不断增加，当短路电流值超过所设置好的固定值时，系统会出现断续电弧问题，此时，需要安装和应用消弧线圈，该消弧线圈在实际应用中，会产生相应的感性电流，从而出现对系统电容电流的有效补偿，经补偿处理后的系统电流会变得越来越低，无法为电弧运行提供电能支持[25]，此时，系统会自行熄灭。

2.1.2 仿真研究

为有效地研究小电流选线装置应用可靠性，本文构建Matlab 模型，对消弧线圈接地系统进行仿真分析。在Matlab 模型中，含有电力系统工具箱，该工具箱内含有大量的电力系统元件模型。在搭建Simulink 环境的基础上，仿真分析电力系统。首先，通过使用电力系统工具箱，可以为用户提供两种常见的数学模型，分别是集中参数型模型和分布参数模型。但是，由于电力系统内部线路相对较短，可以忽视该线路分布参数特性，仅仅使用简单集中电路，对线路参数进行表示即可。中性点消防线圈接地系统出现示意图如图2 所示。

图2 中性点经消弧线圈接地系统示意图Fig.2 Schematic diagram of grounding system through arc suppression coil at the neutral point

从图2 中可以看出，10 kV 母线含有3 条出线，分别是L1出线、L2出线、L3出线，这3 条出线均属于典型的电缆出线，而架空线路属于典型的混合线路，由于10 kV 配电网所用到的线路相对较短，需将架空线路的长度设置为1 km，此时，将3 条电缆线路长度依次设置为2 km、4 km、6 km。

单相金属如果接地0.05 s 这一时刻处于稳定运行状态，传输线路会出现单相接地故障问题。在处理该故障问题时，要获取和整理零序电压数据，并采用Matlab 模型分析法，获得如图3 所示的各线路零序电流波形图。

图3 消弧线圈接地系统金属性接地故障各出线零序电流波形Fig.3 Zero-sequence current waveforms of ground faults with metallic grounding in arc suppression coil grounding system

从图3 中可以看出，该系统在0.05 s 之前处于正常运行状态，三相电流相互对称，所以，各个相零序电流均置零。在0.05 s 时，出线L1会出现接地故障问题，此时，三相电流无法呈现出对称形态，系统的零序电流不断增加，导致出线L1零序电流方向出现改变，此时，需要寻找新的选线方式，不断地提高选线的精确度。

2.2 中性点经低电阻接地仿真分析

2.2.1 原理介绍

在电力系统中，一旦中性点经过电阻接地处理后，可以快速地分析和解决单相接地故障问题，使得电弧电流值降到最低，从而提高电弧的熄灭速度，进而达到降低过电压的目的[26-35]。

2.2.2 仿真分析

不同接地电阻值设置，会促使故障电流始终保持恒定值，促使电力系统正常执行继电保护动作，接下来，以10 kV 变电站为案例，分析接地电阻不同阻值。不同故障点电阻试验表如表2 所示，从表2 中的数据可以看出，当接地电阻不断增加时，健全相电压、中性点电压等参数呈现出不断减小的趋势。假设在危险状态时，将故障点接地电阻设置为0.5 Ω。

表2 不同故障点电阻试验表Table 2 Resistance test table for different fault points

不同接地电阻分析表如表3 所示，从表3 中的数据可以得出以下几个结论：1）当系统出现单相接地故障问题时，线路过电压会随着电阻值的不断增加而呈现出不断增加的趋势；2）当出现单相接地故障现象时，接地点故障电流会随着接地点的电阻的不断升高而呈现出不断降低的趋势，当接地点故障电流不断增加时，零序电流保护会表现出较高的灵敏度，同时，其保护正确动作率会呈现出不断上升的趋势。所以，当接地故障低于0.7 kA 时，增加接地故障电流值，降低电阻阻值，有利于解决单相接地故障问题。总之，为降低短路电流值，解决通信干扰问题，优先选用小电阻值。