郁嵐 倪偉

（淮陰工學院電子與電氣工程學院，江蘇 淮安 223003）

1 引言

電力系統(tǒng)中性點接地方式是一個綜合性的技術問題，它的確定是一個涉及到供電可靠性和連續(xù)性、配電網(wǎng)和線路結構、過電壓保護和絕緣配合、繼電保護方式、設備和人身安全、通信干擾、系統(tǒng)穩(wěn)定等多方面因素的一個系統(tǒng)工程[1]。目前電力系統(tǒng)的中性點接地方式有：中性點直接接地方式、不接地方式，經(jīng)電阻接地方式以及經(jīng)消弧線圈接地方式等多種類型。各種接地運行方式的特點不同，適用范圍也不同。不同地區(qū)、不同特點的配電網(wǎng)，在不同的發(fā)展階段，對中性點接地方式的要求都不盡相同，因此就需要事先全面分析，進行充分的技術經(jīng)濟比較分析，綜合考慮各種因素，確定具體適合系統(tǒng)的中性點接地方式。同時在小電流接地系統(tǒng)中，單相接地故障的暫態(tài)分析是進行故障選線和測距的基礎，對于配電網(wǎng)中性點接地方式的研究具有非常重要的意義。

2 單相接地故障原理分析

2.1 中性點不接地方式

中性點不接地的電力系統(tǒng)指中性點與大地之間沒有直接構成回路，各相導線之間，導線與大地之間都有分布電容，且假設三相電力系統(tǒng)的電壓和線路參數(shù)都是對稱的。當系統(tǒng)發(fā)生單相（如A相）接地故障時，如圖1（a）所示，則故障相（A相）對地電壓降為 0，非故障相電壓將升高為正常運行時的線電壓，如圖1（b）所示。在圖1（b）中可以看出，在系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，三相之間的線電壓仍然對稱，因此，用戶的三相用電設備仍能照常運行，這是中性點不接地系統(tǒng)的最大優(yōu)點。我國有關規(guī)程規(guī)定，中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后，允許繼續(xù)運行一段時間，但不能超過兩個小時[2]。但必須指出，中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，接地電流在故障處可能產(chǎn)生穩(wěn)定的或間隙性的電弧，間隙性電弧容易引起弧光接地過電壓，將危及整個電網(wǎng)的絕緣安全，這是這種接地方式存在的一個很大缺陷。

2.2 中性點經(jīng)消弧線圈接地

消弧線圈實際上是一鐵心可調的電感線圈，安裝在變壓器或發(fā)電機中性點與大地之間[3]。當系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，接地故障相與消弧線圈構成了另一個回路，接地電流中增加了一個感性電流，它和裝設消弧線圈前的電容電流方向相反，相互補償，減小了接地點電流，使電弧易于自行熄滅，從而避免了由此引起的各種危害，提高了供電可靠性，如圖2所示。

圖1

圖2

但是中性點經(jīng)消弧線圈接地，系統(tǒng)過電壓幅值較高，對設備絕緣將造成較大威脅。并且消弧線圈無法補償諧波，諧波電流大時，接地電弧很難熄滅，這是中性點經(jīng)消弧線圈接地方式存在的固有缺點。

2.3 中性點經(jīng)電阻接地

由于配電網(wǎng)中性點采用不接地或經(jīng)消弧線圈接地的運行方式易造成接地電弧不易熄滅的缺點，而中性點經(jīng)電阻接地運行方式可以在系統(tǒng)中提供阻尼作用，加快線路上的殘余電荷的泄漏速度，降低故障相恢復電壓的上升速度，減小電弧重燃的可能性，從而限制電弧接地過電壓的幅值[8]，因此中性點經(jīng)電阻接地的運行方式可以有效避免弧光接地過電壓的產(chǎn)生，并使有選擇性的接地保護得以實現(xiàn)。

在實際應用中一般將電阻和消弧線圈并聯(lián)使用，這樣在發(fā)生故障后可以通過消弧線圈來抵消線路上的容性電流，防止故障時電流較大對系統(tǒng)造成威脅，同時由于電阻的并入，會產(chǎn)生較大的阻性電流[11]。這個電流可以被用來實現(xiàn)選線。

傳統(tǒng)的分類把電阻分為高電阻、中電阻和小電阻三種形式。對于小電阻和中電阻接地，在發(fā)生故障時，由于電阻值較小，在接地點會產(chǎn)生較大的電流，且不能夠被補償，所以造成故障線路電流較大，影響供電安全，所以一般很少采用。在采用高電阻接地的方式時，流過故障點的電流不會很大，可實現(xiàn)故障選線。本文采用高電阻接地的運行方式。

3 單相接地故障仿真分析

3.1 仿真模型的建立

考慮目前城市建設的發(fā)展，電力電纜在城市中的大量使用，本文基于Matlab對一10kV中壓配電網(wǎng)中性點接地系統(tǒng)進行單相接地故障仿真，仿真模型如圖3所示。線路采用分布參數(shù)模塊。由于對于系統(tǒng)而言，在發(fā)生故障時，故障現(xiàn)象基本一致，為了減輕 Matlab的運算量，本次仿真假設有4條出線，這4條出線均是架空線路和電纜線路的混合線路。架空線路用分布參數(shù)線路模擬，電纜用集中電容表示。4條架空線路長度分別為16、14、20、18km，電纜線路長度分別為10、12、8、7km。架空線路參數(shù)為 Z1=(0.45+j0.374)?/km，Z0=(0.6+j1.303)?/km。電纜線路參數(shù)為 Z1=?j6775.99?/km，Z0=?j7786.59?/km 。仿真中中壓電網(wǎng)的入端用35kV的三相電源代替，變壓器采用理想等效變壓器模型，變比取38.5/10.5kV，Y-Y連接方式。仿真時假定系統(tǒng)在0～0.03時三相對稱運行，在0.03s用三相故障模塊模擬一單相接地故障（A相接地短路），根據(jù)接地點電壓與電流的波形，分析比較各種運行方式在單相接地短路中的特點，便于選擇較好的接地方式。

圖3 中壓電網(wǎng)中性點接地系統(tǒng)仿真模型

3.2 中性點不接地方式仿真

根據(jù)圖3建立仿真模型，中性點不接地時，系統(tǒng)的接地點電壓電流的變化情況分別如圖4所示。

由仿真波形圖可以看出，仿真運行結果基本符合單相接地故障的規(guī)律。在發(fā)生單相接地故障時，故障相電壓為零，而非故障相電壓升高為線電壓。接地點電流幅值不大，且電流脈動明顯，基本不符合正弦規(guī)律。

3.3 中性點經(jīng)消弧線圈接地方式仿真

仿真模型同樣采用中性點不接地運行方式的參數(shù)，在中性點加入合適的消弧線圈，從而抵消線路的電容電流，消弧線圈采用過補償接地方式。

電網(wǎng)常用過補償方式的消弧線圈補償度為

式中，p為補償度；IL為消弧線圈的電感電流；IC為電網(wǎng)電容電流之和。

圖4 中性點不接地系統(tǒng)單相接地故障接地點電流、電壓波形

對于穩(wěn)態(tài)基波分量而言，配電網(wǎng)單相金屬性接地電流Id等于配電網(wǎng)電容電流之和；中性點電壓Un等于相電壓。根據(jù)金屬行短路仿真測量數(shù)據(jù)計算，可得消弧線圈的電感為

仿真過程中，補償度取3.5%，仿真結果如圖5所示。

圖5 中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)單相接地故障接地點電流、電壓波形

由仿真結果可以看出，中性點經(jīng)消弧線圈接地的電力系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障時，與中性點不接地系統(tǒng)一樣，非故障相電壓仍升高倍，三相導線之間的線電壓仍然平衡，電力用戶可以繼續(xù)運行。同時，對故障電流而言，故障發(fā)生后，故障電流有明顯的暫態(tài)過程，消弧線圈對接地點電流具有一定的補償作用，故障電流明顯衰減，經(jīng)過一定時間的衰減過程后，電流可基本達到規(guī)程要求。

但是，由于電流的減小，使采用穩(wěn)態(tài)信號接地選線法進行故障選線的裝置選線困難。盡管提出了利用5次諧波法來進行選線，但由于系統(tǒng)中5次諧波含量較小，檢測靈敏度低，往往造成判斷不準，在實際應用中效果不理想。

3.4 中性點經(jīng)電阻接地方式仿真

中性點經(jīng)電阻接地的仿真模型仍然采用圖1的模型，仿真時采用在中性點接入1000?電阻，以及高電阻并聯(lián)消弧線圈兩種運行方式，同樣在A相發(fā)生接地故障。仿真波形如圖6、7所示。

圖6 中性點經(jīng)高電阻接地系統(tǒng)單相接地故障接地點電流、電壓波形

圖7 中性點經(jīng)高電阻并聯(lián)消弧線圈接地系統(tǒng)單相接地故障接地點電流、電壓波形

由仿真結果可以看出，采用高電阻并聯(lián)消弧線圈的接線方式，接地點電流幅值小并且基本按照正弦規(guī)律變化。比較兩種情況下的仿真結果可以看出，中性點采用高電阻并聯(lián)消弧線圈的接線方式，具有所有接地方式的優(yōu)點，是一種較好的接地方式，可有效地抑制故障電流，減小故障電流的幅值大小，并且由于電阻的加入，可以加強系統(tǒng)的阻尼作用，減小系統(tǒng)振蕩的危險，降低電弧電壓的恢復速度和幅值，有利于系統(tǒng)的安全運行。

4 結論

配電網(wǎng)的中性點接地方式的選擇是一個復雜的綜合型問題。本文分別對中性點不接地、經(jīng)消弧線圈接地以及電阻接地三種接地方式進行了仿真分析。通過仿真比較得出，中性點采用高電阻與消弧線圈并聯(lián)的接地方式，具有了電阻接地和經(jīng)消弧線圈接地方式各自的優(yōu)點，即有利于選線，又有利于系統(tǒng)安全。同時在繼電保護的參數(shù)整定時，可以采用比較簡單的零序保護，不必裝設比較復雜的零序方向保護，利用接地前后的零序有功電流增量作為檢測量，判斷故障線路，是一種理想的接地運行方式。

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