干耀生，唐慶華，方瓊，張黎明，付艷華，房亞囡

（天津市電力科學(xué)研究院，天津 300384）

城市中壓配網(wǎng)中性點(diǎn)小電阻接地方式分析

干耀生，唐慶華，方瓊，張黎明，付艷華，房亞囡

（天津市電力科學(xué)研究院，天津 300384）

中性點(diǎn)接地方式直接關(guān)系城市配網(wǎng)的安全運(yùn)行。針對(duì)中壓配電網(wǎng)小電阻接地方式，基于Matlab仿真與運(yùn)行示例分析中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式的運(yùn)行特點(diǎn)，從絕緣配合、人身安全、供電可靠性與繼電保護(hù)配置方面綜合考慮提出相應(yīng)的接地電阻選取原則，結(jié)果表明接地電阻對(duì)中性點(diǎn)電壓偏移具有很好的抑制作用。因此，中性點(diǎn)小電阻接地系統(tǒng)可以適應(yīng)一定范圍內(nèi)電網(wǎng)運(yùn)行方式變化及發(fā)展要求，對(duì)進(jìn)一步探索接地方式并提升系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

城市中壓配電網(wǎng)；中性點(diǎn)接地；接地方式；小電阻接地；供電可靠性

中壓配電網(wǎng)絡(luò)中性點(diǎn)接地方式涉及供電可靠性、短路電流大小、人身和設(shè)備安全、過(guò)電壓大小、絕緣水平高低、繼電保護(hù)與自動(dòng)裝置的配置、電磁環(huán)境兼容、通訊干擾以及系統(tǒng)穩(wěn)定等多方面、綜合性的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，已經(jīng)成為影響電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要因素之一[1～5]。

近年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和“十二五”規(guī)劃的順利開(kāi)展，全社會(huì)對(duì)包括電力等清潔能源的需求日益增長(zhǎng)，有力推動(dòng)了以城市中壓配電網(wǎng)絡(luò)為重點(diǎn)的供電系統(tǒng)改造和升級(jí)。在中壓配電網(wǎng)絡(luò)改造工程中，中性點(diǎn)接地方式具有一定的歷史傳承性與系統(tǒng)復(fù)雜性。當(dāng)前，各種各樣的接地方式均有出現(xiàn)，幾種主要的形式分別為不接地系統(tǒng)、中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)、中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地系統(tǒng)和中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地系統(tǒng)[6～10]。隨著電力用戶(hù)用電量的不斷增加，配電網(wǎng)容量和用戶(hù)對(duì)電網(wǎng)供電可靠性要求的日益提高，特別是伴隨電力電纜在城市配電網(wǎng)絡(luò)中的廣泛應(yīng)用，原有的中性點(diǎn)接地方式已越發(fā)不能滿(mǎn)足中壓配電系統(tǒng)的迅猛發(fā)展?；诋?dāng)前城市配網(wǎng)的運(yùn)行狀況，各個(gè)配網(wǎng)公司相繼開(kāi)展了中性點(diǎn)接地方式的優(yōu)化與相關(guān)接地方式技術(shù)改造，并根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)逐步推廣小電阻接地運(yùn)行方式[11～13]。

通常，中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)常配置有零序保護(hù)和跳線(xiàn)路開(kāi)關(guān)，主要目的是保障系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)能夠快速切斷故障線(xiàn)路，并且抑制孤光接地過(guò)電壓在較低的水平。與中性點(diǎn)不接地方式相比，經(jīng)電阻接地方式能夠避免系統(tǒng)出現(xiàn)孤光接地過(guò)電壓，同時(shí)導(dǎo)致故障線(xiàn)路出現(xiàn)較大的接地電流，從而有助于提高故障選線(xiàn)的有效性和方便性，并且能夠快速跳閘而切除故障線(xiàn)路，保障了非故障線(xiàn)路不必因承受長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)電壓而降低了系統(tǒng)的絕緣水平。因此，對(duì)城市配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)以電纜為主并且采用環(huán)形供電方式的時(shí)候，中性點(diǎn)接地方式是比較理想的一種選擇。當(dāng)此類(lèi)配電網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)單相接地故障時(shí)，流過(guò)故障點(diǎn)的電容電流一般為同長(zhǎng)度架空線(xiàn)路的25～50倍。過(guò)高的電容電流容易導(dǎo)致單相接地故障發(fā)展為相間故障，進(jìn)而引發(fā)系統(tǒng)的永久性接地故障的發(fā)生，這就要求保護(hù)必須及時(shí)有效動(dòng)作，并將故障線(xiàn)路進(jìn)行切除。同時(shí)，環(huán)形供電網(wǎng)絡(luò)具有很好的供電穩(wěn)定性，可以保證連續(xù)供電并將停電范圍最小化。不過(guò)，中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)也存在一定的問(wèn)題，比如較大的接地故障電流容易造成人員發(fā)生觸電危險(xiǎn)，影響設(shè)備的絕緣可靠性，給通訊造成干擾。要想抑制這些問(wèn)題的出現(xiàn)，均需增加系統(tǒng)的運(yùn)行、維護(hù)費(fèi)，降低了經(jīng)濟(jì)性。此外，當(dāng)配電網(wǎng)主要是架空輸電線(xiàn)路時(shí)，單相接地故障會(huì)導(dǎo)致跳閘次數(shù)增多，如果配電網(wǎng)未形成環(huán)網(wǎng)或者沒(méi)有重合閘裝置，則會(huì)加劇停電次數(shù)，嚴(yán)重影響了供電可靠性；當(dāng)配電網(wǎng)主要為電纜線(xiàn)路時(shí)，其供電可靠性就有了一定保障，上述問(wèn)題則不突顯[14～16]。

本文針對(duì)中壓配電網(wǎng)小電阻接地方式，分別從絕緣配合、人身安全、供電可靠性與繼電保護(hù)配置方面進(jìn)行分析，研究中性點(diǎn)小電阻接地方式的運(yùn)行特點(diǎn)并提出相應(yīng)的阻值選取原則，有助于進(jìn)一步探索更有效的接地方案以提升系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 接地電阻的選取原則

中性點(diǎn)接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，圖1～圖5分別顯示了接地點(diǎn)的電壓、電流，中性點(diǎn)電壓以及各序分量的幅值與相角的變化曲線(xiàn)。從各特征量的變化中可以看出，接地電阻對(duì)中性點(diǎn)電壓偏移具有很好的抑制作用，中性點(diǎn)電壓幅值變化不大且很有規(guī)律。非故障相的穩(wěn)態(tài)電壓未形成較大的升高，但是，接地電阻對(duì)接地點(diǎn)電流沒(méi)有出現(xiàn)有效的抑制作用，流過(guò)故障點(diǎn)的電流仍然較大，并且有助于形成穩(wěn)定的放電電弧，而不易導(dǎo)致電弧的熄滅與重燃現(xiàn)象。在半個(gè)周期的熄弧時(shí)間內(nèi)，接地電阻能夠釋放系統(tǒng)對(duì)地電容中儲(chǔ)存的電荷，將對(duì)地電容中存儲(chǔ)的能量消耗掉，從而能夠降低中性點(diǎn)的電位，每次電弧重燃時(shí)，都和第一次建弧的初始條件相似，不會(huì)形成很高的電弧重燃過(guò)電壓倍數(shù)，因此能夠有效限制系統(tǒng)單相接地故障時(shí)的過(guò)電壓。

圖1 接地點(diǎn)電壓波形Fig.1Voltage waveform at grounding point

圖2 接地點(diǎn)電流波形Fig.2Current waveform at grounding point

圖3 三相電壓、電流波形Fig.3Voltage and current waveforms of three phases

圖4 中性點(diǎn)電壓波形Fig.4Voltage waveform at neutral point

圖5 零序電流幅值Fig.5Magnitude of zero-sequence current

因此，中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)在選擇合適的接地電阻阻值后，可以適應(yīng)一定范圍的運(yùn)行方式變化及電網(wǎng)的發(fā)展，此時(shí)不需要調(diào)整接地電阻，只需對(duì)繼電保護(hù)的定值加以調(diào)整，而接地電阻限制過(guò)電壓水平和抑制諧振過(guò)電壓的性能不會(huì)有明顯變化。同時(shí)，中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)與線(xiàn)路零序保護(hù)相配合，可準(zhǔn)確判斷故障線(xiàn)路并迅速切除，大大減少了人身安全事故，也避免了為尋找接地故障線(xiàn)路進(jìn)行的大量拉、合閘操作而產(chǎn)生過(guò)電壓。

此外，中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)中接地電阻的選取還需要考慮限制過(guò)電壓倍數(shù)的要求、零序保護(hù)靈敏度、對(duì)通信線(xiàn)路的干擾及用電安全等因素，并根據(jù)各地配網(wǎng)具體情況因地制宜。

1）按照過(guò)電壓倍數(shù)的限制

在測(cè)量或者計(jì)算系統(tǒng)電容電流的基礎(chǔ)上，并考慮一定的裕度獲取系統(tǒng)單相接地時(shí)產(chǎn)生的電容電流，再根據(jù)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)限制過(guò)電壓的倍數(shù)確定中性點(diǎn)接地電阻中流過(guò)的電流，最后確定接地電阻的阻值。

2）按照零序繼電保護(hù)靈敏度的校驗(yàn)

為了保證躲過(guò)最大的出線(xiàn)電容電流，一般選取可靠系數(shù)為1.25，返回系數(shù)為0.85，以便當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生全接地故障時(shí)，產(chǎn)生的故障接地電流遠(yuǎn)大于任何出現(xiàn)的電容電流，從而保障了零序繼電保護(hù)的靈敏度[14]。

3）按照通訊干擾的校驗(yàn)

系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障電流在高可靠性通信線(xiàn)路中感應(yīng)產(chǎn)生的電壓不高于650 V，并且在0.2 s內(nèi)能夠迅速切除干擾。

4）按照接觸電勢(shì)和跨步電壓不超過(guò)允許值進(jìn)行校驗(yàn)，保證接觸電勢(shì)和跨步電壓不會(huì)對(duì)人員造成人身傷害。

綜上所述，中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)中，接地電阻首先需要滿(mǎn)足限制單相接地過(guò)電壓倍數(shù)，盡量選取阻值稍大的接地電阻以便發(fā)生單相接地故障時(shí)出現(xiàn)較小的故障電流，同時(shí)能夠降低接觸電勢(shì)和跨步電壓，減少對(duì)通信的干擾，從而降低了系統(tǒng)改造所引發(fā)的安全和投資問(wèn)題。同時(shí)，無(wú)間隙避雷器較適合使用在中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地的配電網(wǎng)中，不僅能夠有效限制系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的操作過(guò)電壓，而且能夠降低雷電沖擊過(guò)電壓，這樣就可以降低系統(tǒng)設(shè)備的絕緣水平或使現(xiàn)有的設(shè)備相應(yīng)地增加了絕緣裕度，延長(zhǎng)了使用壽命，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

2 運(yùn)行示例

天津市電力公司在2004年下達(dá)了《天津地區(qū)35 kV和10 kV配電系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式選擇技術(shù)原則》，天津電網(wǎng)35 kV和10 kV配電系統(tǒng)進(jìn)行了小電阻接地系統(tǒng)改造。對(duì)于35 kV配電系統(tǒng)，中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地的接地電阻阻值選取16.5 Ω，熱穩(wěn)定為1 300 A、10 s；對(duì)于10 kV配電系統(tǒng)，中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地的接地電阻選取10 Ω，熱穩(wěn)定為600 A、10 s。

以天津茶淀某變電站運(yùn)行情況為例，該變電站為110 kV變電站，2臺(tái)變壓器，容量為50 MVA，電壓等級(jí)為110/35/10 kV，其中35 kV、10 kV中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地。20120316T00∶46，該站10 kV線(xiàn)路24、25相繼發(fā)生B相接地故障，其故障波形如圖6所示。從圖6可以看出，線(xiàn)路24零序電流保護(hù)動(dòng)作，重合不良，線(xiàn)路25零序電流保護(hù)動(dòng)作，重合成功。主變10 kV小電阻零序電流保護(hù)經(jīng)1.8 s動(dòng)作跳開(kāi)變壓器10 kV開(kāi)關(guān)。在線(xiàn)路B相發(fā)生單相接地故障時(shí)，A相電壓最高升高到1.37 Ue，過(guò)電壓水平較低。電壓互感器測(cè)得零序電壓約為47 V，零序電流約為240 A。

圖6 天津茶淀某變電站單相接地故障波形Fig.6Single-phase grounding fault waveforms of a substation in Chadian of Tianjin

因此，采用中性點(diǎn)經(jīng)小電阻的接地方式能夠快速切除故障，并且過(guò)電壓水平較低，有效防止鐵磁諧振及間歇性接地過(guò)電壓等對(duì)設(shè)備的危害，提高了網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的可靠性，同時(shí)可以采用絕緣水平較低的電纜和設(shè)備，節(jié)省投資，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著電力電纜在城市配電網(wǎng)中的大量使用，系統(tǒng)電容電流日益增大導(dǎo)致消弧線(xiàn)圈接地方式無(wú)法進(jìn)行有效補(bǔ)償。為解決此難題，本文對(duì)配電網(wǎng)中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式進(jìn)行了分析，通過(guò)仿真研究與運(yùn)行示例，認(rèn)為小電阻接地系統(tǒng)在發(fā)生單相接地故障后能夠快速恢復(fù)供電，可以減小弧光過(guò)電壓對(duì)運(yùn)行設(shè)備產(chǎn)生的危害，保證用戶(hù)供電可靠性，建議城市配電系統(tǒng)中，全電纜線(xiàn)路或以電纜為主的混連線(xiàn)路采用中性點(diǎn)經(jīng)小電阻的接地方式。

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Analysis of Low-resistance Neutral Grounding in Urban Medium-voltage Power Grid

GAN Yao-sheng，TANG Qing-hua，F(xiàn)ANG Qiong，ZHANG Li-ming，F(xiàn)U Yan-hua，F(xiàn)ANG Ya-nan
（Tianjin Electric Power Science Research Institute，Tianjin 300384，China）

The high-speed development of urban economy and society have higher requirement on the running reliability of medium-voltage power grid，which is directly influenced by the neutral grounding mode.In this paper，the low-resistance grounding mode for medium-voltage power grid is analyzed，based on the consideration of insulation coordination，personnel safety，power supply reliability and relay protection.Based on the running characteristics of low-resistance grounding，the selection principle of low resistance is proposed.The obtained results show that the low resistance can have better inhibition on the neutral voltage offset，which makes non-fault phase have little higher stead-state voltage.Therefore，the low-resistance neutral grounding system is suitable to the developing need and running variation of urban power grid，which is helpful to further investigate the more effective grounding mode and to promote the safety and reliability of power system.

medium-voltage power grid；neutral grounding；grounding mode；low-resistance grounding；power supply reliability

TM615

A

1003-8930（2013）03-0138-04

干耀生（1958—），男，學(xué)士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榘l(fā)電廠及電力網(wǎng)、高壓電氣測(cè)試技術(shù)。Email：gan-ys@163.com

2012-12-06；

2013-03-01

唐慶華（1979—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)楦邏弘姎庠O(shè)備測(cè)試技術(shù)。Email：tang-qinghua@sina.com

方瓊（1978—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)楦邏弘娖髟O(shè)備狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)。Email：fang-qiong@126.com