潘 瑩，袁加妍，魏錦萍

（1.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司市南供電公司，上海 201100；2.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院，上海 200437）

我國(guó)10kV配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地主要采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地和經(jīng)小電阻接地方式兩種。通過(guò)分析比較這兩種接地方式的特點(diǎn)，并結(jié)合上海市南供電公司的實(shí)際情況，運(yùn)用Matlab軟件建立了以電纜線路為主的10kV配電網(wǎng)系統(tǒng)模型，分別對(duì)中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地和經(jīng)消弧線圈接地方式下的單相接地故障進(jìn)行模擬仿真。仿真結(jié)果表明，中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式可以有效地抑制配電系統(tǒng)中的弧光接地過(guò)電壓以及大部分的鐵磁諧振過(guò)電壓，更適應(yīng)以電纜為主的10kV配電網(wǎng)的需求。

1 兩種中性點(diǎn)接地方式對(duì)比

城市配電網(wǎng)多采用環(huán)網(wǎng)供電、多電源供電方式，并且以電纜出線為主的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)模式會(huì)造成電容電流的大幅增加。中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地和經(jīng)小電阻接地方式的對(duì)比見(jiàn)表1。中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式具有以下優(yōu)點(diǎn)。

1）由于電阻是阻尼元件，可以降低諧振過(guò)電壓 消弧線圈是諧振元件，當(dāng)運(yùn)行方式發(fā)生改變時(shí)會(huì)造成欠補(bǔ)償引發(fā)諧振過(guò)電壓。

2）可以降低操作過(guò)電壓 電纜線路的接地故障一般為永久性故障，不宜帶故障繼續(xù)運(yùn)行。在發(fā)生單相接地故障時(shí)，中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式與零序保護(hù)相配合，迅速切除故障，對(duì)故障線路不進(jìn)行重合閘，不會(huì)引起操作過(guò)電壓。

3）可以適應(yīng)系統(tǒng)電容電流較大范圍的變化在中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中，弧光接地過(guò)電壓以及鐵磁諧振過(guò)電壓?jiǎn)栴}始終得不到很好地解決。通過(guò)仿真計(jì)算和理論分析對(duì)中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)中的弧光接地過(guò)電壓進(jìn)行重點(diǎn)研究，同時(shí)對(duì)鐵磁諧振過(guò)電壓進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。

表1 10kV配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式的比較

2 建立10kV配電網(wǎng)系統(tǒng)

國(guó)網(wǎng)上海市電力公司市南供電公司所轄的10kV配網(wǎng)區(qū)域架空線路總長(zhǎng)為1 913.67km，電纜線路總長(zhǎng)為6 904.41km，電纜線路占總線路長(zhǎng)度的78.3%。由此，本文建立的10kV母線共4條出線，其中一條為架空線路，三條為電纜線路。鑒于市南地區(qū)68.0%的主變壓器采用Dyn11接線形式，因此選擇接線形式為Dyn11的變壓器，容量選取為6.3MVA。

10kV配電網(wǎng)系統(tǒng)接線圖如圖1所示。圖1中，10kV側(cè)母線采用單母分段接線方式，在正常情況下各母線獨(dú)自運(yùn)行，每臺(tái)主變各帶一段母線，互為備用。該系統(tǒng)有1條架空線路，3條電纜線路，以電纜出線為主，架空出線為輔。

圖1 10kV配電網(wǎng)系統(tǒng)接線圖

10kV配電系統(tǒng)的正序阻抗Zs1（包括110／10kV主變阻抗、110kV系統(tǒng)至10kV變電站線路阻抗及主變出口處電抗器阻抗等）可以由母線的三相短路電流Is或者短路容量Ss得到：Zs1＝為系統(tǒng)額定電壓）。對(duì)于10 kV配電系統(tǒng)，因回路中各元件的電抗遠(yuǎn)大于電阻，所以系統(tǒng)的等值正序阻抗Zs1僅以電抗表示。

《城市電力網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)導(dǎo)則》中規(guī)定：對(duì)于10kV城網(wǎng)，母線短路電流及短路容量限值分別為16kA和280MVA。不同短路容量Ss（短路電流Is）的10kV系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的等值阻抗Zs1如表2所示。

表2 不同短路容量（短路電流）下的系統(tǒng)等值阻抗

10kV配電系統(tǒng)架空線選用185.0mm2鋁絞線，根數(shù)／直徑為19／3.5mm；實(shí)際鋁截面為182.8mm2；導(dǎo)線直徑為17.5mm；20℃時(shí)直流電阻為0.162Ω／km；70℃、80℃、90℃時(shí)的載流量分別為366、450、518A。由此計(jì)算得到架空出線的線路參數(shù)如下：

正序：r1＝0.172 3Ω／km，x1＝0.327 6Ω／km，c1＝0.008uF／km

零序：r0＝0.322 3Ω／km，x0＝1.146 6Ω／km，c0＝0.005uF／km

電纜出線選用YJLV三芯300mm2，電壓等級(jí)為6／10kV；標(biāo)稱截面為300mm2；計(jì)算外徑為76mm2；20℃時(shí)直流電阻為0.1Ω／km；工作電容為0.47uF／km；空氣環(huán)境中載流量為440A，泥土環(huán)境中載流量為420A。由此計(jì)算得到電纜出線的線路參數(shù)如下：

正序：r1＝0.105 0Ω／km，x1＝0.080 0Ω／km，c1＝0.470 0uF／km

零序：r0＝1.050 0Ω／km，x0＝0.320 0Ω／km，c0＝0.409 0uF／km

通過(guò)比較架空出線和電纜出線的線路參數(shù)可以看到，電纜單位長(zhǎng)度的對(duì)地電容比架空線大得多。所以以電纜出線為主的城市配電網(wǎng)，系統(tǒng)對(duì)地電容電流值的大小很大程度地取決于母線上電纜出線的總長(zhǎng)度，而架空出線的影響可以忽略。系統(tǒng)的對(duì)地電容電流值IC可以由系統(tǒng)的一相零序容抗XC0計(jì)算得到：

市南供電公司的自動(dòng)調(diào)匝式消弧線圈為177臺(tái)，而自動(dòng)調(diào)諧式消弧線圈為26臺(tái)，分接頭檔數(shù)22%為9檔、66%為14檔。電容電流變化范圍較大，自動(dòng)跟蹤電網(wǎng)電容電流的變化而自動(dòng)調(diào)諧對(duì)消弧線圈的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償提出了更高要求。

綜上所述，10kV配電網(wǎng)系統(tǒng)可以適當(dāng)考慮向中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式過(guò)渡。

3 Matlab建模仿真

為了得到變壓器中性點(diǎn)的電壓，建立了Matlab計(jì)算模型。10kV配電網(wǎng)系統(tǒng)等值電路模型如圖2所示。在Matlab計(jì)算中，架空出線和電纜出線都根據(jù)具體參數(shù)，采用分布參數(shù)進(jìn)行模擬。10kV配電網(wǎng)系統(tǒng)的對(duì)地電容電流為56.25A，中性點(diǎn)小電阻取10Ω，L1為6km架空出線，其余L2，L3，L4均為4km電纜出線。假設(shè)L2電纜出線的A相發(fā)生單相接地故障。

3.1 單相接地故障時(shí)的暫態(tài)過(guò)電壓

假設(shè)電纜線路的A相發(fā)生單相接地故障，小電阻接地方式下三相電壓波形、中性點(diǎn)電壓波形及接地點(diǎn)電流波形分別如圖3所示。

由圖3可知，小電阻接地對(duì)中性點(diǎn)電壓偏移有較好的抑制作用，可以有效地限制弧光接地過(guò)電壓。單相接地故障時(shí)中性點(diǎn)電壓幅值和電流幅值均不大，非故障相電壓升高小于1.73倍相電壓，接地點(diǎn)電流比較大，便于接地故障選線，可與繼電保護(hù)配合迅速切除故障。

3.2 弧光接地過(guò)電壓

3.2.1 中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式

以電纜出線為主的10kV城市配電網(wǎng)，由于系統(tǒng)中仍舊有架空出線，當(dāng)接地故障發(fā)生在架空線上時(shí)，就可能產(chǎn)生間歇性的弧光接地。在中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)中，仍然可能產(chǎn)生弧光接地過(guò)電壓，有必要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

首先分析在其他條件一定時(shí)，接地電弧電流大小對(duì)弧光接地過(guò)電壓的影響。為此對(duì)于確定的配電網(wǎng)系統(tǒng)，在一定的范圍內(nèi)可改變故障點(diǎn)接地電阻Rf的大小，以此來(lái)模擬接地電流大小的改變。計(jì)算系統(tǒng)取對(duì)地電容電流為56.25A的系統(tǒng)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3，其中Uj表示健全相電壓，Un表示中性點(diǎn)電壓，均使用標(biāo)幺值表示。由計(jì)算結(jié)果可以看到，對(duì)于確定的系統(tǒng)，其弧光接地過(guò)電壓的幅值隨著接地故障電流值的增大而增大，其中架空線末端健全相過(guò)電壓值最大。

表3 空載系統(tǒng)出線首端接地，不同接地電流時(shí)一次燃弧過(guò)電壓的最大值

由表3可知，接地故障電流越大，弧光接地過(guò)電壓越高。在這個(gè)假設(shè)前提下，計(jì)算系統(tǒng)接地故障電流最大時(shí)的情況，能夠得到弧光接地過(guò)電壓理論上的最大值。因而，對(duì)空載系統(tǒng)出線首端單相接地（Rf＝0.5Ω），在小電阻范圍內(nèi)進(jìn)行弧光接地過(guò)電壓（一次燃?。┯?jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4，表中電壓均使用標(biāo)幺值表示。

圖2 10kV配電網(wǎng)系統(tǒng)等值電路模型

圖3 中性點(diǎn)經(jīng)小電阻（10Ω）接地方式下單相接地故障暫態(tài)過(guò)電壓電流波形

表4 空載系統(tǒng)出線首端接地，不同中性點(diǎn)小電阻時(shí)一次燃弧過(guò)電壓的最大值

由表4可知，在確定的系統(tǒng)中，健全相弧光接地過(guò)電壓最大值隨著中性點(diǎn)電阻的增大而略有增加，但增幅極??；但是隨著中性點(diǎn)電阻增大，中性點(diǎn)暫態(tài)電壓增加比較大。這同樣說(shuō)明中性點(diǎn)小電阻阻值不能取得太大，盡管其對(duì)系統(tǒng)的弧光接地過(guò)電壓最大值影響不大。比較表3和表4可以發(fā)現(xiàn)，中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地的系統(tǒng)，弧光接地過(guò)電壓的最大值和相同接地情況下系統(tǒng)的暫態(tài)過(guò)電壓基本相等。

采用小電阻接地方式可以大幅的限制工頻熄弧過(guò)電壓（見(jiàn)表5，表中電壓均使用標(biāo)幺值表示）。這是因?yàn)槿艚拥仉娀≡诠ゎl過(guò)零時(shí)熄滅，健全相對(duì)地電容上的電荷不僅要對(duì)故障相對(duì)地電容進(jìn)行充電，還要通過(guò)中性點(diǎn)的低電阻進(jìn)行泄放，在下一次重燃前，電荷已經(jīng)泄放完，電壓值也就會(huì)相應(yīng)的較低，但由于流過(guò)中性點(diǎn)的是電阻電流，不能補(bǔ)償線路的電容電流。

表5 小電阻接地的工頻熄弧仿真計(jì)算

中性點(diǎn)經(jīng)小電阻（10Ω）接地方式下單相接地故障弧光過(guò)電壓波形如圖4所示。

3.2.2 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式

對(duì)于消弧線圈接地方式，只有在單相接地進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，消弧線圈才能夠補(bǔ)償線路的對(duì)地電容電流，熄弧后系統(tǒng)的儲(chǔ)能將在三相對(duì)地電容和消弧線圈電感之間相互轉(zhuǎn)換，整個(gè)系統(tǒng)的電壓并不能降下來(lái)。因此，這種系統(tǒng)的過(guò)電壓值比較高，但比不接地系統(tǒng)要低，這是因?yàn)榫€路對(duì)地電容和消弧線圈的電感和線路電阻構(gòu)成衰減的振蕩回路故障相的電壓難以上升。

中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的工頻熄弧仿真計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6，表中電壓均使用標(biāo)幺值表示。從表6可以看出，非故障相過(guò)電壓最大值為2.87pu。

圖4 中性點(diǎn)經(jīng)小電阻（10Ω）接地方式下單相接地故障弧光過(guò)電壓波形

表6 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的工頻熄弧仿真計(jì)算結(jié)果

中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈（0.952 8H）接地方式下單相接地故障弧光過(guò)電壓波形如圖5所示。

圖5 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈（0.952 8H）接地方式下單相接地故障弧光過(guò)電壓波形

3.2.3 兩種接地方式比較

由圖4和圖5可知，消弧線圈接地方式的過(guò)電壓水平較低。因?yàn)閷?duì)地電容、消弧線圈以及線路的電阻構(gòu)成了一個(gè)衰減振蕩回路，消除了一大部分容性電流，在一定程度上限制了過(guò)電壓的上升。采用小電阻接地方式可以大幅地限制工頻熄弧過(guò)電壓，減少了對(duì)系統(tǒng)絕緣程度的要求，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和電氣設(shè)備的壽命。

在中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地的配電網(wǎng)中，由于中性點(diǎn)小電阻的存在，接地電弧熄弧后，零序殘余電荷將通過(guò)中性點(diǎn)小電阻提供的回路進(jìn)行泄漏，從而在發(fā)生下一次的燃弧時(shí)，過(guò)電壓的幅值能夠得到很大衰減，即使發(fā)生多次重燃，弧光接地過(guò)電壓也不會(huì)嚴(yán)重升高（與第一次燃弧情況接近），從而很好地抑制了弧光接地過(guò)電壓幅值。中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)仍有可能存在弧光接地過(guò)電壓，但由于小電阻能有效地釋放殘余電荷，不會(huì)因電弧的多次重燃而產(chǎn)生高幅值的弧光接地過(guò)電壓，其值與相同條件下單相接地故障時(shí)的暫態(tài)過(guò)電壓大致相等。

4 結(jié)語(yǔ)

中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地和小電阻接地方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，但綜合考慮以電纜出線為主的10kV配電網(wǎng)，可以優(yōu)先考慮中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式。通過(guò)Matlab仿真計(jì)算表明，在配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式相對(duì)于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式而言，可以有效地限制弧光接地過(guò)電壓，保證了10kV配電網(wǎng)運(yùn)行的安全可靠性。

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