張 焱，顧辰方，何 仲

(上海電力設(shè)計院有限公司，上海 200025)

隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展，用電負荷不斷增加，10 kV配電網(wǎng)發(fā)展十分迅速，特別是城市電網(wǎng)中電纜線路的比重正逐年上升，使系統(tǒng)電容電流大幅度增加[1]。為保證供電的連續(xù)性，一般10 kV配電網(wǎng)對重要用戶還要具有一定的轉(zhuǎn)供電能力，這樣勢必要采用更加可靠的系統(tǒng)接線型式，從而會使系統(tǒng)內(nèi)10 kV電纜數(shù)量進一步增加。

國內(nèi)某城市為了提高配電網(wǎng)供電的可靠性，10 kV配電網(wǎng)采用一種雙環(huán)網(wǎng)接線型式，線路全部采用電纜入地構(gòu)建。每臺110 kV變壓器的10 kV母線本身并不帶終端出線，而是先行饋出至開關(guān)站，再由開關(guān)站饋出至客戶，兩個變電站和所有開關(guān)站之間形成雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。對于雙環(huán)網(wǎng)，同一變電站內(nèi)的2條電源接線宜來自于不同母線，正常情況下，每一個環(huán)網(wǎng)開環(huán)運行，聯(lián)絡(luò)開關(guān)斷開；當(dāng)任一變電站母線故障，負荷通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)轉(zhuǎn)供。

10 kV配電網(wǎng)中性點接地方式主要分為不接地、經(jīng)消弧線圈接地和經(jīng)小電阻接地3種方式[2]。相比于前兩種中性點接地方式，小電阻接地有效提高了系統(tǒng)防止接地故障時的過電壓水平，通過流過接地故障點的電流啟動線路零序保護使線路故障可準(zhǔn)確快速切除，大大提高了供電可靠性[3-4]。因此，中性點經(jīng)小電阻接地的方式在以電纜為主的城市配電網(wǎng)中應(yīng)用越來越多。雙環(huán)網(wǎng)接線的10 kV配電網(wǎng)在提高供電可靠性的同時，需要敷設(shè)眾多的冗余電纜，造成電容電流大大超出以往，給10 kV中性點經(jīng)小電阻接地的阻值選擇帶來了新的課題。

1 10 kV配電網(wǎng)的雙環(huán)網(wǎng)接線型式

10 kV配電網(wǎng)的雙環(huán)網(wǎng)接線型式如圖1所示。

圖1 雙環(huán)網(wǎng)接線型式

在這些接線型式中，110 kV A，B變電站均為2臺主變，每臺主變10 kV側(cè)有2個分支，每個分支所帶母線上有6回出線，即1臺主變的10 kV出線回路按12回考慮。圖1所示為1組雙環(huán)網(wǎng)接線的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，環(huán)內(nèi)有6座開關(guān)站互聯(lián)，該雙環(huán)網(wǎng)兩端的開關(guān)站2條電源接線均來自于上級變電站的不同母線；A，B變電站的主變之間有6組圖1所示型式的雙環(huán)網(wǎng)。

開關(guān)站間互聯(lián)線路采用400 mm2電纜，開關(guān)站與配電室間互聯(lián)線路采用150 mm2電纜。每2座開關(guān)站間線路距離按0.583 km考慮(一個環(huán)距離按3.5 km考慮)，開關(guān)站共有12回出線為配電室供電，每回線路按0.8 km考慮。

本文計算和仿真時主要考慮雙環(huán)網(wǎng)接線型式的以下3種運行方式。

(1)正常運行方式：每組雙環(huán)網(wǎng)開環(huán)運行，最中間2座開關(guān)站之間的聯(lián)絡(luò)開關(guān)斷開，每座開關(guān)站內(nèi)部的分段開關(guān)也斷開。

(2)雙環(huán)網(wǎng)一環(huán)電源故障：如A變電站的10 kV母線發(fā)生故障，此時雙環(huán)網(wǎng)最中間兩座開關(guān)站之間的聯(lián)絡(luò)開關(guān)閉合，對側(cè)B變電站主變所帶10 kV回路數(shù)相比于正常運行方式翻倍。

(3)互為備用的主變故障：如A變電站的1號主變發(fā)生故障，此時1號主變所帶負荷由變電站內(nèi)的分段開關(guān)轉(zhuǎn)供至2號主變，2號主變所帶10 kV回路數(shù)相比于正常運行方式翻倍。

2 中性點小電阻阻值的工程計算

2.1 雙環(huán)網(wǎng)接線的電容電流計算

雙環(huán)網(wǎng)接線的10 kV配電網(wǎng)，上級110 kV變電站的每臺主變在各種工況下可能帶的最大電纜數(shù)和電容電流如表1所示。

表1 雙環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)電容電流計算

其中，每環(huán)網(wǎng)電纜的長度平均按3.5 km考慮，電纜截面按400 mm2計，每千米電容電流：IC=1.732UeωC≈2.1 A。

每個環(huán)內(nèi)開關(guān)站的分支線電纜長度每回線平均按0.8 km考慮，電纜截面按150 mm2計，每千米電容電流：IC=1.732UeωC≈1.4 A。

由此可得，事故工況下線路的電容電流IC≈24IC半環(huán)+432IC分=572 A(考慮全為三芯電纜)，變電站增加的接地電容電流值考慮按線路的16%計算，則系統(tǒng)總電容電流IC總≈1.16IC=663.5 A。

2.2 考慮降低配電網(wǎng)過電壓水平的因素

中性點接地電阻的重要作用之一是限制弧光過電壓。限制弧光接地過電壓的原理是電阻的耗能作用。當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，故障電弧從熄滅到重燃的時間一般為半個周期。在這半個周期內(nèi)，非故障相對地電容的電荷將通過中性點接地電阻向大地釋放，電容電荷泄放速度與接地電阻值有關(guān)，隨著電阻值的減小，弧光過電壓相應(yīng)降低[5]。

從工程經(jīng)驗上看，單相接地故障情況下流過中性點電阻的額定電流(IR)、系統(tǒng)電容電流(IC)與弧光過電壓的倍數(shù)之間有如下關(guān)系[6]。

當(dāng)IR≈IC時，過電壓水平大約降到2.5(標(biāo)幺值)以下；

當(dāng)IR≈2IC時，過電壓水平大約降到2.2(標(biāo)幺值)以下；

當(dāng)IR≈4IC時，過電壓水平大約降到2.0(標(biāo)幺值)以下；

當(dāng)IR>4IC以后，系統(tǒng)內(nèi)部降低過電壓水平的作用已不明顯。

2.3 小電阻阻值的計算

根據(jù)分析可知，在雙環(huán)網(wǎng)接線形式下，每臺主變的系統(tǒng)最大總電容電流為663.5 A。為單相接地故障時，過電壓水平限制在2.5(標(biāo)幺值)以下，流過中性點電阻的額定電流IR建議取為1 000 A。根據(jù)DL/T 5222—2016《導(dǎo)體和電器選擇設(shè)計技術(shù)規(guī)定》18.2條規(guī)定：

3 中性點小電阻阻值選擇的仿真模型驗證

利用工程計算方式計算了雙環(huán)網(wǎng)接線10 kV配電網(wǎng)的電容電流，并根據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進行了小電阻阻值的選擇。以同樣的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為例，建立了EMTP仿真模型，計算中性點不接地形式和小電阻接地形式下，不同過渡電阻、不同小電阻阻值情況下的非故障相弧光過電壓波形，從仿真模型角度驗證該小電阻阻值選擇的正確性。

3.1 正常運行方式下的仿真模型驗證

雙環(huán)網(wǎng)非接地系統(tǒng)弧光過電壓波形如圖2所示。雙環(huán)網(wǎng)小電阻接地系統(tǒng)弧光過電壓波形如圖3所示。

圖2 雙環(huán)網(wǎng)非接地系統(tǒng)弧光過電壓波形

圖3 雙環(huán)網(wǎng)小電阻接地系統(tǒng)弧光過電壓波形

由圖2和圖3可以明顯看出，發(fā)生單相故障時兩種接地系統(tǒng)均出現(xiàn)了過電壓，其中B相的過電壓情況最為嚴(yán)重。雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，采用小電阻接地形式對限制弧光過電壓有較大益處，應(yīng)采用小電阻接地方式。

3.2 故障運行方式下的仿真模型驗證

故障運行情況下，即電源點A變電站主變“N-1”，另一臺主變下的環(huán)網(wǎng)也全部經(jīng)過自切由正常主變供電，即該主變下的10 kV供電回路數(shù)翻倍。

在故障情況下，網(wǎng)架線路長度越長，電容電流越大，應(yīng)采用小電阻接地方式。對雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的小電阻阻值工程計算選擇了6 Ω，考慮到10 kV小電阻阻值10 Ω在國內(nèi)有些城市的電網(wǎng)也有應(yīng)用[7]，本文對這兩種阻值分別進行了仿真。

雙環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中、故障情況下，不同接地電阻阻值、不同過渡電阻時非故障相過電壓倍數(shù)如表2所示。

表2 小電阻接地系統(tǒng)接地阻值不同時對弧光過電壓的影響

從表2中可以看到，故障情況下隨著過渡電阻阻值的上升，非故障相過電壓倍數(shù)下降；同時，在同一過渡電阻下，接地電阻阻值取較小值時，過電壓倍數(shù)也相對較小。因此，從限值弧光過電壓上看，雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的小電阻阻值宜選擇6 Ω。

4 結(jié)語

本文在分析一種雙環(huán)網(wǎng)接線10 kV配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，計算了該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在各種工況下每臺主變的系統(tǒng)總電容電流，首先通過工程計算方式進行該系統(tǒng)的中性點小電阻阻值選擇。通過建立EMTP仿真模型，模擬中性點不接地形式和小電阻接地形式下發(fā)生單相接地故障時的非故障相弧光過電壓波形，計算不同過渡電阻、不同小電阻阻值情況下的非故障相弧光過電壓倍數(shù)，從而確定了該雙環(huán)網(wǎng)接線的10 kV配電網(wǎng)中性點經(jīng)小電阻接地的阻值宜選取6 Ω。