北京大學人民醫(yī)院 許文杰

小電阻接地是指電路的某一節(jié)點與地電相連，以使電路與接地之間電阻減小，達到增加電流反應速度的目的，并起到避免靜電干擾，防止設備受損的作用。為保證小電阻接地技術的高效運用，本文將以某城區(qū)10kV配電網(wǎng)作為研究對象，設計中性點小電阻接地方案，提出具體的實施路徑。故研究此項課題，具有十分重要的意義。

1 工程概況

某城市10kV配電網(wǎng)線路長度為7470km，變壓器容量達到5970MVA，開關臺數(shù)達到7700臺，配電線路絕緣化率達到85%，電纜化率達到48.8%，共計128臺高耗能配電變壓器。根據(jù)實際調查顯示，城市配電線路平均負載率在24%左右，在2021年配網(wǎng)共發(fā)生停電740次，設備本體故障出現(xiàn)240次。通過對配電網(wǎng)故障原因進行分析可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)故障中單相接地故障的占比較高，究其原因在于電容電流較大，電壓異常上升，導致設備絕緣水平達不到安全標準，存在較大的負荷損失。

為解決此類問題，降低配電網(wǎng)故障率，某城市最終決定開展10kV配電網(wǎng)中性點小電阻接地方案，使架空絕緣線路比重得到進一步提升，將總電容電流維持在10A以上，加強系統(tǒng)過電壓的限制效果，避免產生相間故障，并打造具備雙電源供電條件的配網(wǎng)結構。

2 10kV配電網(wǎng)小電阻接地技術的實現(xiàn)路徑

2.1 方案設計

2.1.1 接地方式組成

通常來說，中性點小電阻接地系統(tǒng)的主要組成包括接地變、小電阻等裝置，由于本次配電網(wǎng)項目的主變10kV側屬于三角接線，因此系統(tǒng)中性點應由接地變提供。在電阻選擇方面須充分考慮基地變壓器的具體容量，最終確定接入Z型變壓器中性點。此類結構的接地變壓器特點在于：將三相鐵心芯柱繞組分為兩段，依照Z型連接法接成星型接線，兩段繞組極性相反。至于Z型接地變壓器則要具備以下特性：對電流呈現(xiàn)高阻抗，繞組中只通過較低的激磁電流，此時兩繞組形成的磁通會相互抵消，導致對零序電流呈現(xiàn)漏抗，而零序電流的壓降則會隨之降低。

2.1.2 接地變容量設計

首先要選擇適合的計算方法，遵循IEEEC62.92.3中的相關規(guī)定，即變壓器10s內允許過載系數(shù)在額定容量的10.5倍，計算10s內接地變壓器通流容量，確定連續(xù)運行時的額定容量；其次要明確計算步驟，根據(jù)已知系統(tǒng)額定電壓（Un）、額定相電壓、短時通流（In）、標稱電阻值、短時通流時間，計算接地變壓器10s通流容量，公式為：，之后將通流容量折算為額定容量，公式為：Sn=KS10s/10.5。

2.1.3 電阻選擇

當系統(tǒng)總電容電流達到100A時，需采用電阻為15Ω的中性點接地電阻，若產生單相接地故障，經(jīng)過接地電阻的額定電流為400A，具體的電阻選擇計算，需要充分結合配電網(wǎng)過電壓水平、保護整定、對通信的影響、人身安全、電纜運行。

2.1.4 環(huán)境、電流監(jiān)測設備設計

由于某城市電力公司是第一次嘗試中性點小電阻接地技術，為了提高設備的檢測效果，累積運行經(jīng)驗，還要專門設計接地電阻器的監(jiān)測設備，用以實時掌握電阻柜運行溫度等參數(shù)，獲取單相接地故障情況下電阻元件溫度變化。且設備要具備電流越限告警功能，利用通信接口，將獲取后的數(shù)據(jù)傳送至微機監(jiān)控系統(tǒng)，通過監(jiān)測模塊插件，采集故障電流等信息，為后續(xù)的故障分析提供數(shù)據(jù)支撐。同時，在設計時還要盡可能保持CT接線電纜長度較短，避免長度過高影響精確性，且CT額定負載能力需超過接地電阻裝置監(jiān)測設備，精度控制在0.1級。將CT接到測試盒，之后實現(xiàn)調控的遠程監(jiān)控，借助防電磁的雙絞屏蔽電纜，長度控制在1000m以內，相關設備的通訊接口正負極性保持連接準確，至于電纜屏蔽層只可一端接地。再利用通信電纜實現(xiàn)接地電阻監(jiān)測設備的接線作業(yè)，將接地告警信號、中性點電阻溫度等數(shù)據(jù)傳報至監(jiān)控后臺，由監(jiān)控后臺將遙測轉送到集控中心，用以調度作業(yè)人員完成遠方監(jiān)視。

2.1.5 保護計算

首先完成零序保護配置，用以保護系統(tǒng)單相接地故障，搭配零序電流互感器，將原有的電磁保護替換為微機保護設備，在系統(tǒng)中添加相關單元零件。具體配置情況表現(xiàn)為：系統(tǒng)中的饋線與電容器單元需要安裝零序電流保護，作用在斷路器跳閘；接地變則要增配反應單相，以此保護饋線單相接地，動作于主變斷路器跳閘。

其次實施零序保護的整定，對于零序電流保護的一次動作電流來說，應結合單相接地電容電流完成整定作業(yè)，計算公式為：Idzl=KK×Icl，其中：Idzl代表保護設備一次動作電流，KK表示可靠系數(shù)，Icl表示被保護線路單相接地電容電流。之后還要做好變壓器的零序保護整定，計算方法為：Idzl=KK×Iclmax，其中：Iclmax表示饋線單相接地電容電流最大值。根據(jù)上述分析計算后可發(fā)現(xiàn)，10kV系統(tǒng)饋線與電容器單元都需要完成零序電流保護配置，并將其作為單相接地故障保護。

2.2 方案實施

為確保上述設計方案的準確實施，還需要做好整體進度的把控，收集大量信息資料，完成變電站系統(tǒng)電容電流測試，選取適合的小電阻阻值以及接地變容量。充分考慮招標管理要求，編制招標采購標書，簽訂系統(tǒng)商務、技術合同，在小電阻接地系統(tǒng)安裝結束后，開展線路零序保護的整定計算與保護調試[1]。

2.2.1 電容電流計算

對于架空線路來說，需要根據(jù)以下公式完成電容電流的計算，即：Ic=（2.7～3.3）U1L×10-3，其中：U1表示線路額定線電壓，L表示線路長度。對于水泥桿架空線路，需要在計算時提高10%左右的電容電流。至于電力電纜，則要結合以下公式計算：Ic（u）=[（95+1.44S）/（2200+0.25S）]U1。其中：Ic(u)表示線纜電容電流，S表示電纜芯線截面積。同時，也可借助電氣設備的預防性試驗獲取電容值，在進行電容電流測試時，要保證兩段母線分段運行，將外加電容器電容量調整至80nF和39nF。在合閘后，將外加電容接入三相，測量中性點位置電壓，通過改變外加電容值發(fā)現(xiàn)，電容電流值差距較小，此時便可將其作為測試結果，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 電容電流測量結果

根據(jù)上述分析可知，采用中性點小電阻接地，在電阻值的選取上要充分考慮單相接地電容電流，根據(jù)系統(tǒng)過電壓倍數(shù)限制情況，結合繼電保護靈敏度。在測試后發(fā)現(xiàn)，變電站母線電容電流為35A，超過消弧線圈的實際容量。為此，需要將電容電流調整至50A以上，設置2臺主變，考慮其中1臺主變帶全部負荷，假設依照單相接地電容電流100A完成電阻驗證，并進行元消弧線圈10kV間隔的改造。

2.2.2 組配接地成套設備

通過理論計算發(fā)現(xiàn)，改造項目更適合配置小電阻接地設備。其中，干式接地變壓器要預先開展理論性試驗，滿足安全質量標準，最終采用環(huán)氧樹脂澆注的三相電力變壓器，其額定容量、電壓、電流分別達到500kV、10kV、27kA。而中性點電阻則要采用不銹鋼電熱金屬進行制作，保證其具備耐高溫、抗拉強度高等特性，即便在高溫環(huán)境下，仍能保持良好的熱工金屬性能。而在零序電流互感器方面，則要將變比設計為150/5。

2.2.3 配套裝置與保護改造

在處于正常運行的狀態(tài)下，10kV單母線需保持分段運行，確保接地掛在線段上，并考慮在分段開關運行的過程中，可能產生2臺接地變一同運行的問題，導致零序網(wǎng)絡受到不良影響，進一步增大零序電流，因此要注意不可2臺接地變保持并列運行。并充分考慮變電站的自動化改造需求，調整自投保護設備，增加自投邏輯。保證即便出現(xiàn)母線失電的情況，也可通過跳開主變低壓側開關與接地變和分段開關，不斷完善二次回路，通過開關試驗傳動，為系統(tǒng)的安全運行保駕護航[2]。

2.2.4 設備試驗

要完成絕緣電阻檢查，具體數(shù)據(jù)見表2；要進行設備檢查，包括變電源輸出電壓，數(shù)值須低于0.05V；逆變電源輸出電壓，數(shù)值須低于0.05V；電源監(jiān)視燈的零漂測試，零漂測試量須低于0.05A；交流通道，零漂測試量須低于0.05A；要完成采樣精度檢查，判斷交流電流線性范圍，保證回路電流輸入值與測量值之間的相對誤差低于±2.5%；要進行交流電壓線性范圍的檢查，開入、開出量的正確性檢驗，確保開入、開出接點均正確動作。

表2 絕緣電阻值

要完成固定值校驗，在CT變比為150/5的基礎上，當故障類型變現(xiàn)為過流，定值為Iset=1.5A，Tset=1s，輸入模擬量為1.05Iset，0.95Iset，動作時間為1s跳本開關，動作情況為可靠動作與不動作。當故障類型變現(xiàn)為速斷，定值為Iset=5A，Tset=0s，輸入模擬量為1.05Iset，0.95Iset，動作時間為0s跳本開關，動作情況為可靠動作與不動作。當故障類型變現(xiàn)為零序過流，定值為Iset=2A，Tset=1.6s，輸入模擬量為1.05Iset、0.95Iset，動作時間為1.6s跳本開關，動作情況為可靠動作與不動作。

接地變中性點接地電阻器監(jiān)測設備檢查，要求絕緣電阻超過50MΩ，采樣精度的相對誤差不超過±1%。且開入、開出節(jié)點均保持正確動作；定值校驗，在加入零序電流132A后，電流會超過上限，此時后臺若發(fā)出告警信號，則證明裝置試驗達標，之后降低溫度定值，使溫度超過定值上限，若后臺發(fā)出告警信號，則證明裝置可以正常使用。

2.3 運行分析

首先要進行單相接地故障分析，自投入中性點小電阻接地設備以來，設備運行穩(wěn)定，在發(fā)生單相接地故障時，保護可產生正確動作，切除故障。以2022年7月發(fā)生的一起單相接地故障為例，10kV線路發(fā)生A相接地，零序保護動作開關跳閘，無法正常實現(xiàn)重合。在巡檢后閥芯，有樹杈壓在線路上，在處理后線路能夠正常送出。通過對故障錄波進行研究后發(fā)現(xiàn)，A相接地故障持續(xù)時間大約在580ms，故障期間母線變化相對較低。而在調度監(jiān)控中心可觀測到信號燈點亮，存在接地變溫度告警與電流告警。由此可見，利用重合閘的校正處理，可實現(xiàn)重合成功，確保供電的可靠性。

其次要分析接地次數(shù)，自設備投運以來，變電站10kV配電網(wǎng)共發(fā)生7次單相接地故障，保護裝置動作切除故障點為7次，動作正確率高達100%。而在投入運行以前，通過調度記錄發(fā)現(xiàn)，每年因單相接地故障，試拉開關超過25次，操作開關消除接地故障的時長大約在70min。通過此類數(shù)據(jù)比對可看出，單相接地故障發(fā)生頻率大幅度降低，能夠為供電可靠性提供安全保障。

最后要探究對人身安全、機電保護設備、絕緣配合產生的影響。自10kV配電系統(tǒng)中性點實施小電阻接地，該變電站未發(fā)生過因單相接地故障引發(fā)接地電壓、電弧燒傷等人員傷亡事故，也未對工作人員生命安全產生威脅。在通訊方面，以往的電力系統(tǒng)會在一定程度上受到電磁耦合、靜電感應的影響。而在采用中性點小電阻接地后，即便出現(xiàn)單相接地故障，也不會對通信產生信號干擾，能夠維持主控室電話系統(tǒng)正常，無信號失真的問題。

綜上所述，通過以某地方城區(qū)10kV配網(wǎng)作為研究對象，闡述現(xiàn)階段配電網(wǎng)存在的故障問題，并提出利用中性點小電阻接地的方式實現(xiàn)自動化變電站改造，以此維護配電網(wǎng)的安全運行，通過準確計算接地變容量、科學組配接地設備、開展系統(tǒng)的設備調試，進一步總結運行經(jīng)驗，促進電力企業(yè)經(jīng)濟效益與社會效益的增長。