探討中壓配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式

黃永平

摘要: 城市中壓配電網(wǎng)主要指10 ～60 kV電壓等級(jí)的電網(wǎng), 其中性點(diǎn)通常采用不接地、經(jīng)消弧線圈接地或經(jīng)小電阻接地方式。 隨著城網(wǎng)改造的深入發(fā)展, 配電網(wǎng)容量迅速增加, 中性點(diǎn)不接地方式的應(yīng)用將很有限, 而采用經(jīng)消弧線圈接地或小電阻接地將成為發(fā)展的趨勢(shì)。本文從實(shí)際運(yùn)行情況, 就中壓配電網(wǎng)中經(jīng)消弧線圈和經(jīng)小電阻這兩種接地方式作了進(jìn)一步的分析, 并對(duì)這兩種接地方式作了簡(jiǎn)單的優(yōu)化。

關(guān)鍵詞: 中壓配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式 消弧線圈 小電阻

1 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈和經(jīng)小電阻兩種接地方式的分析

1. 1 經(jīng)消弧線圈的接地方式

中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的電力系統(tǒng), 稱為諧振接地系統(tǒng)或補(bǔ)償系統(tǒng)。消弧線圈是一種鐵心帶有空氣間隙的可調(diào)電感線圈, 當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí), 消弧線圈的電感電流補(bǔ)償了電網(wǎng)的接地電容電流, 限制了接地故障電流的破壞作用, 使得殘余電流的接地電弧易于熄滅。 當(dāng)殘流過(guò)零熄滅后, 又能降低故障相恢復(fù)電壓的初速度及其幅值, 避免接地電弧的重燃, 并使之徹底熄滅。由于接地故障電流的減小,有效地限制了接地電流和電弧的電動(dòng)力、熱效應(yīng)和空氣游離等的破壞作用, 防止或減小了在故障點(diǎn)形成殘留性故障的概率, 使故障點(diǎn)介質(zhì)絕緣的恢復(fù)強(qiáng)度很容易超過(guò)故障相電壓而恢復(fù)初速度, 從而得以徹底熄滅接地電弧, 補(bǔ)償電網(wǎng)并在瞬間恢復(fù)正常工作?，F(xiàn)用圖(1) 說(shuō)明其工作原理。

圖1 消弧線圈工作原理圖(a) 接線圖; (b) 向量圖

通常補(bǔ)償方式如下：

(1) 選擇電抗器的電感L 值, 使IL = IC , 則兩者可相互抵消, 這種工況稱為全補(bǔ)償, 相應(yīng)的電感L值為

在實(shí)際中,不采用式(2) 所示的全補(bǔ)償L 值,而采用比它稍小或稍大的數(shù)值,通常以脫諧度v 表示

(2) v > 0 ,表示電感電流小于電容電流, 電力系統(tǒng)為欠補(bǔ)償方式運(yùn)行。

(3) v < 0 ,表示電感電流大于電容電流, 電力系統(tǒng)為過(guò)補(bǔ)償方式運(yùn)行。

為使電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的中性點(diǎn)位移電壓不致過(guò)高, 應(yīng)使運(yùn)行點(diǎn)適當(dāng)偏離諧振點(diǎn), 即脫諧度v 的絕對(duì)值要足夠大; 但過(guò)大會(huì)造成殘流過(guò)大, 難以熄弧。一般,電纜電力網(wǎng)| v| ≈6 % , 架空電力網(wǎng)| v| ≈20 %。實(shí)際運(yùn)行中多采用過(guò)補(bǔ)償。

1. 2 經(jīng)小電阻的接地方式

中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式, 是在城網(wǎng)供電能力的提高及斷路器持續(xù)工作能力加強(qiáng)等條件下采用的。在系統(tǒng)單相接地時(shí), 故障電流一般在100 ～1 000 A之間, 保護(hù)裝置可以實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)線路的運(yùn)行情況, 根據(jù)監(jiān)測(cè)到的故障電流, 快速切除配電系統(tǒng)中的接地故障線路。

根據(jù)DL/ T620 —1997 中規(guī)定:6～35 kV 主要由電纜線路構(gòu)成的送配電系統(tǒng), 單相接地故障電流較大時(shí), 可采用小電阻接地方式。城市配電網(wǎng)中由于考慮市容, 以電纜線路居多, 單相接地故障電流很大, 可首先考慮采用中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式, 并加快對(duì)少量的架空線路用電纜或絕緣導(dǎo)線替代的改造。但要注意合理選擇和人身安全密切相關(guān)的接地電阻值, 以降低故障時(shí)的跨步電壓和接觸電壓。中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式接地電阻的選擇, 應(yīng)考慮對(duì)通信線路的干擾以及保證繼電保護(hù)裝置能可靠動(dòng)作等因素。

小電阻接地方式, 電阻值一般小于20 Ω , 與零序保護(hù)配合可快速切斷單相接地故障。在電網(wǎng)比較完善的歐美國(guó)家, 電網(wǎng)一般配備有多條備用線路, 因而多采用中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地, 配合快速繼電保護(hù)和開關(guān)裝置, 瞬間跳開故障線路, 投入備用線路,并不影響電網(wǎng)供電的可靠性。在以架空線路為主的配電網(wǎng)中, 小電阻接地因故障跳閘率較高, 使用受到了限制。但在以電纜為主的配電網(wǎng)中因其故障率極低, 這個(gè)問(wèn)題并不突出, 并且由于使用了絕緣水平低的電纜, 為了降低過(guò)電壓水平, 減小相間故障的可能性, 要求采用小電阻接地方式。

2 經(jīng)消弧線圈和經(jīng)小電阻兩種接地方式的比較

配電網(wǎng)的運(yùn)行特點(diǎn)與中性點(diǎn)的運(yùn)行方式有密切的關(guān)系, 不同中性點(diǎn)接地方式的配電網(wǎng)有著不同的運(yùn)行特性。下面從七個(gè)方面對(duì)經(jīng)消弧線圈和經(jīng)小電阻兩種接地方式的電網(wǎng)運(yùn)行特點(diǎn)進(jìn)行比較。

(1) 電網(wǎng)絕緣水平。電網(wǎng)當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí), 前者非故障線路對(duì)地電壓上升為系統(tǒng)的線電壓; 而后者非故障相電壓在線電壓和相電壓之間, 比前者要小。因此, 前者要求電網(wǎng)的絕緣水平高, 后者要求低。

(2) 供電的連續(xù)性、可靠性和故障范圍。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生永久性接地故障時(shí), 前者將接地故障電流降低到殘流值后, 對(duì)永久性故障實(shí)現(xiàn)跳閘檢修, 對(duì)瞬時(shí)性接地故障能夠自動(dòng)消除, 或可帶故障運(yùn)行幾個(gè)小時(shí), 這是因?yàn)榻拥仉娙蓦娏鞯玫窖a(bǔ)償, 單相接地故障不會(huì)發(fā)展為相間故障; 后者因?yàn)槭堑碗娮杞拥氐碾娋W(wǎng), 接地點(diǎn)電流較大, 零序保護(hù)如動(dòng)作不及時(shí), 將使接地點(diǎn)及附近的絕緣受到更大的危害, 導(dǎo)致相間故障的發(fā)生, 從而使永久性及非永久性的單相接地線路的跳閘次數(shù)均明顯增加。

(3) 人身安全。接地故障電流的威脅主要表現(xiàn)在接觸電壓和跨步電壓兩個(gè)方面。前者故障后系統(tǒng)可帶故障運(yùn)行, 且由于消弧線圈的補(bǔ)償作用, 接地點(diǎn)接地電流很小, 其跨步電壓和接觸電壓小, 對(duì)人身安全危險(xiǎn)小; 小電阻接地方式的電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí), 故障電流大, 在故障點(diǎn)和中性點(diǎn)附近形成了危險(xiǎn)的跨步電壓和接觸電壓, 對(duì)人身安全危險(xiǎn)大。

(4) 接地點(diǎn)的數(shù)目。前者接地點(diǎn)的數(shù)目不受限制, 可在該系統(tǒng)電源側(cè)只設(shè)置一臺(tái)消弧線圈接地來(lái)進(jìn)行集中補(bǔ)償, 也可在負(fù)荷側(cè)公用變電站的高壓側(cè)設(shè)置多臺(tái)消弧線圈來(lái)進(jìn)行分散補(bǔ)償, 或者兩者均采用; 后者原則上一個(gè)配電網(wǎng)中只能有一個(gè)接地點(diǎn), 否則會(huì)導(dǎo)致零序電流過(guò)大, 進(jìn)而損壞設(shè)備或使保護(hù)失去選擇性。

(5) 維修工作量。雖然兩者的維修工作量都不大, 但是,當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生瞬時(shí)性故障時(shí), 前者通過(guò)消弧裝置補(bǔ)償接地電容電流, 在電流過(guò)零時(shí)電弧熄滅, 消除了電弧并恢復(fù)供電; 后者是立即跳閘切除故障線路, 很顯然增加了維修線路的工作量。因此,前者的維修工作量要小得多。

(6) 繼電保護(hù)。后者雖然供電可靠性差, 但是零序過(guò)電流保護(hù)有較好的靈敏度, 實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較簡(jiǎn)便, 選線工作容易實(shí)現(xiàn); 前者在發(fā)生單相接地故障時(shí)故障線路殘流很小, 選線工作的實(shí)現(xiàn)比較困難。

(7) 對(duì)通信與信號(hào)系統(tǒng)的干擾。輸電線路造成的干擾主要通過(guò)兩種途徑, 一種是靜電感應(yīng),一種是電磁感應(yīng)。電力系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障時(shí), 出現(xiàn)的零序電壓和零序電流是強(qiáng)大的干擾源。 在經(jīng)消弧線圈接地的小電流接地系統(tǒng)中, 其主要作用的是靜電感應(yīng); 在經(jīng)小電阻接地的大電流接地系統(tǒng)中, 則是電磁感應(yīng)。靜電感應(yīng)可以用比較簡(jiǎn)單的方法限制, 電磁感應(yīng)的消除則要困難得多。消弧線圈接地在降低對(duì)通信與信號(hào)系統(tǒng)的干擾方面的優(yōu)越性是很明顯的, 因?yàn)橐坏┌l(fā)生單相接地故障, 感應(yīng)回路中的電流在其中的分布都是受控制的, 和接地?zé)o關(guān)。而中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地對(duì)通信與信號(hào)系統(tǒng)的干擾而言是一種不利的接地方式。

3 經(jīng)消弧線圈和經(jīng)小電阻兩種接地方式的優(yōu)化

3. 1 經(jīng)消弧線圈接地技術(shù)的優(yōu)化

中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地, 在架空線路的絕緣水平比較高時(shí), 對(duì)提高供電的可靠性、消除接地電弧及其危害的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)是采用小電阻接地不能取代的。當(dāng)線路發(fā)生永久性故障或是電纜線路須采用消弧線圈接地來(lái)提高供電的可靠性時(shí), 可以采用自動(dòng)補(bǔ)償消弧裝置, 但是, 必須對(duì)自動(dòng)補(bǔ)償消弧裝置進(jìn)行技術(shù)完善。

由于經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)故障點(diǎn)殘流很小, 無(wú)論是接地有功分量法還是五次諧波方法等, 要實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)的準(zhǔn)確動(dòng)作都比較困難, 在現(xiàn)場(chǎng)中的使用效果都不好。因此, 在自動(dòng)補(bǔ)償消弧裝置的基礎(chǔ)上加裝準(zhǔn)確的小電流選線部分成為關(guān)鍵。就選線而言, 如果采用有功電流、諧波電流以及功率方向等群體比相原理以及電流信號(hào)注入法, 那么選線的成功率將大大提高。另外, 在自動(dòng)補(bǔ)償消弧裝置串接一個(gè)負(fù)阻特性的非線性電阻也是一個(gè)不錯(cuò)的方法, 首先, 它可以在電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)起阻尼作用, 限制電網(wǎng)的諧振過(guò)電壓; 其次, 在電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí), 將在故障電流中產(chǎn)生較大的有功分量, 這樣, 自動(dòng)補(bǔ)償消弧裝置的選線工作實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)容易些。

3. 2 經(jīng)小電阻接地技術(shù)的優(yōu)化

中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地電網(wǎng)在發(fā)生永久性或瞬時(shí)性故障時(shí), 都可立即跳閘切除故障線路。正是這種運(yùn)行特點(diǎn), 決定了它在架空線路或是供電可靠性要求比較高的電纜線路里面應(yīng)用的局限性。 如前所述,架空線路絕大部分的故障都屬于瞬時(shí)性的, 采用傳統(tǒng)的小電阻接地方式會(huì)大大降低供電的可靠性。

自動(dòng)重合閘在小電阻接地系統(tǒng)中的應(yīng)用, 直接的效果是在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí), 立即切除故障線路, 再進(jìn)行重合。當(dāng)發(fā)生永久性故障時(shí), 在經(jīng)過(guò)預(yù)先設(shè)定的重合次數(shù)后, 如果重合器重合失敗,那么與傳統(tǒng)的小電阻接地保護(hù)裝置效果一樣, 切除故障線路。反之, 如果是瞬時(shí)性的單相接地故障, 通過(guò)重合器的重合成功, 那么也可以大大提高供電的可靠性。

4 結(jié) 論

配電網(wǎng)接地方式是一個(gè)涉及面非常廣的綜合性問(wèn)題。從技術(shù)角度看, 配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式與整個(gè)電力系統(tǒng)的供電可靠性、人身安全、設(shè)備安全、絕緣水平、繼電保護(hù)以及通訊干擾和接地裝置等技術(shù)問(wèn)題有密切的關(guān)系。從經(jīng)濟(jì)角度看, 配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式的選擇必須與整個(gè)系統(tǒng)發(fā)展的現(xiàn)狀和發(fā)展規(guī)劃進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較。

本文通過(guò)對(duì)配電網(wǎng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈和小電阻兩種接地方式進(jìn)行比較, 得出了中性點(diǎn)接地方式的定性分析方法。

(1) 在電纜化率極高的配電網(wǎng)中應(yīng)優(yōu)先考慮小電阻接地方式, 而對(duì)于實(shí)際電網(wǎng)中大量存在的混合系統(tǒng)仍應(yīng)該采用消弧線圈接地方式。

(2) 在小電阻接地技術(shù)與自動(dòng)重合閘的配合及消弧線圈與精確的選線技術(shù)配合后, 不論是架空線路還是電纜多的線路, 兩種方式都可以采用, 根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況的需要。

(3) 在經(jīng)濟(jì)條件容許的情況下, 鑒于消弧線圈接地方式在限制電弧過(guò)電壓和鐵磁諧振過(guò)電壓以及供電可靠性方面優(yōu)點(diǎn)突出, 配電網(wǎng)中性點(diǎn)采用新型的自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償消弧線圈比小電阻接地方式更具有優(yōu)越性。

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（作者單位：東莞市常平供電公司）