10kV電網(wǎng)兩種非直接接地方式的對比分析

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(廣東電網(wǎng)公司東莞供電局，廣東 東莞 523000)

1 引言

電力系統(tǒng)的中性點接地方式對系統(tǒng)供電可靠及系統(tǒng)的安全運行有著重要的影響，并且涉及到繼電保護、過電壓與絕緣、電子通信及人身安全等多個方面，因此，根據(jù)系統(tǒng)的特點來選擇合適的中性點接地方式具有重要意義。早期的10kV配電線路絕大多數(shù)是架空線路，這種線路因雷擊等外界因素發(fā)生單相接地瞬時故障的幾率較大，考慮到供電可靠性，系統(tǒng)多采用中性點不接地方法，此時發(fā)生單相接地故障時故障電流為線路對地電容電流之和，如果接地電流很小(低于10A)，電弧能夠自動熄滅[1]。此時未影響系統(tǒng)對稱性，可繼續(xù)運行1～2.5h，供電系統(tǒng)可靠性較高。

近年來，我國10kV配電系統(tǒng)中電纜線路的比重大大增加，部分城市電網(wǎng)的中心地區(qū)已變成以電纜線路為主，使得10kV線路上對地電容電流大大增加(10A以上)，發(fā)生單相接地故障時，中性點不接地系統(tǒng)無法熄滅電弧，造成非故障相電壓大大增加，嚴重地會發(fā)展為相間故障或絕緣擊穿，出現(xiàn)兩點短路甚至多點短路接地。所以，中性點不接地方式已不適用，而當對地電流超過10A時必須采取限制電容電流的方法，比如經(jīng)消弧線圈進行接地和經(jīng)小電阻進行接地等。

2 兩種常用10kV配電系統(tǒng)接地方式

2.1 概述

由于系統(tǒng)主變壓器采用Yd接線，10kV系統(tǒng)沒有中性點，發(fā)生接地故障時沒有短路通道，考慮到人身設備的安全，我們?nèi)藶橐胍粋€接地點，也即所說的接地變壓器，構成接地方式。為了限制系統(tǒng)中電容電流的大小，我們大多采用在中性點串接消弧線圈或電阻的方法。《電力設備過電壓保護設計技術規(guī)程》中有明確說明：“3～10kV架空線、35kV、66kV系統(tǒng)，單相接地故障電容電流超過10A，或3～10kV電纜線路系統(tǒng)單相接地故障電容電流超過30A，應采用消弧線圈接地方式”；并指出 “6～35kV主要由電纜線路構成的送、配電系統(tǒng)，單相接地故障電容電流較大時，可采用低電阻接地的方式?！?/p>

2.2 兩種接地方式分析

2.2.1 中性點經(jīng)小電阻接地方式

中性點經(jīng)小電阻接地，是中性點經(jīng)過一定歐姆的電阻后接地，達到消耗線路過電荷，降低對地過電壓的作用。通常該接地電阻阻值較小(10～20Ω)，單相接地電流限制在600A以內(nèi)。如圖1所示，輸電線路對地等效電容為C0，忽略輸電線路阻抗，系統(tǒng)中性點經(jīng)Zn接地，Zn=R當時為經(jīng)電阻接地方式。

圖1 中性點非直接接地方式單相接地時電流分布圖

2.2.2 中性點經(jīng)消弧線圈接地方式

中性點經(jīng)消弧接地方式，是中性點經(jīng)過一定感抗的電感線圈接地，系統(tǒng)運行中，電感線圈產(chǎn)生感性電流以補償系統(tǒng)電容電流的方式。如圖1所示，當Zn=jωL時為此方式。

對中性點經(jīng)消弧線圈方式來說，單相接地故障發(fā)生是，接地點有一個電感分量的電流通過，此電感電流可抵消原系統(tǒng)的電容電流，使流過故障點的電流減小，當電流減小低于10A時，就會使得電弧易于熄滅，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和供電的可靠性；另一方面，通過對消弧線圈進行設置，會使得電流在系統(tǒng)中對地的阻抗值遠低于系統(tǒng)正常情況下的零序阻抗，不僅能很好地抑制因為磁飽和導致的鐵磁諧振，還能有效地防止電磁干擾，從而增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性[2]。

根據(jù)對系統(tǒng)電容電流補償度的差別，消弧線圈可分為過補償、欠補償、全補償三種。因為完全補償時，滿足50Hz交流串聯(lián)諧振的條件，當正常運行時，由于三相對地電容不完全相等，會在系統(tǒng)中性點對地間產(chǎn)生電壓偏移，從而使得線路上產(chǎn)生過高的諧振過電壓，對系統(tǒng)的安全運行有很大影響。欠補償也會因為系統(tǒng)運行方式的變化產(chǎn)生完全補償?shù)男Ч?，所以在實際應用中，均采用過補償方式，一般選擇過補償度P=5%～10%。

3 單相接地故障時兩種接地方式的對比分析

3.1 建立數(shù)學模型

假設該電力系統(tǒng)只有兩條出線，系統(tǒng)正常運行時，因為三相對稱，A、B、C三相負荷電流與對地電容電流在彼此之間形成通路，當Zn=R時為經(jīng)電阻接地方式，當Zn=jωL時為經(jīng)消弧線圈接地方式。若線路Ⅱ發(fā)生A相單相接地故障(考慮過渡電阻不為0，并未將A相對地電容電流短接)，則系統(tǒng)形成一條接地通路。系統(tǒng)電流分布如圖1所示，所有線路對地電容電流與中性點電流將通過接地點流往故障相，形成故障點的故障電流[3]。

為求流過故障點的電流、故障相電壓以及中性點電壓等，對圖1所示的簡化網(wǎng)絡接線進行分析。其中，假設發(fā)生單相接地故障時的過渡電阻為Rg，此時系統(tǒng)中性點的電壓為Un，三相電源每相電勢分別為EA、EB、EC，線路Ⅰ對地電容為C0I，線路Ⅱ對地電容為C0II，則輸電線路三相對地電壓如下所示：

(1)

又知，系統(tǒng)的零序電壓為

(2)

則發(fā)生A相接地故障時，則流過故障點的電流一部分為系統(tǒng)所有出線的總電容電流，如式(3)所示：

(3)

另一部分是流經(jīng)中性點接地電阻或消弧線圈的電流，如式(4)所示：

(4)

(5)

由式(3)、(4)可知

(6)

可得

(7)

(8)

可得：故障電流、中性點電壓以及故障相電壓分別為：

(9)

(10)

(11)

3.2 故障分量特征分析

(12)

(13)

做出兩種非直接接地方式下零序電流與電壓向量圖，如圖2所示，其中圖2(a)為經(jīng)小電阻接地方式，圖2(b)為經(jīng)消弧線圈接地方式。

圖2 兩種接地方式下線路零序向量圖

(1)零序分量的幅值。

如圖2(a)所示，對小電阻接地方式，可知，小電阻接地方式發(fā)生單相接地故障時，流入故障點的電流為阻性電流，經(jīng)過電容電流與電阻電流的矢量迭加，使得系統(tǒng)故障線路的零序電流都比非故障線路大，故障特征比較明顯。

(2)零序分量的方向。

由圖2(a)可知，對小電阻接地方式，故障線路零序電流的相位滯后于零序電壓(3U0)約90°，零序功率方向和正序相反，由線路流往母線；非故障線路零序電流由本線對地電容產(chǎn)生，超前于零序電壓約90°，零序功率與正序功率方向相同，由母線流向線路。

由圖2(b)可知，對帶有消弧線圈的系統(tǒng)，非故障線路的零序電流超前零序電壓約90°，方向由母線流向線路；故障線路的零序電流，由于消弧線圈過補償，也超前于零序電壓約90°，方向由母線流向線路，與非故障相相同，因此用零序電流方向的判別方法不能識別接地故障線路。

(3)受其他因素影響。由式(9)～(10)可知，電力系統(tǒng)故障電流、中性點電壓的大小與系統(tǒng)中性點的接地阻抗、電網(wǎng)的對地電容及故障點的過渡電阻有關[4]。

3.3 故障選線判據(jù)

在發(fā)生單相接地故障時，中性點經(jīng)小電阻接地方式的穩(wěn)態(tài)特征變化比較明顯，故障線路的零序電流遠遠大于非故障線路的零序電流，我們一般將穩(wěn)態(tài)分量也即故障電流分量作為故障選相所考慮的因素。為了保證非故障線的正常安全運行，能夠準確快速地找出故障線路，避免因頻繁手動分合開關所產(chǎn)生的線路過電壓，我們通?？紤]同線路的零序保護相配合。但是針對經(jīng)高阻接地的情況，零序保護一般無法正確動作[5]。

經(jīng)消弧線圈接地方式，發(fā)生單相接地故障時，故障線路與非故障線路零序電流同方向，均從母線流向線路，且流經(jīng)故障點電流變化不大，不能采用小電阻方式的零序電流方法來識別接地故障線路。主要采用以下兩種方式：

(1)將選線裝置與消弧裝置相互配合。消弧系統(tǒng)在投入補償后造成一個小擾動，裝置選線部分收到通知后開始進行選線，主要是通過分析擾動前后線路零序電流的變化值，且為了增加裝置選線的正確性，在選線時還會考慮功率方向等因素。

(2)發(fā)生故障的線路，暫態(tài)過程富含著大量的故障特征信息，其暫態(tài)電流值遠大于穩(wěn)態(tài)值，且故障線的暫態(tài)零序電流值大于非故障線的零序電流數(shù)值；另一方面，因發(fā)生故障時系統(tǒng)的接地方式不影響其暫態(tài)過程，我們也可選擇利用暫態(tài)分量法進行故障選線。如首半波法、暫態(tài)零序電流比較法、小波分析選線方法等[6]。

4 兩種接地方式運行中的注意事項

4.1 中性點經(jīng)消弧線圈方式

當10kV接地系統(tǒng)采用中心點經(jīng)消弧線圈接地的方式時，運行中應注意以下幾點：

(1)經(jīng)消弧線圈接地的方式廣泛用于10～66kV的中壓配網(wǎng)。當電容電流超過10A低于150A時，一般選擇經(jīng)消弧線圈接地方式。

(2)要恰當選擇消弧線圈對系統(tǒng)的補償容量。因為補償過多或過少，都會使得接地殘流過大，不利于電弧的熄滅，而全補償則容易引起諧振過電壓，使得中性點電壓大大升高。

(3)經(jīng)消弧線圈接地方式，零序電流互感器安裝需注意：所有的零序電流互感器必須保證極性一致(一次側的電流流出母線)；一次電纜的接地外皮地線應穿過零序電流互感器，并于線路側直接接地；電纜的固定夾應和電纜外皮良好絕緣[7]。

4.2 中性點經(jīng)小電阻接地方式

(1)結合我國實際，電纜線路占比大的供配電網(wǎng)，當系統(tǒng)對地總電容電流超過150A時大多選用中性點經(jīng)小電阻的接地方式。

(2)由于接地點的故障電流較大，要確保使用合適的線路零序電流互感器變比，否則可能會因零序電流過大導致CT過度飽和，使得零序保護發(fā)生拒動。如果保護未能及時動作，則故障點及其附近設備的絕緣水平就會受到不同程度的損害，嚴重的話會發(fā)展為相間故障，擴大故障范圍。

(3)系統(tǒng)采用此接地方式時，當兩條及以上的線路同時發(fā)生接地時，系統(tǒng)的零序分量分布會發(fā)生改變，容易使零序保護發(fā)生拒動或誤動行為。此外，對于兩條線路相繼出現(xiàn)接地故障的情況，零序保護也會因為故障發(fā)生時間的不同失去配合。

(4)當發(fā)生多點接地故障時，由于多點接地電阻分散故障電流的關系，流過每個接地點的故障電流并不大，此時要注意整定合適的零序保護電流值，且對于

電纜線和架空線要按不同的整定值整定，所以應防止發(fā)生誤整定行為，避免接地變的保護發(fā)生越級跳閘。

5 結論

本文通過對10kV系統(tǒng)不同接地方式的優(yōu)缺點進行分析，且對兩種非直接接地方式發(fā)生單相接地故障時，其電壓、電流的變化進行理論分析，從而選擇針對不同接地方式的保護方法。每一種接地方式各有優(yōu)缺點，針對不同情況的系統(tǒng)，應該綜合考慮電網(wǎng)的結構組成、繼電保護配置情況、系統(tǒng)過電壓與絕緣的相互配合、人身設備安全與供電可靠性等重要因素，選擇適合自己系統(tǒng)的接線方式。

[1] 賀家李,宋從矩.電力系統(tǒng)繼電保護原理[M].北京：中國電力出版社,2001.

[2] 李林,馮勇.中性點采用兩種接地方式的配電網(wǎng)單相接地故障的比較[J].高壓電器,2008,44(3):239-241.

[3] 申雙葵.小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線的研究[D].西南交通大學,2009.

[4] 范迎青,高文逸.6～10 kV電網(wǎng)中性點經(jīng)中電阻接地的單相接地保護[J].電力自動化設備,2000,20(1):12-15.

[5] 戴光武,都洪基.小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線及其仿真[C]//2008中國電力系統(tǒng)保護與控制學術研討會論文集,2008:34-37.

[6] 潘艷,李曉明.10kV小電阻接地系統(tǒng)接地變壓器零序保護誤動機理研究[J].繼電器,2003,31(1):30-33.

[7] 王英民.10kV小電阻接地系統(tǒng)接地變壓器零序保護誤動原因分析[J].華北電力技術,2009:24-26.