某地區(qū)低壓電網(wǎng)中性點(diǎn)接地運(yùn)行方式探討

摘要：文章以某地區(qū)某一次10kV線路跳閘事件為例，對該地區(qū)低壓電網(wǎng)目前的中性點(diǎn)接地運(yùn)行方式進(jìn)行了分析，闡述了中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地方式的缺點(diǎn)，對此提出了中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地運(yùn)行方式，并對其風(fēng)險(xiǎn)及可行性進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：中性點(diǎn)；接地運(yùn)行方式；低壓電網(wǎng)；線路跳閘；電力系統(tǒng) 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TM727 文章編號：1009-2374（2017）06-0183-04 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.06.092

近年來某地區(qū)發(fā)生了多起兩條10kV線路同時(shí)跳閘的事件，直接影響了供電可靠性和客戶滿意度，對社會造成了不良影響。為有效防范低壓線路接地故障引發(fā)的人身觸電事故，降低線路單相接地持續(xù)運(yùn)行造成的人身風(fēng)險(xiǎn)，防止再次出現(xiàn)因單相接地運(yùn)行導(dǎo)致的兩條10kV線路同時(shí)跳閘從而擴(kuò)大故障范圍的情況，現(xiàn)對該地區(qū)電網(wǎng)35kV及10kV接地系統(tǒng)運(yùn)行概況進(jìn)行分析和探討。

1 現(xiàn)狀

1.1 小電流接地方式的優(yōu)點(diǎn)

目前，該地區(qū)供電局所轄變電站內(nèi)的變壓器35kV側(cè)及10kV低壓側(cè)接地方式均為小電流接地方式（不接地或經(jīng)消弧線圈接地）。該接地方式的優(yōu)點(diǎn)主要是：

1.1.1 單相接地故障時(shí)，暫時(shí)不構(gòu)成短路回路，接地電流不大，而線電壓能維持不變。

1.1.2 一般情況下，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，發(fā)出接地信號，調(diào)度及運(yùn)行人員一般在2小時(shí)內(nèi)選擇和排除接地故障，保證連續(xù)不間斷供電。

1.2 小電流接地方式的缺點(diǎn)

實(shí)踐表明小電流接地系統(tǒng)也存在許多問題，隨著電纜出線增多，10kV配電網(wǎng)絡(luò)中單相接地電容電流將急劇增加，并帶來一系列危害。該接地方式的缺點(diǎn)是：

1.2.1 當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，非故障相的工頻電壓將升高，引起多處絕緣薄弱的地方放電擊穿和設(shè)備瞬間損壞。

1.2.2 當(dāng)發(fā)生弧光接地時(shí)，可能引起高達(dá)工頻相電壓的弧光過電壓，電弧不能自滅，很可能破壞周圍的絕緣，發(fā)展成相間短路，造成停電或損壞設(shè)備的事故。

1.2.3 配電網(wǎng)的鐵磁諧振過電壓現(xiàn)象比較普遍，時(shí)常發(fā)生電壓互感器燒毀事故和熔斷器的頻繁熔斷，嚴(yán)重威脅著配電網(wǎng)的安全可靠性。

1.2.4 配電網(wǎng)對地電容電流增大后，對架空線路來說，樹線矛盾比較突出，尤其是雷雨季節(jié)，因單相接地引起的短路跳閘事故占很大比例。

1.2.5 在發(fā)生接地故障后，系統(tǒng)最多可允許繼續(xù)運(yùn)行2小時(shí)，若故障未能及時(shí)處理，對靠近接地點(diǎn)的人畜將造成較大的危害，同時(shí)電氣設(shè)備長時(shí)間承受過電壓，加速電氣設(shè)備的絕緣老化。

1.3 小電流接地選線裝置

該地區(qū)處于臺風(fēng)、雷雨頻發(fā)區(qū)域，惡劣天氣容易導(dǎo)致35kV及10kV線路接地頻繁，除影響正常供電外，通常還會直接影響接地點(diǎn)附近人畜的安全。因此，該地區(qū)電網(wǎng)很早就使用了小電流接地選線裝置，裝置動(dòng)作信息和選線結(jié)果上送調(diào)度端，為調(diào)度輔助決策、跳閘統(tǒng)計(jì)、配網(wǎng)調(diào)度拉路選線提供支持。但小電流接地選線裝置的選線準(zhǔn)確率較低，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2016年該地區(qū)裝設(shè)了接地選線裝置的變電站的35kV及10kV出線共發(fā)生故障121次，接地選線裝置共動(dòng)作84次。接地選線裝置選線正確率僅有70.25%。其選線準(zhǔn)確率低的主要原因是：

1.3.1 接地時(shí)的電流很小，線路故障時(shí)的電流與非故障時(shí)的電流相比沒有明顯的區(qū)別。

1.3.2 當(dāng)接地故障發(fā)生時(shí)，不但故障線路對地有電容電流，而且非故障線路對地同時(shí)也有電容電流。這樣不單要測量故障線路的電容電流，還要測量非故障線路的電容電流并要進(jìn)行區(qū)分，難度更大。

因?yàn)檫x線準(zhǔn)確率低，該地區(qū)供電局所轄變電站內(nèi)接地選線裝置均沒有投入跳閘功能，只投入了發(fā)信功能。

2 10kV跳閘事件的發(fā)生

2.1 事前運(yùn)行方式

該地區(qū)供電局所轄110kV變電站A由110kV甲、110kV乙線供電至110kV母線；#1主變運(yùn)行供10kV 1M母線，#2主變運(yùn)行供10kV 2M母線；10kV丙線、10kV丁線均掛在10kV 2M母線運(yùn)行（見圖1）。

2.2 事件簡述

2016年3月26日，110kV變電站A 10kV丙線、丁線同時(shí)跳閘。110kV變電站A 10kV丙線開關(guān)過流Ⅱ段保護(hù)動(dòng)作，故障相為AB相，二次側(cè)電流為3.42A（CT變比600/1），一次值為2052A；10kV丁線開關(guān)過流Ⅱ段保護(hù)動(dòng)作，故障相為AB相，二次側(cè)電流為3.32A（CT變比600/1），一次值為1992A，線路保護(hù)正確動(dòng)作，一、二次設(shè)備均正常。經(jīng)檢查后發(fā)現(xiàn)10kV丙線164公用電纜分接箱C相套管絕緣擊穿，10kV丁線220K公用電纜分接箱601開關(guān)至454公用配電站電纜中間頭A相接地故障。

3 中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)跳閘原因分析

3.1 接地電流分析計(jì)算

中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)單相接地時(shí)，其接地電流分析計(jì)算如下：

3.1.1 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地時(shí)電流分布（見圖2）：

由于故障相電流Ia為系統(tǒng)非故障相總電容電流Iz，幅值較小，上述線路保護(hù)不會動(dòng)作（見圖3）。

Ua/（Za+ZC）=Ia=Iz。

式中：Ua為A相一次電壓；Za為A相短路處接地電阻Ra（如金屬性接地約為0Ω）和電纜阻抗Zd之和，電纜阻抗約為每公里0.1Ω；ZC為系統(tǒng)非故障線路總電容阻抗，接近無窮大；Ia為流過保護(hù)的A相短路一次電流；Iz為非故障相總電容電流。

可得Ia=Iz，約：20～30A。

3.1.2 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)單相接地時(shí)電流分布（見圖4）：

式中：Ua為A相一次電壓；Za為A相短路處接地電阻Ra（如金屬性接地約為0Ω）和電纜阻抗Zd之和，電纜阻抗約為每公里0.1Ω；ZC為系統(tǒng)非故障線路總電容阻抗，接近無窮大；ZL為消弧線圈總阻抗；Ia為經(jīng)補(bǔ)償后流過保護(hù)的A相短路一次電流；Iz為系統(tǒng)非故障相總電容電流；IL為消弧線圈補(bǔ)償電流。

可得Ia約20～30A。

3.2 中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)兩條線路異名相接地時(shí)電流分布

中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)兩條線路異名相接地時(shí)電流分布（110kV變電站A 10kV丙線B相、10kV丁線A相同時(shí)跳閘故障）（見圖6）：

式中：Ua為A相一次電壓；Za為丁線A相短路處接地電阻Ra（約為2Ω）及電纜阻抗之和。其中，電纜Zda=0.3Ω（電纜阻抗約為每公里0.1Ω）；Zb為丙線B相短路處接地電阻Rc（約為2Ω）及電纜阻抗之和，其中電纜Zdb=0.4Ω（電纜阻抗約為每公里0.1Ω）；ZC為非故障線路對地系統(tǒng)總電容阻抗，接近無窮大；Ia為流過保護(hù)的A相短路一次電流；Ib為流過保護(hù)的B相短路一次電流；Iz為非故障相總電容電流。

由以上等值電路（見圖7）可知，10kV丁線A相、10kV丙線B相同時(shí)或相繼發(fā)生接地時(shí)，通過大地形成回路，形成了同一電源供電的相間故障，流過保護(hù)的短路電流Ia=Ib，方向相反。若設(shè)U為AB相一次電壓約為10000V，由于Za

由以上分析計(jì)算可知，如110kV變電站A 10kV丁線或10kV丙線其中一條線路首先發(fā)生單相故障或者兩條線路先后發(fā)生同名相故障，保護(hù)不會動(dòng)作跳閘，但如果因?yàn)榻拥厥狗枪收舷嘟^損壞，就會在同一電源兩條出線發(fā)生異名相故障，由于形成相間短路故障，短路電流較大，保護(hù)動(dòng)作后兩條線路均跳閘。此外，如在不同電源的兩條出線發(fā)生異名相故障，由于系統(tǒng)阻抗較大，短路電流一般較小，所以發(fā)生此類故障同跳的幾率較小。

綜上所述，當(dāng)中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)發(fā)生單相故障，由于故障電流很小，保護(hù)不會動(dòng)作于跳閘，但由于此時(shí)會造成非故障兩相的對地電壓升高至正常電壓的倍，容易導(dǎo)致非故障相設(shè)備絕緣降低，故障進(jìn)一步擴(kuò)大，將可能發(fā)展成為兩相或多相故障，造成線路跳閘。

4 小電阻接地系統(tǒng)

由于小電流接地運(yùn)行方式在發(fā)生故障時(shí)產(chǎn)生的過電壓，對設(shè)備的絕緣影響較大，且較難準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)，導(dǎo)致故障處理不及時(shí)，直接影響了供電質(zhì)量甚至引發(fā)人身觸電事故，為了改變小電流接地運(yùn)行方式的不足之處，快速切除低壓線路的接地故障，低壓系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)小電阻方式已應(yīng)用在35kV及以下低壓電網(wǎng)。這種接地方式下，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，繼電保護(hù)裝置通過接地電阻的電流大小來啟動(dòng)零序保護(hù)，將故障線路從系統(tǒng)中隔離。

4.1 該接地方式的優(yōu)點(diǎn)

4.1.1 能夠快速地確定故障位置，將故障線路進(jìn)行隔離，及時(shí)遏制了諧振過電壓，有效地防止了非瞬時(shí)性單相接地故障發(fā)展成相間短路故障。

4.1.2 中性點(diǎn)經(jīng)低電阻接地后，在電弧熄滅后，線路的殘余電荷可通過電阻泄漏到大地，中性點(diǎn)的電位迅速下降，重燃過電壓的幅值會降低。

4.1.3 對設(shè)備絕緣性要求降低，節(jié)約了投資。

4.1.4 由于設(shè)置了零序電流保護(hù)，一旦發(fā)生單相接地將立即切除故障，縮短了故障時(shí)間且靈敏度高，可大大減少人身傷亡事故。

4.1.5 不再依靠允許帶故障運(yùn)行2小時(shí)來保證供電的可靠性。

4.2 中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)單相接地時(shí)電流分布

中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)單相接地時(shí)電流分布見圖8：

由于故障相電流Ia為流過中性點(diǎn)小電阻（一般取10Ω）的電流，幅值較大，保護(hù)能可靠動(dòng)作（見圖9）。

Ua/（Za+ZC/Ro）=Ia

式中：Ua為A相一次電壓；Za為A相短路處接地電阻Ra（如金屬性接地約為0Ω）和電纜阻抗Zd之和，電纜阻抗約為每公里0.1Ω；ZC為系統(tǒng)非故障線路總電容阻抗，接近無窮大；Ro為變壓器中性點(diǎn)接地小電阻約為10Ω；Ia為流過保護(hù)的A相短路一次電流；Iz為非故障相總電容電流。

若Ua為A相一次電壓為5800V，由于Ro

4.3 該接地方式的缺點(diǎn)

4.3.1 當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，不管故障是永久性的，還是瞬時(shí)性的，線路都會自動(dòng)跳閘。因此，線路跳閘次數(shù)將增加數(shù)倍，影響用戶的用電需求，電路送電可靠性降低。

4.3.2 中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地屬于大電流接地，接地電流比較大，過大故障電流容易擴(kuò)大事故，即當(dāng)電纜發(fā)生單相接地時(shí)，強(qiáng)烈的電弧會危及鄰相電纜釀成火災(zāi)，擴(kuò)大事故。

4.3.3 一旦零序保護(hù)動(dòng)作不及時(shí)或斷路器失靈，過大的故障電流將使接地點(diǎn)及附近的電氣設(shè)備受到更大的危害，導(dǎo)致相間故障發(fā)生。

4.3.4 接地故障時(shí)，數(shù)百安以上的接地電流會引起地電位升高達(dá)數(shù)千伏，該電壓通過接地系統(tǒng)傳送到低壓設(shè)備上，而低壓設(shè)備的絕緣只能夠耐低壓，所以容易導(dǎo)致低壓設(shè)備被擊穿而短路，甚至對人身安全造成影響。

5 建議及措施

通過以上分析、對比各種低壓系統(tǒng)接地運(yùn)行方式的優(yōu)缺點(diǎn)，將原來采用的小電流接地方式改為中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地運(yùn)行方式，既可有效防止因單相接地導(dǎo)致的相間或多相故障的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，又可降低因接地故障持續(xù)運(yùn)行造成的人身觸電事故。

目前，由于該地區(qū)低壓電網(wǎng)均采用小電流接地方式，為降低因單相接地故障而造成的各種運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，對于未完成改造的站線應(yīng)做好以下四點(diǎn)措施：（1）對于電纜老化及電纜中間接頭等薄弱環(huán)節(jié)，需要加強(qiáng)對相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)，及早發(fā)現(xiàn)問題。同時(shí)要提高檢測手段，通過試驗(yàn)方式檢驗(yàn)薄弱點(diǎn)的絕緣程度，做好設(shè)備的狀態(tài)評估；（2）加強(qiáng)35kV及以下電壓等級架空線路的線路巡視，尤其是樹木茂盛及工程施工區(qū)域，防止外力破壞導(dǎo)致線路斷線或者短路，威脅人身設(shè)備安全；（3）調(diào)度部門對于相關(guān)10kV接地信號要及時(shí)響應(yīng)，盡快做出判斷，及時(shí)隔離故障，避免10kV線路長期故障運(yùn)行；（4）就如何提高消弧選線成功率的問題與消弧選線裝置的廠家進(jìn)行交流探討，制定相應(yīng)可行的方案。

6 實(shí)施的可行性及風(fēng)險(xiǎn)

（1）該地區(qū)城區(qū)低壓系統(tǒng)多為電纜線路，而郊區(qū)低壓線路多為架空線或混合線路。可在城區(qū)和郊區(qū)分別選取1～2個(gè)變電站作為試點(diǎn)，改造為小電阻接地運(yùn)行方式。其中試點(diǎn)的選取應(yīng)優(yōu)先考慮出線電纜老化問題嚴(yán)重、電纜分接箱絕緣隱患較多和接地故障多發(fā)的站點(diǎn)。但同時(shí)需考慮對重要用戶和保供電用戶的影響，特別是郊區(qū)架空線路，雷雨季節(jié)極易發(fā)生單相接地故障（樹障或非金屬性瞬時(shí)故障），勢必造成站端出線開關(guān)及保護(hù)頻繁動(dòng)作，如發(fā)生開關(guān)或保護(hù)拒動(dòng)，將會造成越級跳閘，不但影響供電可靠性還導(dǎo)致了故障范圍的擴(kuò)大；（2）目前，該地區(qū)電網(wǎng)110kV變壓器10kV側(cè)接線方式均為三角型接線，中性點(diǎn)不能直接接地，必須加裝接地變壓器。如加裝在10kV兩段母線上，當(dāng)一臺主變故障，備自投動(dòng)作合上母聯(lián)開關(guān)后，變?yōu)閮山M接地電阻并聯(lián)運(yùn)行，接地電阻變小，容易造成接地保護(hù)的誤動(dòng)，應(yīng)考慮增加主變聯(lián)切接地變回路和定值配合問題。另外，在運(yùn)行方式改變時(shí)，也應(yīng)注意兩組接地電阻運(yùn)行方式的調(diào)整，防止發(fā)生接地保護(hù)的誤動(dòng)；（3）零序電流保護(hù)不應(yīng)采用三相電流互感器組成的二次零序接線方式，防止三相電流互感器有不同程度的飽和，或因特性不平衡，使零序電流保護(hù)誤動(dòng)作。對試點(diǎn)低壓線路需加裝零序電流互感器來解決上述問題，同時(shí)線路保護(hù)定值需做出相應(yīng)的調(diào)整；（4）改變35kV及10kV中性點(diǎn)接地方式涉及面廣，需要對一二次設(shè)備進(jìn)行改造，包括35kV中性點(diǎn)及10kV母線加裝接地小電阻、加裝接地變壓器、10kV饋線柜零序CT回路調(diào)試、10kV保護(hù)定值調(diào)整、加裝保護(hù)聯(lián)切回路等，可考慮在新投站或者選取合適的變電站作為試點(diǎn)，積累運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)；（5）根據(jù)《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范GB/T 50064-2014》6～35kV主要由電纜線路構(gòu)成的配電系統(tǒng)，當(dāng)單相接地故障電容電流較大時(shí)，可采用中性點(diǎn)低電阻接地方式。因此，需要試驗(yàn)進(jìn)行梳理，將該地區(qū)低壓電網(wǎng)單相接地故障電容電流較大的線路進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，作為試點(diǎn)中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地的依據(jù)。

7 結(jié)語

結(jié)合目前該地區(qū)低壓電網(wǎng)中性點(diǎn)接地運(yùn)行方式的情況，針對中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地方式的不足之處，提出了采用中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地運(yùn)行的方案。該方案根據(jù)電纜線路的特點(diǎn)，提出當(dāng)10kV或35kV線路發(fā)生故障時(shí)，可使繼電保護(hù)裝置迅速動(dòng)作隔離故障，減輕了對設(shè)備絕緣的損害，有效降低了人身事故的風(fēng)險(xiǎn)。

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作者簡介：夏志樂（1990-），男，廣東人，廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司肇慶供電局助理工程師，研究方向：變電站繼電保護(hù)及自動(dòng)化。

（責(zé)任編輯：小 燕）