6～35kV小電阻接地系統(tǒng)接地設備選擇

張 瑋，盛和樂，謝 敏

(中國電力工程顧問集團華北電力設計院有限公司，北京 100120)

6～35kV小電阻接地系統(tǒng)接地設備選擇

張 瑋，盛和樂，謝 敏

(中國電力工程顧問集團華北電力設計院有限公司，北京 100120)

為了確定中壓小電阻接地系統(tǒng)接地電阻及其配套設備的選擇方法，本文總結歸納了常用6～35kV小電阻接地系統(tǒng)的現(xiàn)狀，通過對現(xiàn)行規(guī)程要求分析，并進一步剖析了中性點接地過電壓的危害及小電阻接地保護系統(tǒng)的工作原理，總結歸納了小電阻接地系統(tǒng)中接地電阻阻值的合理選擇范圍，及其配套電流互感器等保護設備選型，對中壓系統(tǒng)小電阻接地設備的計算選型工作有較實用的指導意義。

中性點；電阻接地系統(tǒng)；過電壓；電容電流；繼電保護。

三相交流電力系統(tǒng)中性點接地方式的選擇是一個綜合問題，涉及電網(wǎng)的安全可靠性、經(jīng)濟性，它與電網(wǎng)的電壓等級、過電壓水平、保護配置等均有關系，并直接影響系統(tǒng)設備絕緣水平、繼電保護方式、甚至產(chǎn)生通信網(wǎng)絡電磁干擾等。

對于6～35kV中壓系統(tǒng)的中性點接地方式，在各個地區(qū)、各個網(wǎng)絡都有不同的選擇形式和判斷依據(jù)。6～35kV中壓系統(tǒng)常見的中性點接地方式有不接地、經(jīng)消弧線圈接地和經(jīng)電阻接地方式。

本文將重點對經(jīng)電阻接地方式的應用現(xiàn)狀及原理進行分析，并對經(jīng)電阻接地方式中接地電阻阻值的選擇提出觀點。

1 工程現(xiàn)狀

中性點電阻和消弧線圈都是在中性點上用來接地的，作用都是在系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，起到防止因接地故障引起的弧光過電壓以及在單相接地故障時，因系統(tǒng)中故障電流引起危及電網(wǎng)安全的其它危害。消弧線圈的接入對系統(tǒng)單相故障時故障電流的抑制是采用通過自身向系統(tǒng)中注入感性電流來補償(也可以說是抵消)系統(tǒng)中的故障電容電流，使之所剩的殘流在設備允許范圍內(nèi)，所以采用隨時自動跟蹤補償?shù)南【€圈來抵消故障電流的危害，可以保證系統(tǒng)帶故障運行2 h，這就為一些不便于立即停電跳閘的供電系統(tǒng)提供不停電處理故障的時間，保證供電連續(xù)性。而它的缺點是相對于中性點電阻柜來說結構較為復雜，同樣故障電流參數(shù)下設備占地面積較大，安裝投入資金大，設備運行維護相對繁瑣等。中性點經(jīng)小電阻接地或高阻接地，其原理是將一個電阻接到系統(tǒng)中，當系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障，系統(tǒng)中性點電壓將升高，加在中性點電阻上的電壓通過電阻會向系統(tǒng)產(chǎn)生電流，這個電流會隨著中性點電壓的升高而加大。同時這個產(chǎn)生的電流會流經(jīng)發(fā)生單相接地的那條線路的開關柜流回系統(tǒng)母線，而系統(tǒng)中每面出線柜的綜合保護中都應事先設置好零序保護電流的動作值，當流經(jīng)開關柜的電流值大于設定值時會當即使故障柜跳閘，也就使發(fā)生單相接地故障的開關柜從系統(tǒng)中被切除，系統(tǒng)其他部分恢復了正常運行。中性點電阻接地的優(yōu)點是結構簡單，設備運行維護量小，造價成本相對較低。缺點是當系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時會立即跳開故障線路，對于一些僅有一回路饋電而又要求不能隨意停電跳閘的系統(tǒng)不適用，同時開關柜綜合保護單相故障跳閘定位一定要設置精確，否則影響系統(tǒng)及電阻柜自身的安全運行。因此，在設計當中如何選擇合適的接地電阻值就成為中性點電阻接地系統(tǒng)的關鍵點和難點。

1.1 常規(guī)火電廠廠用電系統(tǒng)

根據(jù)收集到的資料，對于火電廠6kV廠用電系統(tǒng)，各設計單位的設計方案不盡相同，有的設計院按固定電阻電流值200 A進行選擇，選取接地電阻阻值為18 Ω，有的設計院按具體工程電纜長度計算電容電流值進行選擇，但選取的電容電流放大倍數(shù)并不統(tǒng)一，因而在實際工程中，各電廠接地電阻電流值從100～700 A不等，其典型配置接線見圖1。

圖1 火電廠高壓廠用電系統(tǒng)中性點接地方式

1.2 各地區(qū)城市網(wǎng)絡35kV及10kV系統(tǒng)中性點電阻值的選取

在城市網(wǎng)絡中，地區(qū)電力系統(tǒng)主要依據(jù)DL/T 584—2007《3kV～110kV電網(wǎng)繼電保護裝置運行整定規(guī)程》，根據(jù)城市網(wǎng)絡電力線路長度及未來發(fā)展，對該地區(qū)的10kV及35kV系統(tǒng)中性點接地電阻阻值做出相應的規(guī)定。根據(jù)收集到的資料顯示：北京地區(qū)10kV系統(tǒng)為10 Ω，電阻電流值為600 A。天津地區(qū)和深圳地區(qū)35kV系統(tǒng)采用1300 A 16.5 Ω。

1.3 風電、光伏等新能源項目

風電、光伏類工程大多采用35kV集電線路，將多臺風力發(fā)電機組或太陽能電池單元并聯(lián)匯集后接入附近升壓站二次升壓送出，因此，大多數(shù)風電、光伏項目35kV接地電容電流都超過了規(guī)程允許的10 A。同時，根據(jù)國家電網(wǎng)公司2011年974號文件《關于印發(fā)風電并網(wǎng)運行反事故措施要點的通知》“風電場匯集線系統(tǒng)單相故障應快速切除”的要求，為了準確選線跳閘，大多數(shù)風電、光伏項目35kV中性點采用電阻接地系統(tǒng)。但在接地電阻的阻值選擇上，各工程存在一定的差異，對于以架空集電線路為主的風電場，由于其接地電容電流值一般在30 A左右，故電阻電流的選擇一般在100～200 A左右，對于大型全電纜集電線路風電場，有的設計院將電阻電流限制在固定值200A或400A，有的設計院根據(jù)實際計算出的電容電流值并放大1.5～2倍進行選擇。

風電、光伏類工程的35kV中性點電阻主要有兩種連接方式：一種是將主變壓器35kV側直接選為Y型接線，將中性點接地電阻直接接于主變壓器35kV中性點側，見圖2。

另一種是通過Z型接線的接地變，制造一個35kV中性點，將接地電阻接于由接地變引出的中性點端，根據(jù)接地變在主接線中的位置和作用的不同，又可分為三種情況：其一，接地變?yōu)閷Ｓ媒拥刈?，并直接T接在主變35kV進線側，見圖3(a)；其二，接地變?yōu)閷Ｓ媒拥刈儯ㄟ^35kV開關柜與35kV母線連接，見圖3(b)；其三，接地變二次側兼做所用變壓器，通過35kV開關柜與35kV母線連接，見圖3(c)。

圖2 接于主變中性點

圖3 經(jīng)接地變引出的中性點

2 相關規(guī)程規(guī)范

《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規(guī)范》GB/T 50064—2014 第2.0.2條中性點低電阻接地方式 系統(tǒng)中至少有一根導線或一點經(jīng)過低電阻接地，系統(tǒng)等值零序電阻不小于2倍系統(tǒng)等值零序感抗(新版國標中未規(guī)定低電阻接地系統(tǒng)的電阻值范圍，在DL/T620—1997(已作廢)中第2.1條指明低電阻接地的系統(tǒng)“一般采用接地故障電流為100 A～1000 A”)。第3.1.4條規(guī)定： 6kV～35kV主要由電纜線路構成的配電系統(tǒng)、發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)、風力發(fā)電場集電系統(tǒng)和除礦井的工業(yè)企業(yè)供電系統(tǒng)，當單相接地故障電容電流較大時，可采用中性點低電阻接地方式。變壓器中性點電阻器的電阻，在滿足單相繼電保護可靠性和過電壓絕緣配合的前提下宜選較大值。

《導體和電器選擇設計技術規(guī)定》DL/T 5222—2005 第18.2.5條規(guī)定，對于高電阻接地系統(tǒng)，計算中性點接地電阻值時，取單相對地短路時電阻電流與電容電流的比值為1.1。第18.2.6條規(guī)定，低電阻接地系統(tǒng)，中性點接地電阻值按選定的單相接地電流值計算，即。規(guī)程中未對Id(即選定的單相接地電流值)的大小進行規(guī)定和說明。

《火力發(fā)電廠廠用電設計技術規(guī)程》DL/T 5153—2014 第3.4.1條規(guī)定，火電廠高壓廠用電系統(tǒng)中性點接地方式可采用不接地或經(jīng)電阻接地方式。當高壓廠用電系統(tǒng)的接地電容電流在7 A及以下時，可采用不接地或經(jīng)高電阻接地，在7 A以上且在10 A及以下時可采用不接地或經(jīng)低電阻接地方式，當高壓廠用電系統(tǒng)的接地電容電流在10 A以上時，中性點宜采用低電阻接地方式。對于低電阻接地系統(tǒng)，接地電阻的選擇應使發(fā)生單相接地故障時，電阻電流不小于電容電流，并且單相接地故障總電流值應使保護裝置準確且靈敏的動作于跳閘。在其附錄C中進一步明確，阻性電流可按1.1倍容性電流選取。

《3kV～110kV電網(wǎng)繼電保護裝置運行整定規(guī)程》DL/T 584—2007 第6.2.8.2條規(guī)定，10kV～35kV低電阻接地系統(tǒng)中接地電阻的選取宜為6Ω～30Ω，單相接地故障時零序電流(3I0)以1000 A左右為宜。

可見，對于6kV～35kV中壓網(wǎng)絡的小電阻接地系統(tǒng)，各類規(guī)程規(guī)范中的標準并不明確統(tǒng)一，有的只寫列出了選型原則，有的給出了選擇范圍。那么工程實踐中究竟電阻電流和電容電流按何種比值關系設計更為合理，需要通過中性點電阻接地系統(tǒng)的工作原理進行進一步剖析。

3 中性點小電阻接地系統(tǒng)的工作原理

3.1 中性點電阻怎樣限制過電壓

接在電網(wǎng)中性點的接地電阻對過電壓有限制作用。在解釋這一現(xiàn)象時，有三種說法：

相位說——間隙性弧光接地過電壓的產(chǎn)生，是發(fā)生單相接地時相角超前電壓90%的大的電容電流所致。在接地電容電流過零熄弧時，適逢電壓的峰值，再由于電流較大，周圍空氣環(huán)境游離，耐壓強度降低，而極易發(fā)生重燃，導致了暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)過電壓的發(fā)生。在電網(wǎng)中性點接入電阻后，給接地點加注入了阻性電流。接地點流過的阻容性電流和電壓之間的相位角會小于90°。若阻性電流與容性電流相等時，相位角為45°；若阻性電流大于容性電流，則相位角變得更小。這時，接地電流過零時，故障點的電壓已經(jīng)下降很多，降低了重燃的或燃率。

泄漏說——在不接地系統(tǒng)中，發(fā)生單相接地時產(chǎn)生的過電壓皆是在電容上聚集的能量無從泄漏所致。電弧的點燃、熄滅、重燃的過程，使中性點不接地電網(wǎng)中積累了多余的能量，加劇了重燃時的電磁振蕩，增大了弧光接地過電壓。在電網(wǎng)中性點接入適量的電阻，是把積累的能量，在電弧熄滅至重燃前(半個工頻周期內(nèi))，泄入大地。過電壓就可以降低。電阻越小，釋放的越快。釋放速度決定于回路中的，γ=3CNRN(3CN為三相對地電容，RN為中性點電阻)，設阻性電流IR與電容電流IC相等，則

當τ為半個周波，即τ= 1/2f，此時，

可見，半個周期內(nèi)，積累電量已經(jīng)基本泄漏完畢。所以，只要

就能有效地限制弧光接地過電壓。

阻尼說——這是一種更加宏觀的說法。當電網(wǎng)中性點不接地，特別是輕負荷時，可以把電網(wǎng)的構成看作是電感電容的交織網(wǎng)絡，虛浮在大地之上。當其受到撥動、襲擾時，將會振蕩不已，久久不能平靜。線路發(fā)生的單相接地便類似于這種情景。在網(wǎng)絡的零序回路接入電阻，相當于在網(wǎng)絡與大地之間，連接了一支阻尼電阻，阻尼振蕩。這一說法的提倡者，建議將電阻接入到一臺特制變壓器的三角形繞組的開口上，也是在零序回路之中。

3.2 過電壓倍數(shù)與IR/IC的關系及其數(shù)值確定

中性點電阻阻值RN的大小，決定了單相接地時流經(jīng)接地點阻性電流IR的大小，并直接影響了過電壓倍數(shù)。

設K=IR/IC，當A相發(fā)生單相接地時，可以推導出健全相Ub或Uc電壓升高值與故障前相電壓Ua的比值

如下式：

式中：Ua為電網(wǎng)A相故障前的相電壓(kV)；Ub、Uc為健全相的電壓(kV)；IR為接地點阻性電流(A)；IC為電網(wǎng)中的電容電流(A)。

圖4 過電壓倍數(shù)與IR/IC的關系

給出不同的K值，即可算出相應的Ub/Ua或Uc/Ua的比值，見圖4。

由圖可見，

由此可見，當IR≧IC時，健全相的過電壓倍數(shù)可限制在2.8倍以下。當K大于2時，其限制效果已不明顯趨于飽和。一味的追求減小RN加大IR，試圖把過電壓再降低，將事倍功半。

在實際工程中，K值應根據(jù)系統(tǒng)中電氣設備的工頻耐受電壓進行合理選擇，通常變電站電氣設備在0.1 s的短時工頻耐受電壓在1.0～2.4 p.u.之間，因此，K值的選擇在1.5～3時比較安全。

3.3 小電阻接地系統(tǒng)的繼電保護原理

對于小電阻接地系統(tǒng)，當電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時，由于人為地增加了一個與電網(wǎng)接地電容電流相位相差90°的有功電流，流過故障點的接地電流就等于電容電流和有功電流的相量和。應該說，根據(jù)零序電流或電阻性電流的大小和方向也是很容易區(qū)分故障支路和非故障支路的。

由于單相接地時故障電流大，必須切除故障線路，故其保護配置可為：限時(瞬時)電流速斷保護，低電壓閉鎖過流保護，兩段式零序保護，所有保護均作用于跳閘。對于架空輸電線路，應配置一、二次(或多次)自動重合閘，使得瞬時性故障后可盡快恢復供電，同時在永久性故障時，加速繼電保護動作于跳閘；對于電纜輸電線路，考慮其故障必定是永久性故障(或永久性故障所占故障比例很大)，故不必設置自動重合閘。另外，為保證可靠地切除故障線路，保護一次設備的安全，考慮到故障線路的保護或開關存在拒動的可能，所以應在中性點接地電阻回路中加裝電流互感器(TA)，接入零序后備保護(或稱接地電阻零序保護)，加適當延時后，作用于跳開變壓器低壓側開關。

4 中性點零序電流互感器的選擇

《導體和電器選擇設計技術規(guī)定》第15.0.9條規(guī)定：“對中性點直接接地或經(jīng)電阻接地系統(tǒng)，由接地電流和電流互感器準確限值系數(shù)確定電流互感器額定一次電流，由二次負載和電流互感器的容量確定二次額定電流?！贝送庑瑁骸鞍措娎|根數(shù)及外徑選擇電纜式零序電流互感器窗口直徑，按一次額定電流選擇母線式零序電流互感器母線截面。”

從安裝方式上分，電纜式零序電流互感器分為開合式和整體式兩種，其電氣性能基本相同，差異很小，考慮檢修維護和安裝的方便，開合式較整體式更為靈活，拆裝無需重新制作電纜頭。

配合保護方面，目前6～35kV中壓系統(tǒng)大都采用微機保護裝置，微機保護裝置阻抗一般不超過0.2～0.4 Ω，在零序互感器的變比和容量選擇上，應根據(jù)不平衡電流值并考慮保護靈敏系數(shù)及互感器的誤差限值等因素，保證微機保護裝置可靠動作而確定。通常50/1(5)、100/1(5)變比即可滿足要求，但當接地電流值較大時應復核電流互感器短路電流倍數(shù)，避免CT飽和后造成繼電保護失靈。

容量的選擇上，主要與二次保護裝置的阻抗匹配，以保證精度。通常微機綜合保護裝置的阻抗在0.2～0.4 Ω，因此對于二次變比在5 A的零序互感器，容量為5～10 VA即可滿足要求，對于二次變比在1A的零序互感器，容量為0.2～0.4 VA即可滿足要求，但當回路電纜較長時，應考慮回路阻抗，適當加大容量。

5 小結

綜上所述，電阻接地系統(tǒng)由于回路中流過中性點的阻性電流值的大小及方向都很明確，便于繼電保護的正確選線和跳閘，可以迅速排除故障，避免事故擴大。盡管如此，斷路器的動作時間不可能達到絕對的零秒，通常都會有0.06 s左右的延遲，在這段時間內(nèi)，足以產(chǎn)生弧光接地過電壓。因此，從限制過電壓、保證一次設備絕緣安全的角度考慮，只有電阻值選取的合適，才能夠保證系統(tǒng)過電壓被限定在設備絕緣能夠承受的范圍內(nèi)，保證系統(tǒng)設備安全。所以，在《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規(guī)范》GB/T 50064—2014 第3.1.4條規(guī)定：“變壓器中性點電阻器的電阻，在滿足單相繼電保護可靠性和過電壓絕緣配合的前提下宜選較大值?！笔俏覀冞M行電阻接地系統(tǒng)電氣設備選擇的基本原則。也就是說，電阻接地的作用是在限制過電壓的同時，幫助繼電保護正確選線，保護作用于跳閘，從而快速切除故障、維護系統(tǒng)安全。限制過電壓、滿足繼電保護動作可靠性兩者缺一不可。

在實際工程操作中，對于不同的項目，應按照實際計算出的電容電流大小并充分考慮遠期擴建后電容電流的增加值，對接地電阻阻值進行合理的選擇，當項目終期規(guī)模比較確定，接地電容電流計算比較精確時，可按1.5～2倍電容電流值選擇，當終期規(guī)模不定，無法精確計算接地電容電流值時，應適當放大至2～3倍電容電流值選擇。通常在電容電流計算值為100 A以下時，最小以不小于200 A為宜，以滿足過電壓及繼電保護可靠動作的要求，這個倍數(shù)相對保守、可靠，給系統(tǒng)發(fā)展留有較大的裕度。但當系統(tǒng)較大，電纜線路較長，接地電容電流值達到800 A以上，且無遠期擴建可能時，考慮到小電阻接地系統(tǒng)的繼電保護選線跳閘方式較為靈活可靠，建議電阻、電流值按不小于電容電流值選擇較為經(jīng)濟，同時也可滿足過電壓保護與絕緣配合的最基本要求。

[1]GB/T 50064—2014，交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規(guī)范[S].

[2]DL/T 5222—2005，導體和電器選擇設計技術規(guī)定[S].

[3]DL/T 5153—2014，火力發(fā)電廠廠用電設計技術規(guī)程[S].

[4]DL/T 584—2007，3kV～110kV電網(wǎng)繼電保護裝置運行整定規(guī)程[S].

[5]許鐵軍，李岳.開關柜中零序電流互感器設計選型[J].電氣技術，2013，(3).

[6]張芬.小電阻接地系統(tǒng)的繼電保護[J].云南電力技術，2010，(6).

[7]干耀生，等.城市中壓配網(wǎng)中性點小電阻接地方式分析[J].電力系統(tǒng)及其自動化學報，2013，(3).

[8]童奕賓，尤智文，李姝.小電阻接地系統(tǒng)間歇性弧光過電壓分析[J].電力系統(tǒng)及其自動化學報，2012，(3).

Grounding Equipment Selection of 6～35kV Small Resistance Grounding System

ZHANG Wei,SHENG He-le,XIE Min
(North China Power Engineering Co.,Ltd.,Beijing 100120,China)

In order to determine the medium voltage low resistance grounding system resistance and its ancillary equipment selection method,this paper summarizes the commonly used in the 6 ～ 35kV low resistance status of the grounding system,by analyzing the requirement of current rules,and it further analyzes the harm of over voltage of neutral point grounding and working principle of small resistance grounding protection system,sums up the small resistance grounding system connected to resistance the reasonable selection range of and supporting current transformer and protection equipment selection,there are more practical significance about equipment selection and calculation work of small resistance of medium voltage system.

neutral point; resistance neutral grounding; overvoltage; capacitive current; relay protection.

TM61

B

1671-9913(2017)05-0071-06

2016-02-05

張瑋(1979- )，女，江蘇武進人，高級工程師，從事新能源發(fā)電電氣設計工作。