經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)單相短路分析

王明新 施文鵬 李艷 陳彪

摘要：隨著城市配電網(wǎng)規(guī)模的擴大，大量電纜的應用，配電網(wǎng)系統(tǒng)電容電流水平快速提高，單相接地故障發(fā)生時故障點的電弧不會自行熄滅，會產(chǎn)生間歇性電弧，引起過電壓，使非故障相電壓大打升高，可能導致絕緣損壞，造成亮點或多點接地，擴大事故。新能源風電、光伏并網(wǎng)，按照國網(wǎng)公司事故通報要求，風電場、光伏站低壓側(cè)發(fā)生單相接地故障時，未防止風機等電源大面積脫網(wǎng)事件發(fā)生，都對中性點經(jīng)電阻接地提出了需求。文章對經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)的單相短路故障進行分析，并對相應的故障錄波進行綜述。

關鍵詞：單相接地；中性點；故障錄波

一、問題產(chǎn)生根源

35kV及10kV系統(tǒng)電源側(cè)變壓器多為三角型接線，供電系統(tǒng)無中心點，Z型（也叫曲折接線）接地變得到大量應用，對電容電流小的供電系統(tǒng)，接地變中性點接消弧線圈來消除系統(tǒng)電容電流對單相接地故障的影響，當電容電流水平超過國家標準時，消弧線圈容量變得越來越大，帶來運行管理上的麻煩較多時，為快速隔離故障，小電阻接地系統(tǒng)得到大量應用。即限制了接地電流水平，又可快速切除故障設備，降低過電壓水平，減少對一次設備損壞，降低投資水平。

二、對小電阻接地系統(tǒng)的接地電流計算

考慮到中性點電阻是屬于三相對稱網(wǎng)絡以外的部分，單相接地序網(wǎng)各序電流均流經(jīng)該電阻，故障相短路電流計算時電阻在公式中表達為3R，即Ik=3Ue/（3R+jXO）當接地變的零序電抗占系統(tǒng)零序電抗比例較小時，單相故障電流可以約等于Ik=Ue/R，用以估算小電阻系統(tǒng)的額定接地電流水平。

35kV系統(tǒng)平均線電壓取37kV，相電壓21.36kV，中性點電阻50Ω，21.36*1000/50≈400A

Z型接線的接地變壓器的每相繞組被平均分為兩段，分配在不同鐵芯柱上.同一鐵芯柱上的兩段繞組，屬于不同的相別且繞組極性相反，三相繞組按Z形聯(lián)結(jié)法接成星形接線。如圖所示，連接組別為ZN，yn11的接地變壓器接線原理圖，其各繞組向量關系如圖1。

當系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，從圖可知，相當于各相繞組上施加了相電壓-U，由于三相零序電壓大相等、相位一致，而同一芯柱上兩個高壓繞組極性相反，激磁磁勢相互抵消，不在鐵芯柱中產(chǎn)生磁通。由此，Z接地變壓器鐵芯柱中磁密，發(fā)生單相接地前后并不變化；所以接地變壓器可以選取與普通電力變壓器的磁密。同一芯柱上高壓繞組的電流產(chǎn)生的磁勢只產(chǎn)生漏磁通，10kV接地變壓器的零序阻抗約為10Ω左右，35kV接地變壓器的零序阻抗約為100Ω左右，表現(xiàn)出低阻抗。

對于穩(wěn)態(tài)而言，繞組中流過的電流就是消弧線圈電感電流，其容量等于消弧線圈容量，如果還有第三繞組作為所用變時，還須加上所用變?nèi)萘?，由于單相接地發(fā)生后，如果不是瞬間接地，并聯(lián)電阻投上，時間不超過4秒，因此考慮Z型變壓器的容量時，還必須考慮這個短時間過程，為將短時故障電流及其容量換算成持續(xù)的額定電流及容量，IEEE-C62.92.3-1993（R2005）標準做出過載系數(shù)的規(guī)定，來換算變壓器的短時容量為持續(xù)容量，換算如下表1

10kV系統(tǒng)Ue=6.062計算阻性電流IR，要求阻性電流為容性電流的1.5-2倍，估算系統(tǒng)的最大電容電流IC=200A，則IR=400A，取500A，系統(tǒng)接地變的系統(tǒng)最大容量=Ue*IR=500*6.062=3031kvar，此為10秒內(nèi)過載10.5數(shù)據(jù)，則算長期工作容量3031/10.5=289kVA，，按照上表折算為2h 的容量（我們一般對于接地變和消弧線圈按照2h容量進行設計和標注），則容量為404kvA，我們可以選擇整數(shù)容量為500kVA（一般稍微放大一些）。選取接地電阻：R=Ue/IR=12.12歐姆，我們一般取12歐姆。接地變選型：接地變?nèi)萘?接地電阻容量+所用變?nèi)萘?，最終型號為DKSC-600/10-100/0.4，查表發(fā)現(xiàn)零序阻抗為6.3歐姆/相，折算到零序為2.1歐姆，根據(jù)公式Z02=R02+X02，Z0=12.18歐姆驗算接地電流：I=Ue/Z0=6062/12.18=497.7A

接地變壓器一次側(cè)經(jīng)消弧線圈接地，當發(fā)生單相接地時，流經(jīng)消弧線圈的感性電流為

式中U—系統(tǒng)電壓，V；ZS—系統(tǒng)阻抗，Ω；一般可忽略；Z0—接地變壓器單相零序阻抗，Ω；ZL—消弧線圈的阻抗，Ω。值得注意的是，接地變出廠名牌顯示的電抗值為每相值，計算式應取綜合零序電抗即除以3以后的數(shù)值。

三、結(jié)論

根據(jù)國網(wǎng)公司文件要求，遼寧省關于新能源（風電）場、光伏（電）站35kV應裝設接地變，中性點電阻要求保證單相接地短路時故障電流不小于200A。單相及相間故障快速跳閘。風電場光伏站保護配置及整定應滿足上述要求。對設計院設計的35kV（標稱）400A經(jīng)電阻接地系統(tǒng)，發(fā)生單相接地時，考慮到接地變阻抗、線路零序阻抗、實際經(jīng)障礙物電阻接地后，實際單項接地電流值為290A，證明按照30%系統(tǒng)標稱接地電流400A整定的定值120A是合適的。

參考文獻：

[1]劉萬順.電力系統(tǒng)故障分析[M].北京：水利水電出版社；1986.