10k V改進(jìn)中性點(diǎn)接地方式的探討

朱熊益 劉 鳴 呂 鋮

（中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司杭州供電段）

0 引言

電力系統(tǒng)發(fā)展初期，容量較小，10kV系統(tǒng)主要以不接地方式為主。電力系統(tǒng)發(fā)展中期，單相接地故障時(shí)電弧不能熄滅，產(chǎn)生弧光過(guò)電壓對(duì)系統(tǒng)的危害性及對(duì)通信的干擾等缺點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外開(kāi)始選用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈（諧振）接地、經(jīng)低電阻接地和經(jīng)電抗等接地方式，近期有些地區(qū)采用的消弧線圈并小電阻的接地方式和中性點(diǎn)電力電子柔性接地方式，對(duì)接地電流全補(bǔ)償消弧、人身安全、過(guò)電壓抑制和保護(hù)等方面有較大的創(chuàng)新。

10kV系統(tǒng)大量采取中性點(diǎn)非有效接地方式運(yùn)行，單相接地故障時(shí)，故障電流低于保護(hù)動(dòng)作閾值，使得故障持續(xù)存在且故障電流遠(yuǎn)超人體安全標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)重威脅人身安全。為了緩解這一嚴(yán)重安全隱患，目前10kV系統(tǒng)主要通過(guò)配置消弧線圈降低故障電流，并配合人工拉路及巡線的方式逐一排查故障，但該方式效率偏低，且在10kV系統(tǒng)容量增大、非線性負(fù)荷大量接入的形勢(shì)下［1－3］，傳統(tǒng)的配置方法已無(wú)法滿足10kV系統(tǒng)安全需求。

本文對(duì)于上述的問(wèn)題，針對(duì)現(xiàn)階段運(yùn)行的10kV線路以自動(dòng)化運(yùn)維為關(guān)鍵指標(biāo)，采用新型的接地運(yùn)行方式，配以中性點(diǎn)并聯(lián)接地電阻，對(duì)電力電纜線路進(jìn)行容性電流經(jīng)行補(bǔ)償和中性點(diǎn)電阻釋放線路殘余電荷的優(yōu)點(diǎn)，限制暫態(tài)過(guò)電壓，實(shí)現(xiàn)單相接地故障處置的功能。本文重點(diǎn)探討改進(jìn)的中性點(diǎn)接地方式的應(yīng)用與實(shí)效。

1 國(guó)內(nèi)外10kV系統(tǒng)其他中性點(diǎn)接地方式分析

10kV系統(tǒng)大量采取中性點(diǎn)非有效接地方式運(yùn)行，現(xiàn)階段主要為單相接地故障，故障電流低于保護(hù)動(dòng)作閾值，而常規(guī)故障排查的手段仍以人工手動(dòng)為主，因此10kV線路故障往往會(huì)持續(xù)存在，進(jìn)而使得瞬時(shí)性故障惡化為永久性故障，永久性故障則進(jìn)一步惡化為嚴(yán)重的短路故障。此外，在故障持續(xù)及惡化過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生巨大的放電電弧與故障電流，電弧的影響尤為明顯，嚴(yán)重威脅生命及財(cái)產(chǎn)安全［4－7］；接地故障電流則會(huì)在故障點(diǎn)產(chǎn)生跨步電壓，尤其在雨天等惡劣天氣下，10kV系統(tǒng)發(fā)生故障的概率升高，而人體又處于水汽環(huán)境中，人體自身電阻的保護(hù)能力大幅下降，一旦人體接近故障點(diǎn)，跨步電壓會(huì)瞬間將人體麻痹乃至引發(fā)死亡，造成難以挽回的人身安全事故。

可見(jiàn)，單相接地故障仍然是10kV系統(tǒng)中難以根除又不容忽視的嚴(yán)重問(wèn)題，與此同時(shí)，隨著10kV線路自動(dòng)化改革的逐漸突破，10kV系統(tǒng)也開(kāi)始進(jìn)入更深層次的多元化建設(shè)和發(fā)展，系統(tǒng)容量增大，有功及諧波增多，接地故障的危害會(huì)再次加重，故障電流引起的跨步電壓危險(xiǎn)區(qū)域也相應(yīng)擴(kuò)大，故障的長(zhǎng)時(shí)間存在會(huì)成為嚴(yán)重的安全隱患，可以預(yù)見(jiàn)，未來(lái)已建設(shè)完備的大容量10kV系統(tǒng)將會(huì)時(shí)刻處于頻繁接地故障的巨大威脅中。

因此，在當(dāng)下10kV系統(tǒng)大力發(fā)展和建設(shè)的進(jìn)程中，彌補(bǔ)自動(dòng)調(diào)諧消弧線圈裝置的不足，實(shí)現(xiàn)接地殘流補(bǔ)償，達(dá)到快速熄??；單相接地后實(shí)現(xiàn)單相接地故障處置的功能，能夠同時(shí)兼顧供電可靠性和消除故障點(diǎn)安全隱患的中性點(diǎn)技術(shù)，使10kV系統(tǒng)的安全性得到真正的提升和改善。

2 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈并聯(lián)電阻接地方式組成

中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈并聯(lián)電阻接地裝置由接地變壓器、調(diào)匝式消弧線圈、檔位調(diào)節(jié)有載開(kāi)關(guān)、微機(jī)控制器、中性點(diǎn)接地電阻器以及相應(yīng)的檢測(cè)元件等組成。圖1為中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈并聯(lián)電阻接地裝置示意圖。

圖1 為中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈并聯(lián)電阻接地裝置示意圖

10kV系統(tǒng)中性點(diǎn)由接地變壓器引出，消弧線圈與電阻并聯(lián)，二者協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)過(guò)電壓抑制以及單相接地故障處置等功能，電阻器的阻值根據(jù)電網(wǎng)的實(shí)際情況按照一定的策略進(jìn)行選擇，電阻的投切及信號(hào)的選擇靠控制器配合工作。能夠?qū)崿F(xiàn)電力電纜線路容性電流的消除又能實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)性故障的自動(dòng)選擇和投切工作，此類中性點(diǎn)運(yùn)行方式能夠?qū)崿F(xiàn)中性接點(diǎn)接地方式的靈活轉(zhuǎn)換，保證線路安全運(yùn)行的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)。

3 改進(jìn)的中性點(diǎn)接地方運(yùn)行原理及方案

3.1 單相接地故障的處置能力

圖2為改進(jìn)的中性點(diǎn)在系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)接地原理簡(jiǎn)化圖。

圖2 改進(jìn)的中性點(diǎn)在系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)接地原理簡(jiǎn)化圖

其中，C∑為全網(wǎng)的對(duì)地等效電容，L為消弧線圈電感，Rb為中性點(diǎn)接地電阻器，Rg為接地點(diǎn)過(guò)渡電阻，EA為電網(wǎng)A相等值電勢(shì)。

電網(wǎng)中性點(diǎn)接入電阻Rb后，零序電壓Uo降低，其表達(dá)式為：

由于采用改進(jìn)的中性點(diǎn)接地方式，系統(tǒng)中短路電路無(wú)功分量相比傳統(tǒng)的接地方式要小得多，由于改進(jìn)的中性點(diǎn)中存在電阻的原因，導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生接地時(shí)存在相當(dāng)大的一部分有功分量，因此接地點(diǎn)故障電流的表達(dá)式為：

L1為非故障線路，則其線路的零序電流表達(dá)式為：

在電網(wǎng)單相接地故障的情況下，由于中性點(diǎn)存在電阻，因此等效電路中存在有功分量，則對(duì)于故障線路Ln其零序電流的表達(dá)式為：

圖3為改進(jìn)的中性點(diǎn)接地方式中去除了電阻時(shí)仿真波形圖。

圖3 改進(jìn)的中性點(diǎn)接地方式中去除了電阻時(shí)仿真波形圖

由圖3可以看出，并聯(lián)電阻投入后，系統(tǒng)零序電壓降低，故障線路L1零序電流增加，非故障線路Ln零序電流降低。則可以利用零序有功電流的增量進(jìn)行單相接地故障處置，其改進(jìn)方法簡(jiǎn)單，同時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行方便。

3.2 消弧線圈并電阻接地系統(tǒng)接地保護(hù)

中性點(diǎn)通過(guò)電阻接地時(shí)，可以使系統(tǒng)在發(fā)生短路接地時(shí)，系統(tǒng)中的短路電流減小很多，對(duì)于線路以及設(shè)備都具有相當(dāng)重要的保護(hù)意義，針對(duì)永久性接地故障時(shí)，消弧線圈具有保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性的作用，對(duì)于瞬時(shí)接地故障，由于消弧線圈的作用，系統(tǒng)又能夠很好地得到補(bǔ)償，從而保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。圖4為改進(jìn)的中性點(diǎn)在系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)的保護(hù)原理圖。

圖4 改進(jìn)的中性點(diǎn)在系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)的保護(hù)原理圖

4 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈并聯(lián)電阻接地方式成效對(duì)比分析

采用消弧線圈并聯(lián)小電阻的接地方式，下表為10kV系統(tǒng)消弧線圈并電阻接地系統(tǒng)與其他類似產(chǎn)品性能對(duì)比。

表 10k V系統(tǒng)消弧線圈并電阻接地系統(tǒng)與其他類似產(chǎn)品性能對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

中性點(diǎn)經(jīng)改進(jìn)的方式運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)線路的自動(dòng)調(diào)諧，配以中性點(diǎn)并聯(lián)電阻，可實(shí)現(xiàn)消弧線圈補(bǔ)償系統(tǒng)中容性電流和中性點(diǎn)電阻釋放線路殘余電荷的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)抑制系統(tǒng)的暫態(tài)過(guò)電壓，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的單相接地故障處理的功能。

針對(duì)瞬時(shí)性故障，不投入小電阻，消弧線圈能夠?qū)崿F(xiàn)補(bǔ)償殘流從而達(dá)到消弧的目的，保證供電可靠性；針對(duì)間歇性接地故障和永久性故障，投入小電阻，增大故障殘流，快速切除故障，保證供電安全性。

對(duì)于電網(wǎng)電容電流大于10A的系統(tǒng)，采用改進(jìn)的中性點(diǎn)運(yùn)行方式可以實(shí)現(xiàn)電容電流自動(dòng)補(bǔ)償、過(guò)電壓抑制、單相接地故障選線、故障區(qū)段定位及隔離功能。

消弧線圈并電阻接地系統(tǒng)技術(shù)逐步趨于成熟和穩(wěn)定，相信在未來(lái)的10kV系統(tǒng)自動(dòng)化建設(shè)中會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用，也會(huì)在今后10kV自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行以及升級(jí)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。