10 kV 系統(tǒng)配電網(wǎng)的接地方式研究

何春林，張昱

（國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，成都 610000）

0 引言

中性點(diǎn)接地是指將三相交流配電網(wǎng)的中性點(diǎn)和大地之間連接，這有助于提升供電可靠性、絕緣水平、運(yùn)行安全性[1-3]，同時(shí)有助于防止電壓暴露和電氣故障的損害[4-6]。在電力系統(tǒng)研發(fā)和應(yīng)用初期，國(guó)內(nèi)所采用接地方式主要以不接地方式、經(jīng)消弧線圈接地方式為主[7]。隨著城市配電網(wǎng)的快速發(fā)展，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、運(yùn)行方式等逐漸復(fù)雜，消弧線圈的調(diào)整存在很大困難。早在1916 年德國(guó)就開始采用消弧線圈接地方式，法國(guó)10 kV 配電網(wǎng)起初采用低阻抗接地[8-9]，隨后90 年代初開始也逐漸過(guò)渡為消弧線圈接地方式。在英國(guó)電纜線路為主的配電網(wǎng)多采用電阻接地方式，而架空線路為主的配電網(wǎng)則采用消弧線圈接地方式。對(duì)于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)而言，當(dāng)其出現(xiàn)單相接地故障問(wèn)題時(shí)，由于中性點(diǎn)并沒(méi)有正常接地，無(wú)法形成相應(yīng)的回路，此時(shí)，接地點(diǎn)并不會(huì)產(chǎn)生較大的電流。當(dāng)該系統(tǒng)出現(xiàn)單相短路現(xiàn)象時(shí)，故障相電壓立即處于置零狀態(tài)[10-12]。為避免對(duì)舊電力設(shè)備產(chǎn)生擊穿不良影響，延長(zhǎng)電力設(shè)備使用壽命，需要做好絕緣預(yù)防工作。目前，各個(gè)城市大量推廣和應(yīng)用10 kV 配電網(wǎng)，大大提高了10 kV 電源的絕緣性能[13-19]，在這樣的背景下，為滿足電力系統(tǒng)發(fā)展需求，研究對(duì)10 kV配電網(wǎng)接地方式研究顯得尤為重要。

1 配電網(wǎng)中性點(diǎn)各種接地方式比較

1.1 經(jīng)消弧線圈接地方式

電纜的不斷普及和推廣，有效地提高了電力系統(tǒng)擴(kuò)容能力，使得線路電容電流值呈現(xiàn)初段增加的趨勢(shì)。在應(yīng)用中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)時(shí)，一旦出現(xiàn)單相接地故障問(wèn)題，當(dāng)系統(tǒng)電流經(jīng)過(guò)接地點(diǎn)后，會(huì)不斷上升。當(dāng)接地電流達(dá)到10～30 A 時(shí)，會(huì)增加間隙電弧不穩(wěn)定度。當(dāng)接地電流超過(guò)30 A 時(shí)，所產(chǎn)生的電弧表現(xiàn)出一定的穩(wěn)定性[20]，從而形成穩(wěn)定性的電弧接地方式。為確保接地電流降到最低，優(yōu)先選用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式，這是由于該消弧線圈屬于一種典型的補(bǔ)償裝置，通過(guò)對(duì)電力系統(tǒng)消弧線圈進(jìn)行接地處理后，可以形成一種功能強(qiáng)大的諧振接地系統(tǒng)。該系統(tǒng)單相接地示意圖如圖1 所示。

圖1 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)單向接地示意圖Fig.1 Single-direction grounding schematic diagram of the neutral point via arc suppression coil grounding system

1.2 經(jīng)電阻接地方式

結(jié)合中性點(diǎn)接地電阻阻值大小，可以將經(jīng)電阻接地方式劃分為以下3 種，分別是高電阻接地方式、中電阻接地方式、低電阻接地方式[8]，電阻接地阻值及故障電流大小如表1 所示。在選定不同電阻阻值時(shí)，需要結(jié)合相應(yīng)的選取原則，從而將接地過(guò)電壓、單相接地電流值降到最低，以達(dá)到解決通信干擾問(wèn)題的目的[21-22]。

表1 電阻接地阻值及故障電流大小Table 1 Grounding resistance value and fault current magnitude

中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地操作后，會(huì)形成有效接地系統(tǒng)，以達(dá)到降低電弧接地過(guò)電壓值的目的。目前，在構(gòu)建城市10 kV 配電網(wǎng)期間，為保證中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地系統(tǒng)構(gòu)建水平，優(yōu)先選用中性點(diǎn)經(jīng)低電阻接地方式，通過(guò)應(yīng)用該方式，不僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)電弧接地過(guò)電壓值的有效抑制，還能有效地解決系統(tǒng)單向接地故障問(wèn)題[23]，有效地提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。中性點(diǎn)經(jīng)低電阻接地方式應(yīng)用優(yōu)勢(shì)如下：1）提高故障切除效率，有效地降低過(guò)壓電壓值；2）減小電力設(shè)備絕緣老化速度，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，使得電力設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性得以顯著提升，降低安全事故出現(xiàn)概率；3）為選用簡(jiǎn)單化繼電保護(hù)措施提供重要的依據(jù)和參考；4）可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單相接地故障問(wèn)題的快速分析和解決，保證系統(tǒng)維護(hù)的便利性，使得火災(zāi)安全事故出現(xiàn)概率降到最低，從而更好地保障人們的人身安全和財(cái)產(chǎn)安全[24]。因此，中性點(diǎn)經(jīng)低電阻接地方式具有較高的應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用前景，值得被進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。在進(jìn)行10 kV 配電網(wǎng)構(gòu)建中，重視該接地方式的運(yùn)用，為保證配電網(wǎng)的安全性，提高電力系統(tǒng)提供重要的技術(shù)支持。

2 配電網(wǎng)中性點(diǎn)主要接地方式仿真及研究

2.1 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地仿真及研究

2.1.1 原理介紹

對(duì)于小電流接地系統(tǒng)而言，如果出現(xiàn)故障現(xiàn)象，短路電流會(huì)不斷增加，當(dāng)短路電流值超過(guò)所設(shè)置好的固定值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)斷續(xù)電弧問(wèn)題，此時(shí)，需要安裝和應(yīng)用消弧線圈，該消弧線圈在實(shí)際應(yīng)用中，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的感性電流，從而出現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)電容電流的有效補(bǔ)償，經(jīng)補(bǔ)償處理后的系統(tǒng)電流會(huì)變得越來(lái)越低，無(wú)法為電弧運(yùn)行提供電能支持[25]，此時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自行熄滅。

2.1.2 仿真研究

為有效地研究小電流選線裝置應(yīng)用可靠性，本文構(gòu)建Matlab 模型，對(duì)消弧線圈接地系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。在Matlab 模型中，含有電力系統(tǒng)工具箱，該工具箱內(nèi)含有大量的電力系統(tǒng)元件模型。在搭建Simulink 環(huán)境的基礎(chǔ)上，仿真分析電力系統(tǒng)。首先，通過(guò)使用電力系統(tǒng)工具箱，可以為用戶提供兩種常見的數(shù)學(xué)模型，分別是集中參數(shù)型模型和分布參數(shù)模型。但是，由于電力系統(tǒng)內(nèi)部線路相對(duì)較短，可以忽視該線路分布參數(shù)特性，僅僅使用簡(jiǎn)單集中電路，對(duì)線路參數(shù)進(jìn)行表示即可。中性點(diǎn)消防線圈接地系統(tǒng)出現(xiàn)示意圖如圖2 所示。

圖2 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of grounding system through arc suppression coil at the neutral point

從圖2 中可以看出，10 kV 母線含有3 條出線，分別是L1出線、L2出線、L3出線，這3 條出線均屬于典型的電纜出線，而架空線路屬于典型的混合線路，由于10 kV 配電網(wǎng)所用到的線路相對(duì)較短，需將架空線路的長(zhǎng)度設(shè)置為1 km，此時(shí)，將3 條電纜線路長(zhǎng)度依次設(shè)置為2 km、4 km、6 km。

單相金屬如果接地0.05 s 這一時(shí)刻處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，傳輸線路會(huì)出現(xiàn)單相接地故障問(wèn)題。在處理該故障問(wèn)題時(shí)，要獲取和整理零序電壓數(shù)據(jù)，并采用Matlab 模型分析法，獲得如圖3 所示的各線路零序電流波形圖。

圖3 消弧線圈接地系統(tǒng)金屬性接地故障各出線零序電流波形Fig.3 Zero-sequence current waveforms of ground faults with metallic grounding in arc suppression coil grounding system

從圖3 中可以看出，該系統(tǒng)在0.05 s 之前處于正常運(yùn)行狀態(tài)，三相電流相互對(duì)稱，所以，各個(gè)相零序電流均置零。在0.05 s 時(shí)，出線L1會(huì)出現(xiàn)接地故障問(wèn)題，此時(shí)，三相電流無(wú)法呈現(xiàn)出對(duì)稱形態(tài)，系統(tǒng)的零序電流不斷增加，導(dǎo)致出線L1零序電流方向出現(xiàn)改變，此時(shí)，需要尋找新的選線方式，不斷地提高選線的精確度。

2.2 中性點(diǎn)經(jīng)低電阻接地仿真分析

2.2.1 原理介紹

在電力系統(tǒng)中，一旦中性點(diǎn)經(jīng)過(guò)電阻接地處理后，可以快速地分析和解決單相接地故障問(wèn)題，使得電弧電流值降到最低，從而提高電弧的熄滅速度，進(jìn)而達(dá)到降低過(guò)電壓的目的[26-35]。

2.2.2 仿真分析

不同接地電阻值設(shè)置，會(huì)促使故障電流始終保持恒定值，促使電力系統(tǒng)正常執(zhí)行繼電保護(hù)動(dòng)作，接下來(lái)，以10 kV 變電站為案例，分析接地電阻不同阻值。不同故障點(diǎn)電阻試驗(yàn)表如表2 所示，從表2 中的數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)接地電阻不斷增加時(shí)，健全相電壓、中性點(diǎn)電壓等參數(shù)呈現(xiàn)出不斷減小的趨勢(shì)。假設(shè)在危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)，將故障點(diǎn)接地電阻設(shè)置為0.5 Ω。

表2 不同故障點(diǎn)電阻試驗(yàn)表Table 2 Resistance test table for different fault points

不同接地電阻分析表如表3 所示，從表3 中的數(shù)據(jù)可以得出以下幾個(gè)結(jié)論：1）當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)單相接地故障問(wèn)題時(shí)，線路過(guò)電壓會(huì)隨著電阻值的不斷增加而呈現(xiàn)出不斷增加的趨勢(shì)；2）當(dāng)出現(xiàn)單相接地故障現(xiàn)象時(shí)，接地點(diǎn)故障電流會(huì)隨著接地點(diǎn)的電阻的不斷升高而呈現(xiàn)出不斷降低的趨勢(shì)，當(dāng)接地點(diǎn)故障電流不斷增加時(shí)，零序電流保護(hù)會(huì)表現(xiàn)出較高的靈敏度，同時(shí)，其保護(hù)正確動(dòng)作率會(huì)呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢(shì)。所以，當(dāng)接地故障低于0.7 kA 時(shí)，增加接地故障電流值，降低電阻阻值，有利于解決單相接地故障問(wèn)題?？傊瑸榻档投搪冯娏髦?，解決通信干擾問(wèn)題，優(yōu)先選用小電阻值。

表3 不同接地電阻分析表Table 3 Analysis table of various grounding resistances

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在電力系統(tǒng)10 kV 配電網(wǎng)中，一旦中性點(diǎn)接地方式選擇不當(dāng)，會(huì)對(duì)電網(wǎng)調(diào)度、變電等各個(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)生不良影響，同時(shí)，還會(huì)直接影響配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低供電的連續(xù)性和穩(wěn)定性，因此，在考慮技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)可行性的基礎(chǔ)上，選出合適的接地方式，從而起到保護(hù)繼電，提高供電質(zhì)量的作用。