探討中壓配電網中性點接地方式

黃永平

摘要: 城市中壓配電網主要指10 ～60 kV電壓等級的電網, 其中性點通常采用不接地、經消弧線圈接地或經小電阻接地方式。 隨著城網改造的深入發展, 配電網容量迅速增加, 中性點不接地方式的應用將很有限, 而采用經消弧線圈接地或小電阻接地將成為發展的趨勢。本文從實際運行情況, 就中壓配電網中經消弧線圈和經小電阻這兩種接地方式作了進一步的分析, 并對這兩種接地方式作了簡單的優化。

關鍵詞: 中壓配電網中性點接地方式 消弧線圈 小電阻

1 中性點經消弧線圈和經小電阻兩種接地方式的分析

1. 1 經消弧線圈的接地方式

中性點經消弧線圈接地的電力系統, 稱為諧振接地系統或補償系統。消弧線圈是一種鐵心帶有空氣間隙的可調電感線圈, 當系統發生單相接地故障時, 消弧線圈的電感電流補償了電網的接地電容電流, 限制了接地故障電流的破壞作用, 使得殘余電流的接地電弧易于熄滅。 當殘流過零熄滅后, 又能降低故障相恢復電壓的初速度及其幅值, 避免接地電弧的重燃, 并使之徹底熄滅。由于接地故障電流的減小,有效地限制了接地電流和電弧的電動力、熱效應和空氣游離等的破壞作用, 防止或減小了在故障點形成殘留性故障的概率, 使故障點介質絕緣的恢復強度很容易超過故障相電壓而恢復初速度, 從而得以徹底熄滅接地電弧, 補償電網并在瞬間恢復正常工作。現用圖(1) 說明其工作原理。

圖1 消弧線圈工作原理圖(a) 接線圖; (b) 向量圖

通常補償方式如下：

(1) 選擇電抗器的電感L 值, 使IL = IC , 則兩者可相互抵消, 這種工況稱為全補償, 相應的電感L值為

在實際中,不采用式(2) 所示的全補償L 值,而采用比它稍小或稍大的數值,通常以脫諧度v 表示

(2) v > 0 ,表示電感電流小于電容電流, 電力系統為欠補償方式運行。

(3) v < 0 ,表示電感電流大于電容電流, 電力系統為過補償方式運行。

為使電力系統正常運行時的中性點位移電壓不致過高, 應使運行點適當偏離諧振點, 即脫諧度v 的絕對值要足夠大; 但過大會造成殘流過大, 難以熄弧。一般,電纜電力網| v| ≈6 % , 架空電力網| v| ≈20 %。實際運行中多采用過補償。

1. 2 經小電阻的接地方式

中性點經小電阻接地方式, 是在城網供電能力的提高及斷路器持續工作能力加強等條件下采用的。在系統單相接地時, 故障電流一般在100 ～1 000 A之間, 保護裝置可以實時在線監測線路的運行情況, 根據監測到的故障電流, 快速切除配電系統中的接地故障線路。

根據DL/ T620 —1997 中規定:6～35 kV 主要由電纜線路構成的送配電系統, 單相接地故障電流較大時, 可采用小電阻接地方式。城市配電網中由于考慮市容, 以電纜線路居多, 單相接地故障電流很大, 可首先考慮采用中性點經小電阻接地方式, 并加快對少量的架空線路用電纜或絕緣導線替代的改造。但要注意合理選擇和人身安全密切相關的接地電阻值, 以降低故障時的跨步電壓和接觸電壓。中性點經小電阻接地方式接地電阻的選擇, 應考慮對通信線路的干擾以及保證繼電保護裝置能可靠動作等因素。

小電阻接地方式, 電阻值一般小于20 Ω , 與零序保護配合可快速切斷單相接地故障。在電網比較完善的歐美國家, 電網一般配備有多條備用線路, 因而多采用中性點經小電阻接地, 配合快速繼電保護和開關裝置, 瞬間跳開故障線路, 投入備用線路,并不影響電網供電的可靠性。在以架空線路為主的配電網中, 小電阻接地因故障跳閘率較高, 使用受到了限制。但在以電纜為主的配電網中因其故障率極低, 這個問題并不突出, 并且由于使用了絕緣水平低的電纜, 為了降低過電壓水平, 減小相間故障的可能性, 要求采用小電阻接地方式。

2 經消弧線圈和經小電阻兩種接地方式的比較

配電網的運行特點與中性點的運行方式有密切的關系, 不同中性點接地方式的配電網有著不同的運行特性。下面從七個方面對經消弧線圈和經小電阻兩種接地方式的電網運行特點進行比較。

(1) 電網絕緣水平。電網當發生單相接地故障時, 前者非故障線路對地電壓上升為系統的線電壓; 而后者非故障相電壓在線電壓和相電壓之間, 比前者要小。因此, 前者要求電網的絕緣水平高, 后者要求低。

(2) 供電的連續性、可靠性和故障范圍。當電網發生永久性接地故障時, 前者將接地故障電流降低到殘流值后, 對永久性故障實現跳閘檢修, 對瞬時性接地故障能夠自動消除, 或可帶故障運行幾個小時, 這是因為接地電容電流得到補償, 單相接地故障不會發展為相間故障; 后者因為是低電阻接地的電網, 接地點電流較大, 零序保護如動作不及時, 將使接地點及附近的絕緣受到更大的危害, 導致相間故障的發生, 從而使永久性及非永久性的單相接地線路的跳閘次數均明顯增加。

(3) 人身安全。接地故障電流的威脅主要表現在接觸電壓和跨步電壓兩個方面。前者故障后系統可帶故障運行, 且由于消弧線圈的補償作用, 接地點接地電流很小, 其跨步電壓和接觸電壓小, 對人身安全危險小; 小電阻接地方式的電網發生單相接地故障時, 故障電流大, 在故障點和中性點附近形成了危險的跨步電壓和接觸電壓, 對人身安全危險大。

(4) 接地點的數目。前者接地點的數目不受限制, 可在該系統電源側只設置一臺消弧線圈接地來進行集中補償, 也可在負荷側公用變電站的高壓側設置多臺消弧線圈來進行分散補償, 或者兩者均采用; 后者原則上一個配電網中只能有一個接地點, 否則會導致零序電流過大, 進而損壞設備或使保護失去選擇性。

(5) 維修工作量。雖然兩者的維修工作量都不大, 但是,當電網發生瞬時性故障時, 前者通過消弧裝置補償接地電容電流, 在電流過零時電弧熄滅, 消除了電弧并恢復供電; 后者是立即跳閘切除故障線路, 很顯然增加了維修線路的工作量。因此,前者的維修工作量要小得多。

(6) 繼電保護。后者雖然供電可靠性差, 但是零序過電流保護有較好的靈敏度, 實現起來比較簡便, 選線工作容易實現; 前者在發生單相接地故障時故障線路殘流很小, 選線工作的實現比較困難。

(7) 對通信與信號系統的干擾。輸電線路造成的干擾主要通過兩種途徑, 一種是靜電感應,一種是電磁感應。電力系統中發生單相接地故障時, 出現的零序電壓和零序電流是強大的干擾源。 在經消弧線圈接地的小電流接地系統中, 其主要作用的是靜電感應; 在經小電阻接地的大電流接地系統中, 則是電磁感應。靜電感應可以用比較簡單的方法限制, 電磁感應的消除則要困難得多。消弧線圈接地在降低對通信與信號系統的干擾方面的優越性是很明顯的, 因為一旦發生單相接地故障, 感應回路中的電流在其中的分布都是受控制的, 和接地無關。而中性點經小電阻接地對通信與信號系統的干擾而言是一種不利的接地方式。

3 經消弧線圈和經小電阻兩種接地方式的優化

3. 1 經消弧線圈接地技術的優化

中性點經消弧線圈接地, 在架空線路的絕緣水平比較高時, 對提高供電的可靠性、消除接地電弧及其危害的獨特優點是采用小電阻接地不能取代的。當線路發生永久性故障或是電纜線路須采用消弧線圈接地來提高供電的可靠性時, 可以采用自動補償消弧裝置, 但是, 必須對自動補償消弧裝置進行技術完善。

由于經消弧線圈接地系統故障點殘流很小, 無論是接地有功分量法還是五次諧波方法等, 要實現繼電保護的準確動作都比較困難, 在現場中的使用效果都不好。因此, 在自動補償消弧裝置的基礎上加裝準確的小電流選線部分成為關鍵。就選線而言, 如果采用有功電流、諧波電流以及功率方向等群體比相原理以及電流信號注入法, 那么選線的成功率將大大提高。另外, 在自動補償消弧裝置串接一個負阻特性的非線性電阻也是一個不錯的方法, 首先, 它可以在電網正常運行時起阻尼作用, 限制電網的諧振過電壓; 其次, 在電網發生單相接地故障時, 將在故障電流中產生較大的有功分量, 這樣, 自動補償消弧裝置的選線工作實現起來相對容易些。

3. 2 經小電阻接地技術的優化

中性點經小電阻接地電網在發生永久性或瞬時性故障時, 都可立即跳閘切除故障線路。正是這種運行特點, 決定了它在架空線路或是供電可靠性要求比較高的電纜線路里面應用的局限性。 如前所述,架空線路絕大部分的故障都屬于瞬時性的, 采用傳統的小電阻接地方式會大大降低供電的可靠性。

自動重合閘在小電阻接地系統中的應用, 直接的效果是在系統發生故障時, 立即切除故障線路, 再進行重合。當發生永久性故障時, 在經過預先設定的重合次數后, 如果重合器重合失敗,那么與傳統的小電阻接地保護裝置效果一樣, 切除故障線路。反之, 如果是瞬時性的單相接地故障, 通過重合器的重合成功, 那么也可以大大提高供電的可靠性。

4 結 論

配電網接地方式是一個涉及面非常廣的綜合性問題。從技術角度看, 配電網中性點接地方式與整個電力系統的供電可靠性、人身安全、設備安全、絕緣水平、繼電保護以及通訊干擾和接地裝置等技術問題有密切的關系。從經濟角度看, 配電網中性點接地方式的選擇必須與整個系統發展的現狀和發展規劃進行經濟比較。

本文通過對配電網中性點經消弧線圈和小電阻兩種接地方式進行比較, 得出了中性點接地方式的定性分析方法。

(1) 在電纜化率極高的配電網中應優先考慮小電阻接地方式, 而對于實際電網中大量存在的混合系統仍應該采用消弧線圈接地方式。

(2) 在小電阻接地技術與自動重合閘的配合及消弧線圈與精確的選線技術配合后, 不論是架空線路還是電纜多的線路, 兩種方式都可以采用, 根據實際運行情況的需要。

(3) 在經濟條件容許的情況下, 鑒于消弧線圈接地方式在限制電弧過電壓和鐵磁諧振過電壓以及供電可靠性方面優點突出, 配電網中性點采用新型的自動跟蹤補償消弧線圈比小電阻接地方式更具有優越性。

參考文獻:

〔1〕藍毓俊 現代城市電網規劃設計與建設改造〔M〕北京:中國電力出版社

〔2〕劉明巖 配電網中性點接地方式的選擇〔J〕電網技術,2004

〔3〕要煥年 電力系統諧振接地〔M〕北京: 水利電力出版社

（作者單位：東莞市常平供電公司）