中壓配電網中性點接地方式研究

文/浙江嘉興電力局 王春林

0 前言

近年來，我國城鄉(xiāng)中壓配電網發(fā)展迅速，不僅需要延伸原有配電網絡，使其負荷更高，結構更加龐大復雜，對過于老化的電網線路系統(tǒng)還需要適當的改造更新。在此過程中，中性點接地方式的選擇不可避免。從50年代開始，我國大部分城區(qū)中壓電網（3kv～35kv不等）的中性點接地都是沿用前蘇聯(lián)的手動消弧線圈接地方式，也有局部地區(qū)因地制宜，發(fā)展出了小電流或者低電阻接地方式等。在80年代左右，由于認識不足，我國部分地區(qū)大批進口了國外的一批低絕緣水平的電網配套設施，為與當地電網負荷和過電壓水平相適應，摒棄了消弧線圈接地方式，轉而掀起了以低電阻接地為主的風潮[1]。而電網中性點接地的根本出發(fā)點是為了維持電網供電水平的穩(wěn)定性和人身安全，其方式的選擇，往往涉及到很多因素，諸如電網負荷水平、當地電網多發(fā)故障方式和頻率、配套設施絕壓水平等等。因而接中性點地方式的選擇需要因地制宜，多因素共同權衡。本文將在系統(tǒng)介紹小電流、低電阻和自跟蹤補償消弧線圈這三種主要接地方式的基礎上，結合實際應用案例，對比分析其各自適用范圍，為行業(yè)發(fā)展提供借鑒參考。

1 小電流接地

所謂的小電流接地，是指線路各相不接地或者經過消弧線圈和高阻抗接地。當發(fā)生單相故障接地時，以該方式中性點接地的回路中不能形成短路，故障相電流遠小于正常負荷電流，因此稱其為小電流接地。

一般而言，這種接地方式僅僅適用于6～10kV的小負荷系統(tǒng)、主要由架空線構成的相對簡單的電網以及運行方式基本不變的電網等。發(fā)生單相接地故障時，斷點與地面之間電阻非常大，沒有接地點以形成短路回路，因此故障相電流很小，其相電壓降為零。但非故障相電壓升高數倍，使得三相之間的線電壓維持對稱，以確保供電負荷的穩(wěn)定。因此該種方式下的電網可在故障狀態(tài)下短時間運行，這是該中性點接地方式的最主要的優(yōu)點之一，也就是對系統(tǒng)的正常運行影響程度是各接地方式中最小的。但由于非故障相的過電壓對整個系統(tǒng)的低絕緣設備的正常運行帶來威脅，經驗數據是不宜超過故障運行2個小時以上。尤其是一旦接地觸點發(fā)生弧光放電，進而很可能會產生諧振過電壓，對整個系統(tǒng)都將產生不利影響[2]。為確保供電系統(tǒng)穩(wěn)定和安全，實際應用的6～10kv電網的小電流接地系統(tǒng)都是帶有絕緣檢測系統(tǒng)的，當發(fā)生單相接地故障時，該系統(tǒng)會立刻予以指示警告，且可以通過地相電壓指示器來判斷是故障類型是穩(wěn)定接地還是間歇接地。根據該系統(tǒng)所發(fā)出的判斷指令及時排除故障，以避免單相接地故障衍生為相間故障，以至于影響整個電網系統(tǒng)的供電質量。

2 低電阻接地

中性點經低電阻接地，結構十分簡單，以大約10歐姆左右的電阻連接中性點和大地，該電阻材料從熱阻穩(wěn)定性較好的鑄鐵到不銹鋼不等。相比小電流接地方式，當發(fā)生單相故障時，可以形成短路回路，因此低電阻接地可以有效的抑制非故障相的過電壓、發(fā)生弧光放電時的接地過載，能有效避免單相故障發(fā)展成為相間故障，甚至能有效消除諧振過電壓。是一種低成本、結構簡單并能有效抑制過載的接地方式[3,4]。

具體阻值的計算都有成熟的理論公式，但這并不意味著低電阻接地的普適性。低電阻方式能有效抑制過電壓的前提是故障接觸電流要大于配電網自身的電容電流，使得短路點為接觸點，避免大電流流經接地電阻才能達到抑制過載電壓的目的。從這個角度分析，以架空線為主要線路的中壓網是不適合采用該種接地方式的，會由于電流過載而引起跳閘，進而影響線路工作的穩(wěn)定性和安全性。而對于以電纜線為主的電網而言，其電容電流一般在150A左右，而其單相故障電流在500A以上，因而電纜配電網是比較適合采用低電阻接地方式的。同時，電阻材料的選取至關重要，一般而言，隨溫度升高，材料阻值也會升高，當單相故障時間較長時，電阻材料由于過熱而導致其阻值大幅上升，會造成十分危險的高阻接地故障，此時容易形成跨步電壓等人身安全隱患。因而，電阻材料選材及其熱阻特性研究也值得關注。

3 自跟蹤補償消弧線圈接地

小電流和低電阻是中性點與大地間連接阻值的兩個極端，小電流相當于斷路，而小電阻相當于短路，因而這兩種接地方式都有著嚴格的適用范圍，只能應用于給定特點的配電網絡中。隨著配電網絡的迅速拓展，線路負荷越來越多變，且客戶對供電質量的要求越來越高，傳統(tǒng)的值適合于單一模式下的中性點接地方式就很難適應發(fā)展要求。

而圖1所示的自跟蹤帶補償消弧線圈接地系統(tǒng)則是小電流和低電阻接地方式的結合。當系統(tǒng)正常工作時，線圈電抗趨于無窮大，其阻值相當于無接地的小電流模式。當發(fā)生單相接地故障時，該系統(tǒng)可在很短時間內實現自動調節(jié)補償線路功率，以更改消弧線圈電抗，使其相當于利于抑制過載電壓的小電阻接地模式，使接地點殘流的基波無功分量降為零。該系統(tǒng)自動化程度高，相應速度快，對于類似于樹枝摩擦這樣的瞬時短時間接地故障，可以自動通過快速更改線圈電抗值來快速消除其影響，保證供電的連續(xù)性和穩(wěn)定性。當帶有自動選線系統(tǒng)時，當發(fā)生永久性接地故障時，也能選線后跳閘，并保證非故障線相在低過載下正常運行。

在選取設備時，需要兼顧實用性和經濟性，合理的選取消弧線圈容量十分關鍵。一般，可按式1來估算[5]。

圖1 自動跟蹤補償調容式接地消弧線圈功能架構

式1中，左側Q為消弧線圈容量，單位一般為KVA；S為系統(tǒng)容量安全系數，經驗值介于1.25到1.35之間；為系統(tǒng)電容電流，單位為A；UN為系統(tǒng)額定電壓，單位為kV。S值是系統(tǒng)選取的重要變量，其值的選取關系到投資規(guī)模，要因地制宜，根據當地發(fā)展具體情況來定，比如當可預測在未來數年內電網規(guī)模會有較大增長時，可適當選取較大的S值，也就以為著較大的設備投資。但不是S越大越好，過高的容量儲備，會給系統(tǒng)自調節(jié)系統(tǒng)帶來不必要的麻煩。

4 對比分析

以實例來分析各中性點接地方式優(yōu)劣及適用范圍。以上海為例，1932年鋪設了33kV的電纜線路，與架空線并行，由于當時負載較低，接地電容電流較小，因而當時的中性點采用了小電流接地模式，也就是不接地，運行良好。到了1950年時，另外兩條33kV電纜與原有配電網構成環(huán)網，接地電容電流明顯加大，而相應的關聯(lián)設備的抗絕緣能力并隨之升級提高，設備損壞率也明顯提高，因而在兩年之后改為低電阻接地模式，之后設備損毀率明顯降低。而在35kV電網并入之后，采用了人工調節(jié)的消弧線圈接地模式以消除變負荷帶來的問題[6]。

再以貴陽電網采用的自跟蹤補償消弧線圈接地方式為例，該市不同電站的負載不同，因而做了如下對比:系統(tǒng)內三段并行母線，對應三套方案:1、每套母線均有自動跟蹤補償消弧設備；2、其中兩套有自動跟蹤補償設備；3、僅其中一套有該設備。結果表明:方案1最為靈活，但投資也最高，方案3故障率最高。綜合來看，用一套控制系統(tǒng)來統(tǒng)籌多套消弧設備是最理想的選擇[7]。

上述應用實例說明，中壓配電網中性點接地方式的選取取決于綜合因素的影響，與電網結構、負載、運行模式、設備抗絕緣能力等直接相關，每種接地模式都有其適用范圍，選取過程還需要兼顧投資額度，因地制宜。

5 結論

本文結合實例對小電流、低電阻和自跟蹤消弧線圈接地系統(tǒng)這三種電網中性點接地方式的原理和特點進行了概述分析，結論如下:

主要由架空線構成的小負荷電網，在運行工況相對穩(wěn)定的情況下，可采用成本最低的小電流接地方式，但對設備的抗絕緣等級要求較高。小電阻接地方式可有效抑制線路過電壓，以電纜為主的配電網較適合采用這種接地方式，但小電阻接地對瞬態(tài)接地故障的消除能力有限。帶自動選線的自跟蹤自補償消弧線圈接地系統(tǒng)相對完善，是小電阻和小電流兩種方式的有機結合，在參數選取合理的前提下，具有較寬的適用范圍和較好的發(fā)展前景。

[1]戴克銘.配電系統(tǒng)中性點接地方式的分析[J].電網技術,2000,24(10):52-55.

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[3]龐清樂,孫同景,穆健,等.基于神經網絡的中性點經消弧線圈接地系統(tǒng)故障選線方法[J].電網技術,2005,29(24):78-81.

[4]李孟秋,王耀南,王輝,等.小電流接地系統(tǒng)單相接地故障點探測方法的研究[J].中國電機工程學報,2001,21(10):6-9.

[5]周原,趙立進,康鵬,等.貴州省10kv城市配電網中性點接地方式[J].電網技術,2006,30(20):61-65.

[6]趙爽喜.ZBX自動跟蹤補償消弧裝置在35kv系統(tǒng)中的應用[J].電網技術,2001,25(05):68-70.

[7]趙興勇,王紅艷.消弧線圈與低電阻接地方式比較[J].電力學報,2000,15(03):198-201.