10kV配電網中性點接地方式分析

潘 瑩，袁加妍，魏錦萍

（1.國網上海市電力公司市南供電公司，上海 201100；2.國網上海市電力公司電力科學研究院，上海 200437）

我國10kV配電網中性點接地主要采用中性點經消弧線圈接地和經小電阻接地方式兩種。通過分析比較這兩種接地方式的特點，并結合上海市南供電公司的實際情況，運用Matlab軟件建立了以電纜線路為主的10kV配電網系統模型，分別對中性點經小電阻接地和經消弧線圈接地方式下的單相接地故障進行模擬仿真。仿真結果表明，中性點經小電阻接地方式可以有效地抑制配電系統中的弧光接地過電壓以及大部分的鐵磁諧振過電壓，更適應以電纜為主的10kV配電網的需求。

1 兩種中性點接地方式對比

城市配電網多采用環網供電、多電源供電方式，并且以電纜出線為主的電網結構模式會造成電容電流的大幅增加。中性點經消弧線圈接地和經小電阻接地方式的對比見表1。中性點經小電阻接地方式具有以下優點。

1）由于電阻是阻尼元件，可以降低諧振過電壓 消弧線圈是諧振元件，當運行方式發生改變時會造成欠補償引發諧振過電壓。

2）可以降低操作過電壓 電纜線路的接地故障一般為永久性故障，不宜帶故障繼續運行。在發生單相接地故障時，中性點經小電阻接地方式與零序保護相配合，迅速切除故障，對故障線路不進行重合閘，不會引起操作過電壓。

3）可以適應系統電容電流較大范圍的變化在中性點經消弧線圈接地系統中，弧光接地過電壓以及鐵磁諧振過電壓問題始終得不到很好地解決。通過仿真計算和理論分析對中性點經小電阻接地系統中的弧光接地過電壓進行重點研究，同時對鐵磁諧振過電壓進行簡單分析。

表1 10kV配電網中性點接地方式的比較

2 建立10kV配電網系統

國網上海市電力公司市南供電公司所轄的10kV配網區域架空線路總長為1 913.67km，電纜線路總長為6 904.41km，電纜線路占總線路長度的78.3%。由此，本文建立的10kV母線共4條出線，其中一條為架空線路，三條為電纜線路。鑒于市南地區68.0%的主變壓器采用Dyn11接線形式，因此選擇接線形式為Dyn11的變壓器，容量選取為6.3MVA。

10kV配電網系統接線圖如圖1所示。圖1中，10kV側母線采用單母分段接線方式，在正常情況下各母線獨自運行，每臺主變各帶一段母線，互為備用。該系統有1條架空線路，3條電纜線路，以電纜出線為主，架空出線為輔。

圖1 10kV配電網系統接線圖

10kV配電系統的正序阻抗Zs1（包括110／10kV主變阻抗、110kV系統至10kV變電站線路阻抗及主變出口處電抗器阻抗等）可以由母線的三相短路電流Is或者短路容量Ss得到：Zs1＝為系統額定電壓）。對于10 kV配電系統，因回路中各元件的電抗遠大于電阻，所以系統的等值正序阻抗Zs1僅以電抗表示。

《城市電力網規劃設計導則》中規定：對于10kV城網，母線短路電流及短路容量限值分別為16kA和280MVA。不同短路容量Ss（短路電流Is）的10kV系統對應的等值阻抗Zs1如表2所示。

表2 不同短路容量（短路電流）下的系統等值阻抗

10kV配電系統架空線選用185.0mm2鋁絞線，根數／直徑為19／3.5mm；實際鋁截面為182.8mm2；導線直徑為17.5mm；20℃時直流電阻為0.162Ω／km；70℃、80℃、90℃時的載流量分別為366、450、518A。由此計算得到架空出線的線路參數如下：

正序：r1＝0.172 3Ω／km，x1＝0.327 6Ω／km，c1＝0.008uF／km

零序：r0＝0.322 3Ω／km，x0＝1.146 6Ω／km，c0＝0.005uF／km

電纜出線選用YJLV三芯300mm2，電壓等級為6／10kV；標稱截面為300mm2；計算外徑為76mm2；20℃時直流電阻為0.1Ω／km；工作電容為0.47uF／km；空氣環境中載流量為440A，泥土環境中載流量為420A。由此計算得到電纜出線的線路參數如下：

正序：r1＝0.105 0Ω／km，x1＝0.080 0Ω／km，c1＝0.470 0uF／km

零序：r0＝1.050 0Ω／km，x0＝0.320 0Ω／km，c0＝0.409 0uF／km

通過比較架空出線和電纜出線的線路參數可以看到，電纜單位長度的對地電容比架空線大得多。所以以電纜出線為主的城市配電網，系統對地電容電流值的大小很大程度地取決于母線上電纜出線的總長度，而架空出線的影響可以忽略。系統的對地電容電流值IC可以由系統的一相零序容抗XC0計算得到：

市南供電公司的自動調匝式消弧線圈為177臺，而自動調諧式消弧線圈為26臺，分接頭檔數22%為9檔、66%為14檔。電容電流變化范圍較大，自動跟蹤電網電容電流的變化而自動調諧對消弧線圈的動態補償提出了更高要求。

綜上所述，10kV配電網系統可以適當考慮向中性點經小電阻接地方式過渡。

3 Matlab建模仿真

為了得到變壓器中性點的電壓，建立了Matlab計算模型。10kV配電網系統等值電路模型如圖2所示。在Matlab計算中，架空出線和電纜出線都根據具體參數，采用分布參數進行模擬。10kV配電網系統的對地電容電流為56.25A，中性點小電阻取10Ω，L1為6km架空出線，其余L2，L3，L4均為4km電纜出線。假設L2電纜出線的A相發生單相接地故障。

3.1 單相接地故障時的暫態過電壓

假設電纜線路的A相發生單相接地故障，小電阻接地方式下三相電壓波形、中性點電壓波形及接地點電流波形分別如圖3所示。

由圖3可知，小電阻接地對中性點電壓偏移有較好的抑制作用，可以有效地限制弧光接地過電壓。單相接地故障時中性點電壓幅值和電流幅值均不大，非故障相電壓升高小于1.73倍相電壓，接地點電流比較大，便于接地故障選線，可與繼電保護配合迅速切除故障。

3.2 弧光接地過電壓

3.2.1 中性點經小電阻接地方式

以電纜出線為主的10kV城市配電網，由于系統中仍舊有架空出線，當接地故障發生在架空線上時，就可能產生間歇性的弧光接地。在中性點經小電阻接地系統中，仍然可能產生弧光接地過電壓，有必要對其進行進一步的研究。

首先分析在其他條件一定時，接地電弧電流大小對弧光接地過電壓的影響。為此對于確定的配電網系統，在一定的范圍內可改變故障點接地電阻Rf的大小，以此來模擬接地電流大小的改變。計算系統取對地電容電流為56.25A的系統，計算結果見表3，其中Uj表示健全相電壓，Un表示中性點電壓，均使用標幺值表示。由計算結果可以看到，對于確定的系統，其弧光接地過電壓的幅值隨著接地故障電流值的增大而增大，其中架空線末端健全相過電壓值最大。

表3 空載系統出線首端接地，不同接地電流時一次燃弧過電壓的最大值

由表3可知，接地故障電流越大，弧光接地過電壓越高。在這個假設前提下，計算系統接地故障電流最大時的情況，能夠得到弧光接地過電壓理論上的最大值。因而，對空載系統出線首端單相接地（Rf＝0.5Ω），在小電阻范圍內進行弧光接地過電壓（一次燃弧）計算，計算結果見表4，表中電壓均使用標幺值表示。

圖2 10kV配電網系統等值電路模型

圖3 中性點經小電阻（10Ω）接地方式下單相接地故障暫態過電壓電流波形

表4 空載系統出線首端接地，不同中性點小電阻時一次燃弧過電壓的最大值

由表4可知，在確定的系統中，健全相弧光接地過電壓最大值隨著中性點電阻的增大而略有增加，但增幅極小；但是隨著中性點電阻增大，中性點暫態電壓增加比較大。這同樣說明中性點小電阻阻值不能取得太大，盡管其對系統的弧光接地過電壓最大值影響不大。比較表3和表4可以發現，中性點經小電阻接地的系統，弧光接地過電壓的最大值和相同接地情況下系統的暫態過電壓基本相等。

采用小電阻接地方式可以大幅的限制工頻熄弧過電壓（見表5，表中電壓均使用標幺值表示）。這是因為若接地電弧在工頻過零時熄滅，健全相對地電容上的電荷不僅要對故障相對地電容進行充電，還要通過中性點的低電阻進行泄放，在下一次重燃前，電荷已經泄放完，電壓值也就會相應的較低，但由于流過中性點的是電阻電流，不能補償線路的電容電流。

表5 小電阻接地的工頻熄弧仿真計算

中性點經小電阻（10Ω）接地方式下單相接地故障弧光過電壓波形如圖4所示。

3.2.2 中性點經消弧線圈接地方式

對于消弧線圈接地方式，只有在單相接地進入穩態后，消弧線圈才能夠補償線路的對地電容電流，熄弧后系統的儲能將在三相對地電容和消弧線圈電感之間相互轉換，整個系統的電壓并不能降下來。因此，這種系統的過電壓值比較高，但比不接地系統要低，這是因為線路對地電容和消弧線圈的電感和線路電阻構成衰減的振蕩回路故障相的電壓難以上升。

中性點經消弧線圈接地的工頻熄弧仿真計算結果見表6，表中電壓均使用標幺值表示。從表6可以看出，非故障相過電壓最大值為2.87pu。

圖4 中性點經小電阻（10Ω）接地方式下單相接地故障弧光過電壓波形

表6 中性點經消弧線圈接地的工頻熄弧仿真計算結果

中性點經消弧線圈（0.952 8H）接地方式下單相接地故障弧光過電壓波形如圖5所示。

圖5 中性點經消弧線圈（0.952 8H）接地方式下單相接地故障弧光過電壓波形

3.2.3 兩種接地方式比較

由圖4和圖5可知，消弧線圈接地方式的過電壓水平較低。因為對地電容、消弧線圈以及線路的電阻構成了一個衰減振蕩回路，消除了一大部分容性電流，在一定程度上限制了過電壓的上升。采用小電阻接地方式可以大幅地限制工頻熄弧過電壓，減少了對系統絕緣程度的要求，提高了系統運行的可靠性和電氣設備的壽命。

在中性點經小電阻接地的配電網中，由于中性點小電阻的存在，接地電弧熄弧后，零序殘余電荷將通過中性點小電阻提供的回路進行泄漏，從而在發生下一次的燃弧時，過電壓的幅值能夠得到很大衰減，即使發生多次重燃，弧光接地過電壓也不會嚴重升高（與第一次燃弧情況接近），從而很好地抑制了弧光接地過電壓幅值。中性點經小電阻接地系統仍有可能存在弧光接地過電壓，但由于小電阻能有效地釋放殘余電荷，不會因電弧的多次重燃而產生高幅值的弧光接地過電壓，其值與相同條件下單相接地故障時的暫態過電壓大致相等。

4 結語

中性點經消弧線圈接地和小電阻接地方式各有優缺點，但綜合考慮以電纜出線為主的10kV配電網，可以優先考慮中性點經小電阻接地方式。通過Matlab仿真計算表明，在配電網發生單相接地故障時，中性點經小電阻接地方式相對于中性點經消弧線圈接地方式而言，可以有效地限制弧光接地過電壓，保證了10kV配電網運行的安全可靠性。

［1］龔靜.配電網綜合自動化技術［M］.北京：機械工業出版社，2008.

［2］楊澤洲.大連供電公司10kV配電系統接地方式探［J］.東北電力技術，2004（12）：31－33.

［3］劉明巖.配電網中性點接地方式的選擇［J］.電網技術，2004，28（16）：86－89.

［4］張常全，趙裕民.老式消弧線圈存在的問題及改造的必要性［J］.電網技術，2001，25（5）：59－62.

［5］陸國慶，姜新宇，梅中健，等.配電網中性點接地的新途徑［J］.電網技術，2004，28（2）：32－35.

［6］王衛斌，張俊敏，周小波.上海市南10kV電網中性點接地方式分析［J］，華東電力，2007（12）：32－36.