20kV小電阻接地成套裝置的參數選擇

摘 要：在城市電網里面，電纜已經被越來越多的用作輸電線路。這種電網通常有比較大的系統電容電流，又因使用了耐壓標準不高的電纜，不允許單相接地后長時間運行。通過小電阻接地的運用，在系統發生單相接地之后，馬上切除故障線路，不但促使繼電保護裝置能正確地檢測切除故障回路，還讓接地故障時的內部過電壓值變小了。

關鍵詞：20千伏；接地裝置；小電阻；參數選擇

1 經消弧線圈和經小電阻兩種接地方式的比較

主要針對經消弧線圈與經小電阻兩種接地方式的電網運行特征做出對比。在文章中，所有的“前者”都象征著經自動補償消弧線圈接地，所有的“后者”都象征著經小電阻接地。

首先是過電壓水平。發生單相接地故障時，前者繼續運行，非故障相對地電壓升高為線電壓；而后者經過小電阻接地，非故障相電壓處在相電壓與線電壓之間，過電壓比前者小。

其次就是供電的連續性、可靠性和故障范圍。在電網出現了永久性接地故障時，前者把接地故障電流減少至殘流值以后，永久性故障進行了跳閘檢修，瞬時性接地故障可以逐漸地消失，有時可帶故障運行若干小時，其主要由于接地電容電流受到了補償，單相接地故障將變成不了相間故障；后者由于屬于低電阻接地的電網，具有不低的接地點電流，零序保護要是沒有定時的動作，會讓接地點與其周圍的絕緣遭受不同程度的危害，造成相間故障不斷出現，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。

最后就是對通信與信號系統的干擾。在電力系統里面出現單相接地故障的情況下，產生的零序電流與電壓屬于強大的干擾源。在經消弧線圈接地的小電流接地系統中，它屬于靜電感應；在經小電阻接地的大電流接地系統中，其屬于電磁感應。消弧線圈接地能明顯地減少通信與信號系統的干擾，此種優勢非常可觀，要是出現了單相接地故障，感應回路中的電流于里面的分布均受到制約，與接地沒有關聯。而中性點經小電阻接地就通信與信號系統的干擾來說屬于不完美的接地方式。

2 小電阻接地裝置的概念

若20kV系統為中性點不接地系統，當系統出現單相接地故障時，在不發生諧振過電壓的情況下，健全相的電壓將從相電壓升高到線電壓（1.73倍），而且這種運行方式允許持續2小時。但是，這樣的不接地系統的存在是有條件的。那就是只適合于單純由架空線路組成的電網，且其電容電流必須小于10A。問題是隨著電網建設的發展，不可能有單純的架空線路電網存在，而是電纜線路將越來越多，相應的電容電流也遠遠不止10A。當20kV系統發生單相接地故障時，往往因比較大的電容電流而產生諧振過電壓。而諧振過電壓的倍數常常可能達到3倍以上，這就嚴重威脅了設備的安全。所以人們一直在設法降低產生諧振過電壓的條件，從而降低過電壓的倍數，以確保運行設備的安全。簡而言之，20kV系統可以作為中性點不接地系統而存在，但那是要有條件的，而這種條件伴隨著電網的擴大和現代化已不復存在。因此，人們需要尋找一種人工的中性點接地裝置，以降低諧振過電壓對運行設備的危害。

2.1 消弧線圈接地裝置

通常，消弧線圈的作用目標僅是把單相接地電容電流補償到10A以下而已。自動跟蹤補償程度好的設備，當然可以解決問題。但如果補償得不好，系統電容電流仍可能大于10A。而且，靠消弧線圈補償實際上只能起到熄滅電弧（人們通常所說的弧光短路時的電弧）的作用，而不能抑止因弧光短路所引起的過電壓倍數。如果系統瞬時故障較多，那么這種裝置還是不錯的選擇。但如果系統中諧波分量較高的話，消弧線圈裝置就不起作用。因為諧波分量越高，電容電流就越大，甚至可能達到幾百安。電容電流的大小除了和電容量成正比外，還和頻率成正比，在系統的電容一定的條件下，當然其頻率越高，電容電流就越大，而所謂的諧波分量，至少是三次、五次、七次等，那當然頻率很高，所以電容電流就相當大。由于系統中諧波分量的存在，可使電容電流達到幾百安培之多，當出線因單相接地而造成暫態過電壓時，消弧線圈卻是起不到作用的。（因為暫態過電壓屬于高頻電壓，而電感線圈對高頻相當于是開路。）此外，當系統電容電流很大（例如，100A以上到200A）時，消弧線圈很難達到理想的脫諧度而造成諧振的發生。還有，使用消弧線圈之后，相對不接地系統來說，選線更難。

2.2 小電阻接地裝置

這種接地裝置的好處是過電壓程度低，對設備安全有利。但美中不足的是故障電流大。關于小電阻接地裝置的幾個問題如下：

對于過電壓倍數：若Ir=Ic，過電壓倍數為2.6Pu（Pu-最高相電壓的峰值，）

若Ir=2Ic，則過電壓倍數為2.3Pu，

若Ir=4Ic，則過電壓倍數為2.0Pu

結論：流經小電阻的阻性電流越大，過電壓倍數就越低。

對于保護精度：Ir越大，則故障電流就越大，保護的靈敏度越高。

所以，從過電壓倍數和保護精度來看，都希望流經小電阻的阻性電流要大。

3 如何選擇接地變的容量和小電阻接地成套裝置中的電阻值

3.1 如何選擇接地變的容量

若根據計算或統計，系統的電容電流為150A左右，那么為了使過電壓倍數不要大于2倍的Pu值，通常按4倍系統電容電流來確定流經小電阻的阻性電流，即IR=600A，施加在小電阻上的電壓為相電壓，即21/=12kV，則故障時段接地變容量為S=Ir×U=600×12=7200kVA。而按IEC標準，變壓器10s的過負荷倍數為10.5倍（在10s過負荷時間內，繼電保護肯定已動作切除故障了，也就是說，變壓器過負荷時間肯定小于10s），這樣：

接地變的額定容量S=7200/10.5≈690kVA

若按產品系列來選擇，則Sjdb=800kVA

3.2 如何選擇接地電阻

接地電阻值R=U相/Ir=12000V/600A=20Ω

通常我們就選擇為20Ω

因此，若選擇R=40Ω，那么流經小電阻的阻性電流只能是12000/40=300A，若要保證流經小電阻的阻性電流是系統電容電流的4倍，那么，系統電容電流只能是75A，這和設計當初的預設條件是不符的。

4 如何估算系統電容電流

對于20kV電纜線路的電容電流：

式中：Ic-20kV電纜線路的電容電流，（A/km）；S-電纜截面，（mm2）；U線-額定線電壓，（kV）

根據上式可以計算出各種截面的20kV電纜線路的電容電流如下數據所示：

20kV電纜線路的電容電流

電纜截面（mm2） 120 150 185 240 300

電容電流（A/km） 2.25 2.92 3.38 4.1 4.88

對于20kV架空線路的電容電流：

Ic=0.05A/km

可以按照所掌握的線路資料利用上面的數據來估算系統的電容電流，然后再按四倍大小來確定流經小電阻的阻性電流IR。

5 結束語

總之，小電阻接地的運用，不但促使繼電保護裝置能正確地檢測切除故障回路，還讓系統參數得到了優化，讓接地故障時的內部過電壓值變小。于是文章重點就如何選擇接地變的容量和小電阻接地成套裝置中的電阻值，就如何估算系統電容電流進行了研究。

參考文獻

[1]干耀生，唐慶華.城市中壓配網中性點小電阻接地方式分析[J].電力系統及其自動化學報，2013，3.

作者簡介：曹智（1980，4-），男，籍貫：湖北孝感，學歷：本科，職稱：中級工程師，研究方向：變電一次設計。