北京大興新城地區10kV配電網中性點接地方式的選擇和系統改造方法研究

高成友 崔浩 李根

【摘要】 大興新城經濟社會快速發展，10kV配電電纜網供電容量的提高和供電范圍的擴大是其必然趨勢。中性點經消弧線圈接地及經小電阻接地是10kV配電網常見的兩種接地方式，在實際運行中各有利弊。通過對大興新城10kV配電網規劃方向和目標的研究，以及對現狀10kV配電網中性點經消弧線圈接地系統在使用過程中出現的各類問題進行分析，本文認為在大興新城地區采用10kV配電網經小電阻接地系統的優勢更為明顯，符合電網未來發展方向。中性點接地方式改造是一項系統工程，本文給出了大興新城中性點經小電阻接地改造設備安裝及保護配置的建議，同時對改造過程中可能出現的各類問題進行了初步的分析。

【關鍵詞】 10kV配電網 接地方式 小電阻接地

引言：隨著大興新城城市建設和供電服務水平的快速提升，新城地區新建10 kV配電網主要采用電纜敷設方式供電；同時新城地區部分原有架空線路也隨道路建設實施入地工程。電纜線路的大量出現，在提高線路輸送容量及供電可靠性的同時，也導致系統對地電容電流迅速增加。大興新城地區現有110kV變電站10kV側均采用中性點經消弧線圈接地方式，需要較大的消弧線圈補償容量以滿足系統安全運行需要。由于10kV配電網在運行過程中存在負荷變化大，故障停電次數多，操作頻繁等問題，消弧線圈分接頭及時調整有困難，容易出現諧振過電壓等現象，從而影響電氣設備安全運行。為滿足地區電網快速發展需求，考慮到電力規劃建設的超前性和經濟性，對大興新城地區開展10kV中性點接地方式研究，選擇符合實際需要的接地方式并推進電網改造，具有重要的理論與實用意義。

一、配電網中性點接地方式及其特點

目前10kV配電網中性點接地方式主要有兩種：經消弧線圈接地和經小電阻接地[3]。關于這兩種中性點接地方式的運行特點，國內外已經有大量的研究結果和運行經驗[4-8]：

1.1中性點經消弧線圈接地

消弧線圈是一個裝設于配電網中性點的可調電感線圈，當電網發生單相接地故障時，可以提供感性電流，用來補償單相接地的容性電流。采用中性點經消弧線圈接地方式，在系統發生單相接地時，利用消弧線圈的電感電流對接地電容電流進行補償，使流過接地點的電流減小（10A以下）到能自行熄弧范圍，因接地電流電容電流得到補償，單相接地故障并不發展為相間故障。按規程規定中性點經消弧線圈接地系統可帶單相接地故障運行2h，因此可有效提高配電網供電可靠性，但消弧線圈接地系統有如下缺點：

（1）電網電容和消弧線圈電感電流在高頻下的特性是完全不同的，難以互相補償；系統諧波電流難以補償；經消弧線圈接地系統所有電氣設備的絕緣均按線電壓考慮，從設備制造方面來考慮，它的投資相對較大。

（2）接地線路和非接地線路流過的零序電流方向相同，故零序過流、零序方向保護無法檢測出已接地的故障線路，從而造成故障點查找時間較長，對人口密集的供電區而言，結果會非常嚴重。

（3）一般來說，消弧線圈補償起始電流較大，不能滿足變電站初期投入消弧線圈的要求，當變電站帶滿負荷后，系統電容電流較大，消弧線圈的補償電流又不夠，難以同時兼顧工程初期和工程終期的需要。

1.2中性點經小電阻接地

中性點經小電阻接地即是在中性點與大地之間接入較小的電阻，該電阻與系統對地電容構成并聯回路，可有效防止諧振過電壓和間歇性電弧接地過電壓。在系統發生單相接地故障時，零序電流保護裝置可迅速、可靠地切斷故障線路，限制了單相故障向二、三相發展的可能。另外，小電阻接地裝置還具有運行可靠、操作簡單的優點。

對于城市中心變電站采用小電阻接地方式，它的優越性還體現在以下幾個方面：

（1）經小電阻接地這種接地方式可以降低弧光接地過電壓倍數，破壞諧振過電壓發生的條件。發生單相接地故障時，可以準確迅速地判斷出故障線路，并在很短的時間內切除，使設備耐受過電壓的時間大幅度縮短，為系統設備降低絕緣水平創造有利條件，使系統運行可靠性增加。

（2）中性點經小電阻接地配網系統，當中性點電阻阻值不是很大時，接地電弧熄弧后，零序殘荷將通過中性點電阻提供的通路泄放，當發生下一次燃弧時，其過電壓幅值和從正常運行情況發生單相接地故障時的情況相同，并不會象中性點不接地或經消弧線圈接地系統，由于多次燃弧、熄弧而使過電壓幅值升高，從而造成10kV系統瓦解。

（3）對于消弧線圈接地方式，當發生單相接地故障時，目前是采用選線裝置來尋找故障線路，這種方式很不準確，而且易引發其它故障（如相間故障）；采用人工巡檢手動點掉再重合，逐路拉試，影響供電可靠性。采用小電阻接地后，可以自動巡檢通過繼電保護及時將故障線路跳開，切除故障，保持系統正常運行。

二、大興新城基本情況及電網發展規劃

2.1大興新城的發展定位

大興新城位于大興中北部地區，規劃用地規模約163平方千米，其中規劃建設用地面積約為6500公頃。大興新城基本包含了地區未來重點發展的行政中心、居住集散地、產業用地以及備用發展地。根據大興新城規劃，未來將在大興新城范圍內構建“一心六片三組團”的城市空間結構，是地區政治經濟社會發展核心地區，也是首都南部發展極點地區。

2.2大興新城電網規劃

大興新城現有110kV變電站10kV出線主要有電纜和架空兩種，10kV中性點均采用經消弧線圈接地方式。10kV電纜網主要采用雙射式結構，還有少數單射式結構；架空網主要是多分段部分聯絡的結構。

根據規劃，大興新城地區新建110kV變電站終期均安裝3臺主變壓器，每臺變壓器容量均為50MVA，110kV主接線采用3電源進線擴大橋接線，可滿足一路電源進線或一臺主變故障時的N-1要求，即使在N-2情況下也可滿足部分重要用戶供電[1]，10kV采用6分段環形接線，每段母線有7回出線。

根據區域重要性和電網規劃網架結構特點，大興新城被定為B類供電區域[2]。為保證新城地區供電可靠性，地區新建10kV中壓配電網推薦使用電纜線路，網架結構采用雙環網或單環網接線方式[2]。

三、大興新城地區10kV配電網中性點接地方式的選擇3.1 現狀10kV配電網中性點接地方式及運行經驗

目前，大興新城內110kV變電站10kV側均采用消弧線圈接地方式，均為自動調諧型。消弧線圈接地系統在運行中暴露出來的問題主要如下：

（1）隨著新城10kV電纜線路長度的增加，系統的容性電流迅速增加，部分變電站存在著消弧線圈補償容量不足、甚至欠補償的問題。

從表1中可以看出，新城內的變電站10kV母線容性電流已經接近、達到甚至超過了消弧線圈所能補償的最大感性電流。為使消弧線圈能夠實現過補償并具有一定的調節裕度，需要繼續增大接地變壓器和消弧線圈的容量，然而，繼續增加消弧線圈的容量已經十分困難。

（2）由于控制系統故障造成調檔失敗，有的裝置在發生故障后不能在短時間內排除，只好運行在手動模式，失去了自動調諧的優勢。

（3）在發生單相接地故障后，由于控制系統未及時將串接阻尼電阻短接，造成熔斷器熔斷；待系統恢復正常后，又因為阻尼電阻無法自動投入運行，引起中性點位移電壓偏移嚴重，系統誤發接地信號。

3.2地區配電網網中性點接地方式的選擇

（1）采用消弧線圈接地方式。考慮到大興新城地區未來10kV線路將全部采用電纜敷設方式，且目標網架為雙環網或單環網[A2]，電網發展后期每段10kV母線容性電流均達到200A以上，需要配置1200kVA以上容量的消弧線圈，這將極大提高變電站建設成本，也為站內設備布置帶來麻煩；同時，消弧線圈在電纜網系統中的使用，更為設備及人身安全帶來隱患。

（2）采用小電阻接地方式。對于中壓配電網中性點經消弧線圈接地系統，當單相接地故障電流達到100A時，宜采用經低電阻接地方式[9]。鑒于大興地區電網現狀及未來電網規劃定為，綜合考慮北京城區變電站已經采用小電阻接地方式運行多年，積累了豐富的運行經驗，本文建議在大興新城地區逐步實施110kV變電站10kV中性點經小電阻接地系統改造工作。

四、系統改造設備安裝及保護配置

4.1小電阻接地設備安裝及其位置

由于大興新城地區110kV變電站均采用變壓器Yn，d11接法，10kV側沒有中性點引出，因此必須配備接地變壓器。接地變壓器的功能是為中性點不接地系統引出一個中性點。通常接地變壓器為曲折形繞組聯結法的Z型變壓器，在中性點處引出中性點套管，加裝接地電阻或消弧線圈，其聯結圖如下所示：

在采用小電阻接地方式的電網中，當發生單相接地故障時，通過接地電阻器的故障電流一般在 100A～2000A 之間，接地電阻器的阻值由電網電壓等級和設定的故障電流決定，阻值一般小于 20接，由特定形狀的電阻片單元通過串、并聯方式組合而成，以滿足電網的要求。

4.2 變電站內一次設備及保護配置

原有站內消弧線圈控制柜掛所內變共用一個開關柜，在進行小電阻接地系統改造時，需要將小電阻接地系統控制柜與所內變控制柜進行分離（根據站內實際情況采取增加開關柜或者將10kV饋線柜改造的形式），同時安裝方式需要進行適當調整。

10kV系統中性點經低電阻接地后，保護配置原則如下：4.2.1接地變安裝于10kV分支處

接地變安裝于10kV分支處，且必須滿足以下條件：

（1）主變高壓側為單母線分段或線路變壓器組接線形式，具有高壓側主開關；（2）主變為二卷變壓器；（3）接地變無二次線圈，或二次引出線短路時不會引起主變差動誤動；（4）10kV系統發生主變差動范圍之外的接地故障時，差動保護中的不平衡電流不足以使差動保護誤動掉閘。

在滿足以上條件時，保護配置可按以下原則配置：

（1）接地變CT不接入主變差動回路；（2）配置三相兩段式定時限相間過電流保護，接地變保護動作于變壓器總出口；（3）配置三段式定時限零序過流保護，采用專用零序CT。一段跳本變壓器相鄰分段；二段跳變壓器10kV主斷路器，并閉鎖相鄰分段自投（不考慮主變差動范圍內接地故障造成二段動作后閉鎖自投引起的母線停電）；三段跳變壓器總出口。

4.2.2接地變安裝于10kV母線處

接地變安裝于10kV母線處，對于110kV側為橋形接線時，為不擴大故障范圍，適用接地變安裝在10kV母線處，其它接線形接地變亦可安裝于10kV母線處，但對于單母線分段而言，安裝于10kV母線處則不夠經濟。保護配置原則如下：（1）配置三相兩段式定時限相間過電流保護（2）接地變接于10kV母線時，接地變三相兩段式定時限相間過電流保護動作于對應母線的變壓器總出口；（3）接地變接于10kV母線時，應配置兩段式零序電流保護：一段跳相鄰分段；二段跳變壓器10kV主斷路器，并閉鎖相鄰分段自投。

4.3 10kV饋線設備及保護配置

對10kV饋線柜，每臺需要增加一只零序CT，10kV電容柜分別增加兩只零序CT，10kV所內變柜各增加一只零序CT，同時將其零序電流接入該站原有保護裝置。

10kV饋線全部采用外附零序電流互感器。

10kV饋線配置零序時限速斷和零序過流保護裝置，采用微機型保護裝置的變電站，加裝外附零序回路，投入微機零序時限速斷和零序過流保護。

新建和改造變電站的10kV系統，應配置二相CT和外附零序CT，并采用零序實現速斷和零序過流保護的微機型保護裝置。

4.4開閉站、配電室設備及保護配置

對每臺進線柜、饋線柜需增加一只零序CT，若柜內原來已有零序CT，但CT廠家不屬于電力公司框架內廠家，或者CT沒有通過測試，則酌情增加所需更換零序CT數量。

如果開閉站（配電室）現狀保護裝置為微機型保護，則原10kV進線保護裝置繼續使用，10kV進線小電流接地選線功能改為零序電流保護并閉鎖10kV分段自投；原10kV出線保護裝置繼續使用，10kV出線小電流接地選線功能改為零序電流保護，保護動作于跳開本柜斷路器；同時原來保護裝置軟件版本隨本工程升級為最新版本。如果開閉站（配電室）現狀保護為電磁型保護，則將其更改為微機型保護裝置，進線及饋線設置零序保護即可。

五、改造過程中需要注意的問題

由于中性點接地方式的改變涉及的問題較多，需要從電網規劃階段全面考慮各種因素，科學規劃，循序漸進，為大興地區10kV配電網中性點改造及電網可靠運行創造有利條件[10-14]。（1）明確供電區域。在新城地區采用小電阻接地系統后，大興電網將面臨消弧線圈接地和小電阻接地系統并存的情況，需要對采用小電阻接地系統的變電站及其供電區域進行研究，明確兩種系統的分界面和交叉點。（2）配電設備提前規劃。由于負荷需求的快速增長及變電站建設的滯后，地區內存在許多跨供電區域供電的情況，在明確小電阻接地的供電區域后，應對在此區域內的配電設施提前進行規劃，配置相應零序保護裝置或者預留將未來進行保護改造的空間，在變電站建成后迅速完成負荷導入和供電分區重新劃分工作。（3）負荷接入控制。變電站建成后負荷接入通常包括兩種情況：一種是將其他變電站供電負荷切改至新建站，另一種是為用戶新出線路。為保證經小電阻接地系統的可靠運行，應對負荷接入進行一定的控制。對于切改至新建站的負荷，不可采用架空線路供電；新建配電線路均需采用電纜線路。（4）配電網互聯。為提高10kV配網供電可靠性，通常在110kV變電站間有一條或者多條10kV聯絡線路，在必要的時候一座變電站的負荷可通過相鄰另一座或者多座變電站帶出。由于大興地區目前10kV配網中性點均采用經消弧線圈接地系統，因此在出現小電阻接地方式后，應考慮配電網絡互聯帶來的問題。

六、結論

隨著電纜網供電容量及供電范圍的擴大，大興新城地區現有中性點經消弧線圈接地系統已經不能滿足運行需要。通過對中性點經消弧線圈接地及經小電阻接地系統適用范圍、優缺點的比較，本文建議在大興新城地區選擇小電阻接地方式，并逐步開展系統改造工程，以滿足負荷增長及電網發展需要。為確保中性點接地系統改造工程的順利實施，在改造過程中對設備安裝及保護配置需要遵循一定的標準，同時需要對改造過程中可能出現的問題進行必要的研究和準備。

參 考 文 獻

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