20kV配電網中性點經低電阻接地方式及設備的選擇

摘 要：本文對我國低壓配電網中性點的接地方式進行探討，包含中性點不接地的方式、中性點采用消弧線圈接地方式和中性點采用低電阻接地方式，分析和研究了每種方式各自的特點及應用場合；對于配電網電容電流的計算，本文簡化其計算方法，還詳細討論了20kV 配電網中性點采用低電阻接地的電流及接地變壓器的參數選擇問題。最后結合工程實例，為低電阻接地及設備的選擇提供了比較合理的計算方法。

關鍵詞：低壓配電網；電容電流；接地變壓器

0 前言

隨著我國GDP總量的不斷攀升，用電量的需求大大增強，對用戶供電的配電網要求也在提高，配電網的輸送能力亟待增強。相比傳統的10kV配電網，更高電壓等級的配電網優勢明顯。在相同導體截面、輸送相同負載功率時，20kV 供電距離是10kV的4倍，能有效地增大線路輸電能力，減少線路上功率的損耗，提高線路的供電半徑。

20kV配電網在我國的運行時間不長、經驗不足，若能對其設計及運行經驗進行總結分析、加以探討，會有利于我國配電網輸送水平的發展。本文對配電網中三種中性點接地方式的特點和范圍進行比較分析，考慮了將配電網電容電流進行簡化計算的方法，重點研究20kV 配電網采用中性點低電阻接地方式下的接地電流大小及接地設備參數的選擇，為低電阻接地設備選擇提供一種比較合理的計算方法。

1 中性點接地的基本方式

目前我國10 kV-35 kV配電網中，中性點基本接地方式有以下3種：中性點采用不接地方式、中性點采用低電阻接地方式和中性點采用消弧線圈接地，每種方式有其各自的應用優勢及適宜場合。

1.1 中性點采用不接地方式

當單相接地故障發生在中性點不接地系統時，該線路的電壓仍對稱，基本不影響用戶的供電，但要求在2小時內盡快切除故障。因為發生單相接地故障時，可能會產生較高的工頻過電壓、電弧接地過電壓，長時間運行會燒毀設備。

10 kV-35 kV配電網中，當單相接地電容電流不超過10A時，應采用中性點不接地方式[5]。

1.2 中性點采用消弧線圈接地

當單相接地故障發生在中性點經消弧線圈接地的配電網時，系統中的容性接地電流會與消弧線圈產生的感性電流相消，大大減小了單相接地故障電流，可有效避免接地電弧的出現。在發生單相接地故障情況下，允許工作2小時，使得配電網供電有更高的可靠性；但單相接地保護裝置動作情況復雜，尋找故障點較難，由單相接地故障引起的工頻過電壓對設備的絕緣水平要求較高。

10 kV、20kV配電網中，當單相接地電容電流可能出現大于10A的情況時，小于100-150A時；35kV配電網，當單相接地電容電流超過10A，小于100A時；宜采用中性點采用消弧線圈接地[5]。

1.3 中性點采用低電阻接地

中性點經低電阻接地方式，可以有效地消除各種PT諧振過電壓、限制工頻過電壓和接地故障電弧過電壓。發生單相接地故障時，健全相電壓變化較小，其對設備絕緣等級要求相對較低，可節約投資；而且零序過流保護能立即動作，可靠地保護線路及設備。但增加了停電次數和停電時間，供電的可靠性有所降低。

10 kV、20kV配電網中，當單相接地電容電流超過100A-150A或為全電纜網時；35 kV配電網，單相接地電容電流超過100A-150A或為全電纜網時，中性點宜采用經低電阻接地方式[5]。

2 電容電流的簡化計算

對配電網中性點接地方式進行選擇時，主要考慮其配電網電容電流的大小。電容電流由下列電氣連接元件產生，包括配電網中的架空線路，配電網中的電纜線路，以及供給該配電網的發電機、變壓器及母線，它們的電容電流可按以下公式計算[4]：

（1）架空線路，電容電流可按式（1）估算。

Ic=（2.7～3.3）Ue·L×10-3 （1）

（2）電纜線路，電容電流可按式（2）估算：

Ic=0.1Ue·L （2）

（3）在變電站增加部分見表1。

3 配電網中性點低電阻接地方式

根據城市規劃和發展，越來越多的配電網需要采用電纜供電方式，電纜的數量大增，使配電網中的電容電流出現過大的現象。為解決該問題，工程中采用了中性點經低電阻接地的運行方式，下面本文將詳細討論這種接地方式的參數選擇問題。

3.1 采用中性點經低電阻接地時的接地電流

目前國內外工程，在配電網經低電阻接地情況下，對于接地電流的大小要求不同，實際選擇設備時范圍的變化較大。

在IEEE143標準中，對于工業設施的配電網而言，當15kV及以下的配電網接地故障發生時，其故障電流應小于400A的電流。在我國有著不同的要求，如在廣州10kV配電網中，要求其零序電流小于400A，而在上海35kV配電網中，要求零序電流小于1kA或2kA。

在不同的國家，情況各異。美國的配電網主要由中性點經低電阻接地方式構成，單相接地電流控制在500A左右，或者1000A左右。

在我國，不同的規范或規定要求也不一致。國家標準GB50613-2010《城市配電網規劃設計規范》中，第5.6條規定：“當單相接地電流超過100A-150A，或為全電纜網時，宜采用低電阻接地方式，其接地電阻宜按單相接地電流200A-1000A、接地故障瞬時跳閘方式選擇”；在南方電網主編的電力行業標準DL5449-2012《20 kV配電設計技術規定》中，第3.5條規定：“20 kV配電系統中性點接地方式，當單相接地電容電流超過100A-150A時，可采用低電阻接地方式，接地電流宜控制在500-1000A范圍內”；在國家電網企業標準Q/GDW156- 2006《城市電力網規劃設計導則》中，第4.5條規定：“對于35kV、20kV、10kV電壓等級的中性點經低電阻接地系統，在發生單相接地故障時，20kV、10kV接地電流宜控制在150-500A范圍內。”endprint

從以上給出的國內外經驗和標準來看，針對低電阻接地系統的故障電流的取值，各標準是采用“一般”或“宜”給出取值的上下限，其推薦的取值范圍是不同的，特別是南方電網主編的《20 kV配電設計技術規定》和國家電網的《城市電力網規劃設計導則》中，對20 kV中性點經低電阻接地的接地電流推薦的控制范圍差異很大，其重合部分只有500A。

因此，本文認為，配電網低電阻接地時，應綜合考慮過電壓、繼電保護、通信干擾等方面的問題，在不同的國家和地區，可以有不同的接地電流選擇。

3.2 接地變壓器的設置

由于常規變電站的主變壓器都采用Yd或YNynd聯接組別，10kV或20kV配電網系統一般均無中性點引出，為實現低電阻接地，需要采用接地變壓器。

該變壓器采用了Z型（或稱曲折形）的繞組接法，其中性點可加電阻R或消弧線圈，還可根據需要，設置一個400V的次級繞組，供站用電。

4 工程實例

本文作者設計的東南亞某150 kV/20 kV變電站，其20 kV是向當地原有配電網供電，設計時考慮維持原有配電網設備的絕緣水平，采用了原配電網一樣的接地方式，低電阻接地方式，接地電阻為40Ω，單相接地時保護動作于跳閘。該變電站的主變壓器采用星三角的聯接方式，在20kV側上，沒有中性點引出。因采用中性點經過低電阻接地的方式，該站使用了Z型接線的干式接地變壓器，即在接地變壓器的中性點上將低電阻接入。

4.1 20 kV接地電阻的參數選擇

當選定接地電阻為40Ω時，單相接地時，流過20kV接地變壓器中性點及電阻的接地電流為：

（3）

式中Un為系統電壓，取21kV；R為接地電阻。

接地電阻的額定電壓的計算公式為：

（4）

接地電阻的消耗功率的計算公式為：

Pr=Id×UR≥303×12.73=3857kW （5）

單相接地故障出現在該系統時，保護柜發出保護跳閘信號，為滿足系統可靠性穩定性的相關要求，此時設置接地電流持續時間最多為10 s。

4.2 20 kV接地變壓器的參數選擇

對Z型接線三相接地變壓器，若中性點帶電阻，接地變壓器的容量為：

SN≥Pr （6）

式中Pr為額定容量，僅限接地電阻。

按照《導體和設備選擇設計技術規定》規范條文中的說明：接地變壓器的型式以選擇干式配電變壓器為宜。在確定其容量時，利用接地變壓器的過載能力進行考慮，設置接地保護動作于跳閘時間。當現場的廠家資料缺乏時，采取表2所列數據。

表中所列過載持續時間最少都是5min，沒有10 s時變壓器的過載能力，國內其它的規范和接地變壓器廠家資料中也未標明該參數，如果直接用5min的過載能力來計算，其接地變壓器容量選擇較大，不經濟。

可以參照IEEE-C62.92.3標準，它對過載系數有著明確的規定，即持續容量采取變壓器短時容量，具體換算方式如表3所示。

從表2和表3中的數據對照可看出，IEEE標準的過載能力要求更高。

結合作者實際經驗，需要與國內接地變壓器生產廠家協商，只要訂貨時提出明確要求，廠家是能保證達到IEEE標準的， 即保證10s，10-10.5倍的過載能力。在實際計算時，過載持續時間取10 s，當接地電阻采用40Ω時，其需要接地變壓器的短時容量為：

SN（10 s）≥Pr =3857kVA （公式5的計算值）

折算到接地變壓器的持續容量為：

SN≥386 kVA （按10 s，過載倍數10考慮）

另外考慮了接地變壓器的低壓側帶站用電，低壓側為容量200 kAV，因此計算干式接地變壓器高壓側容量還應包括站用電部分。實際選用的干式接地變壓器的額定容量：高壓側/低壓側為630/200 kAV，電壓：21±2*2.5%/0.4 kV，聯接組別：ZNyn11。該變電站已投運4年，至今運行良好。

5 結論

中壓配電網中性點接地方式的選擇討論由來已久，但目前尚無準確定論。對于三種主要的中性點接地方式，有其各自的應用優勢及適宜場合。本文對配電網的中性點接地方式的選擇上進行了相應探討，重點研究了20kV 配電網中性點采用低電阻接地的電流及接地變壓器的參數選擇問題。

參考文獻：

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[2]汲亞飛，侯義明.20kV配電網中性點接地方式選擇的研究[J].供用電，2008，25（05）：9-12.

[3]孫西驊.城市電網改造和推廣20kV電壓的問題[J].供用電，1996，13（03）：17-19.

[4]西北電力設計院.電力工程電氣設計手冊[S].中國電力出版社，1991.

[5]GB50613-2010，城市配電網規劃設計規范[S].

[6]DL5222-200582，導體和電器選擇設計技術規定[S].

作者簡介：朱玲（1963-），女，高級工程師，電氣工程師，主要從事：發電廠及變電站工程的電氣設計工作。endprint