配電網中性點接地技術研究

王倩瑜（中南電力設計院有限公司 湖北 武漢430071）

配電網中性點接地技術研究

王倩瑜
（中南電力設計院有限公司 湖北 武漢430071）

為了克服中壓配電網現有接地方式存在的缺陷，尋找更為可靠、合理的接地技術，分析了配電網中性點不接地、諧振接地等幾種傳統接地方式的特點，分析了其在單相接地故障情況下的各項電氣參數，并在其基礎上研究了一種新型的中性點柔性接地技術，通過仿真對比分析得出：與傳統接地方式相比，中性點柔性接地技術在抑制故障過電壓、中性點電壓、故障點電流等方面具有明顯優勢，是一種更為可靠的接地方式，并通過仿真算例，分析了柔性接地技術的影響因素。

配電網；中性點；不接地；諧振接地；柔性接地

配電網是整個電力系統中最接近電能分配末端和工業用戶和民用用戶的部分，配電網的安全可靠運行直接關系的用戶的電能品質[1]。由于配電網與用戶臨近的特點，配電網與主網、輸電網或者是骨干網架一樣，需要供電高可靠性。供電可靠要求即使配電網發生接地故障也要盡可能做到不停電，供電安全要求發生故障時不停電也能保證設備、人身的安全和系統運行的穩定[2]。

我國配電網發展迅速，電網規模的加大與結構的變化也給傳統的接地方式帶來了巨大的挑戰，特別是系統對地等效電容電流和暫態過電壓等問題的出現，暴露出了傳統接地方式的不足[3]。當傳統接地方式不能符合電網發展需要時，對其進行研究，解決相關問題就變得尤為重要。當前普遍采用的典型接地方案，主要為中性點不接地與中性點諧振接地，由于其結構和選擇思路不同，決定了各自都有其鮮明的優勢和缺陷[4-5]。

1 傳統接地系統分析

1.1 中性點不接地系統

配電網中性點不接地方式是指配網系統的中性點與大地之間不存在任何電氣連接，此方式在電容電流小于10安培的配網，尤其是在農網或多架空線而少電纜線路的配網當中應用非常廣泛[6]。此種接地方法運行簡單，結構也不復雜，相比其他接地方式來說其資金投入也最少。其結構原理圖如圖1所示（A相接地）。

圖1中性點不接地系統結構原理圖

單相接地發生時，對于不接地系統來說，接地點處接地電流If應為接地點處加單相電勢時三相電容電流之和。即：

其中，C11、C22、C33分別為A、B、C三相對地電容，C12、C23、C13為相間電容。若三相對稱，令C11=C22=C33= C0，此時單相接地電流值為：

這樣的情況下，電容電流數值較小。其數值將不足以引起斷路器動作跳閘。又由于單相接地時非故障相對地電壓數值，在理想情況下，會升至線電壓數值附近，線電壓三角形維持原來的數值，這就決定了不接地系統發生單相接地故障時并不妨礙向用戶的正常電能供應，故而在相關規程中，指出可以繼續帶故障運行一百二十分鐘，保證了較高可靠性[7]。

不接地系統的物理構成簡潔，不需要在中性點之外加裝構件。而且故障電流幅值不大，產生的電磁干擾很小，容易實現持續穩定的電力供應。然而出現間歇電弧的概率很大，將導致接地弧光不能自熄而產生弧光過電壓，弧光接地過電壓水平較高，可能達到相電壓值3.5倍以上，當系統存在絕緣弱點時，可能發生擊穿，對電力系統的安全運行造成巨大影響。此外，發生故障時不接地系統有引發鐵磁諧振的可能，對配電電力網的安全帶來隱患[8]。

1.2 中性點諧振接地系統

中性點諧振接地方式是將一個消弧線圈接入到中性點與大地中間，由于電感線圈對電容電流的補償作用，故障產生的電容電流將能夠得到很好的補償[9]。這種接地方案，能有效降低減少故障點的殘余電流。在弧光接地故障中，可抑制電弧重燃，其結構原理圖如圖2所示（A相接地）。

圖2中性點諧振接地系統結構原理圖

諧振接地系統發生單相故障時，故障點處的故障電流由兩部分疊加而成。分別是消弧線圈提供的感性電流外與整個系統的電容電流。電感電流與電容電流的向量在相位上相差180°，當脫諧度選擇適當時，故障電容電流恰好被補償掉，使得電流過零點時電弧迅速熄滅。這種接地方式能夠有效限制故障相電壓的恢復。因此，有效降低了重新燃弧的可能性。但諧振接地方式故障特征不明顯，在故障點定位方面存在困難，也很難達到繼保裝置靈敏度的需要[10]。

設系統容性電流為IC，電感線圈的感性電流為IL。則系統對容性電流的補償狀態可用如下公式表示：

其中：ν為脫諧度；IC=3ωC0UΦ；IL=；UΦ為系統相電壓。

若IC=IL，則ν=0。這種狀態叫做消全補償狀態，這時故障點殘余電流的數值達到最小。但系統正常運行時，則存在串聯諧振的問題，中性點位移電壓可能達到極高的數值，對系統運行不利。在調諧過程中，應盡量回避出現這種全補償運行方式。

若IC＞IL，則ν＞0。這種狀態叫欠補償狀態。某些特殊情況下比如線路跳閘、斷線，線路的電容電流會比正常值偏小。當變小的電容電流數值接近電感電流時，會使電網處于第一種補償狀態，對電網安全穩定運行不利。因此在實際工程應用上一般不采用這種方式。

若IC＜IL時，ν＜0。這種狀態叫做消弧線圈的過補償。這種方式在傳統配網中使用較多。這種被廣泛采用的補償方式能夠有效限制故障電流的幅值，另一方面也使得故障線路與非故障線路的零序電流與零序電壓的相位關系相近，幅值差別也由于存在這種有效的補償機制而明顯減小，造成了選線的困難[11]。

2 柔性接地技術分析

2.1 柔性接地技術原理

考慮到傳統配電網中性點接地方式都不可避免地存在固有缺陷，在我國部分研究機構已經開始提出和研究中性點柔性接地技術[12]。

中性點柔性接地技術是在傳統接地方式的基礎上，考慮在消弧線圈上串聯或并聯一些電阻，在發生故障時經一定延時投入，以此同時汲取經消弧線圈接地與經電阻接地的優勢，并互相彌補不足之處[13-14]?，F有研究成果表明，中性點柔性接地方式在抑制故障過電壓、提高故障選線準確率等方面都有著一定優勢，同時又可減少線路跳閘率，提高系統的穩定性，具有較高的研究和實用價值[15]。

文中研究的中性點柔性接地的主要原理是在消弧線圈接地系統的基礎上接入并聯電阻，發生單相接地故障后將電阻投入使用，人工地使故障點零序有功電流增大，從而有利于故障選線，同時有利于抑止中性點故障暫態過電壓，充分發揮電阻接地的優點，其結構如圖3（a）所示。單相接地故障發生的時刻，其等值電路如圖3（b）所示（A相接地）。

圖3 中性點柔性接地系統結構原理圖

圖3（b）中，CΣ為電網等效電容；ICΣ

為流經CΣ的電流；L為消弧線圈；I˙L為流經L的電流；Rn為中性點小電阻；I˙Rn為流經Rn的電流；r為接地點過渡電阻；I˙D為流經r的電流；E˙A為系統A相等效電勢。

投入小電阻Rn以后，系統中性點電壓U˙0為：

由式（4）可見，投入小電阻Rn以后，中性點電壓U˙0降低。故障點殘余電流由3部分組成，如式（5）所示：

中性點電壓U0的降低，使故障點的殘余電流中的無功部分減小，有功部分增加，總的零序電流呈增大趨勢。

接地電流成正弦趨勢變化，當其每次經過0值的時刻，會出現一定程度的過電壓。這是因為恢復電壓已經超出介質恢復強度的允許范圍，因而產生了反復的擊穿過程。當消弧線圈帶并聯電阻接入系統后，消弧線圈內的電感電流對于電容電流存在補償作用，單相電容電流被補償，則故障點殘流會有明顯程度地減小；此外，恢復電壓的上升速度會明顯減緩，這樣一來就有利于介質的熄弧。此工作模式下，消弧線圈可以采用全補償的工作方式，因為欠補償方式可能會產生工頻諧振，對系統造成危害。

每相電弧接地過電壓值與電網參數有關，在同樣條件下，若有線間電容，除個別情況外，各相過電壓均值和最大值都有所降低，說明增加線間電容有助于抑制過電壓程度。

2.2 仿真算例

根據圖1、2、3的結構圖，建立典型的10 kV配網仿真模型，中性點分別采用不接地、諧振接地、柔性接地方式（并聯電阻于0.2 s投入）。其中，電壓源采用110 kV理想電源；變壓器變比為110/10.5，采用三角形-星形連接；配電網接有4條線路出線，均為電纜線路，線路參數如表1、表2所示；線路末端為固定負荷；在第4條線路發生單相接地故障（A相接地），故障發生點距離母線2.82 km，故障發生時間為0.1 s，為便于仿真，持續時間為0.15 s。

表1 電纜線路參數

表2 線路長度

10 kV配電網發生單相接地故障，當中性點采用不同接地方式時，主要電氣參數波形如圖4～6所示。

圖4 中性點不接地系統電氣參數

圖5 中性點諧振接地系統電氣參數

圖6 中性點柔性接地系統電氣參數

上圖具體仿真結果如表3所示。

由表3可知：

1）發生單相金屬性接地故障時，中性點不接地系統故障點電流幅值最小。這是由于系統自身結構決定的。該系統中性點懸空，因此無法形成有效的故障回路。而與中性點諧振系統相比，采用柔性接地方式后，故障點電流會有明顯減小，在實際系統中，接地電流的減小將降低弧光接地過電壓的幅值，有利于電弧熄滅，避免了單相瞬時接地故障的跳閘，提高了供電可靠性；由于接地點電流的減小，還可以減輕設備的損壞程度，抑制了電弧的擴散范圍。

2）中性點柔性接地方式與另外兩種傳統接地方式相比，在抑制非故障相過電壓上有明顯優勢。而過電壓倍數較高時，由于電纜和一些結構緊湊型的高壓設備絕緣水平較低，在長時間的過電壓作用下一旦擊穿很難恢復，使得供電可靠性下降。

表3 配電網故障仿真結果

3）綜合對比10 kV配電網中性點柔性接地系統與中性點不接地系統、經小電阻接地系統和諧振接地系統，可以發現，在抑制過電壓和故障點暫態殘流問題上，柔性接地系統有明顯優勢，避免了接地電弧重燃造成虛幻接地。同時該系統由于以消弧線圈為基礎，由提高了供電可靠性，避免了瞬時性故障時反復跳閘影響供電可靠性。因此，新型中性點柔性接地系統具有較高的研究和應用價值。

3 柔性接地技術的影響因素的仿真分析

通過仿真算例，分析電阻投入時刻、投入電阻阻值等因素對柔性接地技術效果的影響。配電網結構、接地方式、故障類型均與上述仿真模型一致。

3.1 電阻投入時刻對柔性接地的影響

仿真頻率為50 Hz，則周期為0.02 s，設故障發生時A相電壓相位為0°。改變電阻投入時刻，在一個周期內平均取10個時間點投入電阻，記錄每一時刻的故障點電壓幅值，結果如圖7所示。

圖7 不同電阻投入時刻下的故障電壓幅值

由圖可知，當中性點電壓為零時并入小電阻，對系統影響最小，因此，這個時間點的過電壓最小。金屬性和非金屬性接地故障下中性點電壓波形近似正弦波，而弧光接地下，中性點為零的時刻較多，因此不同故障下能使系統過電壓最小的并入時刻差別較大。

3.2 投入電阻大小對柔性接地的影響

改變投入電阻阻值大小，分別設置柔性接地裝置部分投入電阻的阻值為2 Ω、5 Ω和10 Ω，進行仿真，其故障點電壓和中性點電壓幅值大小仿真結果如表4所示。

表4 投入電阻阻值不同情況下的故障點電壓幅值與中性點電壓幅值

分析上表可知：

1）接地裝置部分投入的電阻大小不同，故障點過電壓和中性點過電壓的幅值也會不同，其中投入電阻阻值越大，故障點過電壓越大，中性點過電壓越小。

2）過電壓幅值越小，在實際應用中越有利，因此要根據電網實際結構選取適宜的投入電阻阻值。

4 結 論

與配電網傳統接地技術相比，柔性接地技術在抑制故障點電壓、中性點電壓、非故障相電壓等方面均具有明顯優勢。此外，該系統以消弧線圈為基礎，提高了供電可靠性。因此，具有較高的研究與應用價值。通過仿真分析了電阻投入時刻、投入電阻阻值大小等因素對柔性接地技術效果的影響，為柔性接地技術的工程應用提供了基礎。

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Research on the grounding technology of medium voltage distribution network neutral point

WANG Qian-yu
（Central Southern China Electric Power Design Institute，Wuhan 430071，China）

This paper analyses the characteristics of the traditional grounding ways such as nongrounding system and arc suppression coil grounding system in order to overcome the defects and find out a more reliable and reasonable grounding technology.The electric parameters of the two traditional ways under the circumstances of single-phase grounding fault are analysed.Then a new neutral flexible grounding technology is discussed in this paper.The simulation results verify that the flexible grounding technology has significant advantages on the restraint of fault overvoltage，neutral point overvoltage and fault current.Therefore，the new flexible grounding technology is more reliable than traditional ways.In addition this paper analyses the influence factors by simulation examples.

distribution network；neutral point；non-grounding；arc suppression coil grounding；flexible grounding

TN9

A

1674－6236（2017）07-0139-05

2016-03-20稿件編號：201603259

王倩瑜（1991—），女，廣東韶關人，碩士，工程師。研究方向：高壓直流輸電系統。