廣州電網20 kV配電網中性點接地方式的研究與探討

廣州電網20 kV配電網中性點接地方式的研究與探討

南方電網廣州供電局公司 莫文雄 方健 王勁 王勇 欒樂 黃慧紅 覃煜 李盛楠

本文通過理論分析和仿真驗證相結合的方式，發現20 kV中壓配電網中小電阻接地方式對抑制工頻過電壓水平發生概率的能力優于消弧線圈接地方式，且具有較大的故障電流，有利于繼電保護裝置動作和提高系統運行的可靠性，對于電容電流較大的20 kV配電網接地方式推薦采用中性點經小電阻接地。

20kV配電網；中性點接地方式；過電壓；EMTP-ATP；絕緣配合；

0 引言

20世紀70年代以來，我國采用的電壓等級主要為750 kV、500 kV、330 kV、220 kV、110 kV、66 kV、35 kV、10 kV。大部分城市主要采用220 kV、110 kV、35 kV、10 kV、0.4 kV電壓等級序列，其中35 kV及35kV以上電壓等級歸為高壓電網，中壓配電網的各項工作都集中統一在10 kV[1][2]。近年來，隨著國民經濟的快速發展，城市用電負荷猛增，尤其在一些經濟發達地區，城市中心負荷密度高達20～30 MW/km2，而10 kV線路的正常送電功率只有3000 kW左右，供電半徑只有1～1.5 km，難以滿足城市發展的需求。并且10 kV電壓等級在設備投資、節能降損、線路走廊等方面還存在著困難。從我國中壓配電網電網長遠發展來看，經濟發達地區中壓配電網發展20 kV電壓等級是十分有必要的。

1 中性點接地方式、內過電壓與絕緣配合的關系

各級電網均需根據過電壓水平來分析其應采取的絕緣配合策略。其中內過電壓水平主要取決于系統自身參數配置和中性點接地方式。本文主要研究中性點接地方式對20 kV電壓等級內過電壓水平的影響，進而分析20 kV電壓等級應采取的絕緣配合策略[3]，三者的關系如圖1所示。

2 中壓配電網中性點接地方式的特點

中壓配電網中性點主要的接地方式有不接地、直接接地、消弧線圈接地和電阻接地方式。電阻接地方式根據接地電阻的大小可以分為大電阻接地方式和小電阻接地方式兩種（亦有分大、中、小三種電阻接地方式的）。根據國外經驗與我國其它電壓等級的運行實踐，中壓配電網各接地方式有如下所述的基本特點。

2.1 不接地方式特點

中性點不接地方式不需要任何接地設備，是一種最為簡單的電網地方式。不接地方式系統發生單相接地障時，故障電流以線路對地電容的容性電流分量為主，適合架空線為主的電網。較小的故障電流對電力設備、通訊線路和人生安全造成的危害較小。10 kV電壓等采用中性地方式，主要為了保障系統的供電可靠性。

但20 kV電壓等級采用中性點不接地方式，可能面臨兩個方面的問題，一方面20 kV電壓等級電壓水平上升，系統多采用電纜線路，對地電容大，容性電流分量遠大于10 kV電壓等級，不接地方式系統單相故障電流可能高達數百安培。另一方面，20 kV電壓等級電纜線路單相接地故障大多為單相永久性故障，帶故障運行會對系統設備和線路的絕緣造成長時間沖擊，加快線路絕緣老化，影響設備使用壽命。且系統長時間單相故障容易發展成為多重故障，造成事故擴大化。

圖1 中性點接地方式、內過電壓與絕緣配合關系圖

2.2 直接接地方式特點

中性點直接接地方式主要的優點在于發生單相接地故障時，非故障相電壓升幅不大，對設備絕緣要求低。且單相故障電流大，繼電保護裝置動作迅速靈敏，基本不會使故障發展成為多重故障。我國110 kV及以上電壓等級大多采用中性點直接接地方式。中性點直接接地方式的缺點主要是，配電系統中出現單相接地故障時，短路電流非常大，可能會破壞電氣設備，中性點直接接地方式若不能快速切除故障線路，系統弧光接地過電壓等級較高。

綜合考慮系統限制短路電流、保障人身安全，降低絕緣水平、提高經濟效益和我國當前中壓配電網的運行情況等因素，中性點直接接地方式也不適合于我國20 kV配電網。

2.3 消弧線圈接地方式特點

中性點經消弧線圈接地的主要優點有：

（1）消弧線圈產生的感性電流與系統對地電容產生的容性電流互相抵消，系統單相接地故障電流減小，故障點電弧可以自熄。

（2）消弧線圈接地方式可以減少弧光接地過電壓發生的概率。

因此，消弧線圈接地方式是20 kV電壓等級可供選擇的一種接地方式。

2.4 小電阻接地方式特點

中性點經小電阻接地方式的主要特點[4]：

（1）中性點電阻是耗能元件，也是阻尼元件（而消弧線圈是諧振元件），有利于防止系統諧振過電壓。

（2）適當選擇中性點電阻，可以降低系統工頻過電壓水平，單相接地故障時非故障相電壓水平低，持續時間短，有利于無間隙金屬氧化物避雷器的推廣。

（3）提高系統安全水平、降低人身傷亡事故概率。

（4）接地裝置簡單、可靠，使用壽命長。

2.5 小結

故小電阻接地方式也是20 kV電壓等級可供選擇的一種接地方式。

由上述分析，結合我國《交流電氣裝置過電壓保護和絕緣配合》DL/T620-1997行業標準[5]的規定，10 kV以上電壓等級不宜采用不接地方式。

通過分析中壓配電網常見的幾種中性點接地方式及其特點，結合我國配電網接地方式的傳統和20 kV配電網的特點，可以得出關于20 kV配電網中性點接地方式選取的幾點初步結論：

（1）我國中性點不接地方式主要用于城市10 kV配網和農村配電網中，對于需要開展20 kV配電網建設工作的地區并不適用。

（2）我國110 kV及以上電壓等級多采用直接接地方式。對于中壓配電網，中性點直接接地方式故障電流過大，會危及人身安全，且對通信線路的干擾大。我國20 kV配電網不宜采用直接接地方式。

（3）20 kV配電網在電容電流較小時，原則上可以采用經消弧線圈接地。但我國需要開展升壓工作的配電網都是經濟發達地區，很多地區都已有大量電纜線路，而新建20 kV配電網大多采用電纜線路為主，兩者電容電流均較大。考慮到地區電網今后的發展，20 kV配電網中性點經消弧線圈接地方式面臨挑戰。

（4）從限制過電壓、提高系統穩定性方面考慮，20 kV配電網經小電阻接地是可供考慮的一種接地方式。

3 工頻過電壓下消弧線圈與小電阻接地方式的比較

本節研究20 kV電壓等級中性點經消弧線圈和小電阻接地方式對抑制系統工頻過電壓的作用。電力系統中工頻過電電壓倍數一般小于2.0 p.u.，對于配電網正常絕緣的電氣設備危害較小，但工頻過電壓的水平是決定系統保護裝置工作條件的重要依據，且工頻過電壓持續時間長，易與操作過電壓聯合作用，從而對電氣設備的絕緣與運行造成危害，應予以足夠的重視。

工頻過電壓按產生的原因可以分為：空載長線路電容效應引起的過電壓、不對稱短路引起的過電壓和甩負荷引起的過電壓。本文討論最為嚴重的情況，即電網空載情況下，不對稱短路引起的工頻過電壓。

3.1 不對稱短路的基本理論

系統中不對稱短路情況是配網輸電線路中最常見的故障形式，包括單相接地和兩相接地故障。在特殊情況下的兩相短路接地故障也會出現較高的工頻過電壓，但兩相接地故障發生的可能性非常小，電力系統中比較常見的接地故障多為單相接地故障。且10 kV電壓等級若存在大量架空線，單相接地故障是以暫時性的接地故障居多；而20 kV電壓等級以電纜出線為主，則單相接地故障是以永久性的接地故障居多，對系統的威脅更為嚴重。理論分析表明，系統發生單相金屬接地短路故障時，單相接地故障系數（健全相對地最高工頻電壓有效值與無故障時相對地最高工頻電壓有效值的比值）[6][7]可以表示為式（3-1）：

其中α為單相接地故障系數，k為從故障點看去的零序阻抗和正序阻抗的比值。即有k=X0/X1。α與k的函數關系圖如圖2所示。

圖2α與k的函數關系曲線圖

經恒等變換，α的表達式（3-1）可以改寫為式（3-2）：

由式（3-2）可知：

（1）當k∈（-∞，-2）時，α隨k的增大而遞增；（2）當k∈（-2，0）時，α隨k的增大而遞減；

（3）當k∈（0，+∞）時，α隨k的增大而遞增；

由以上分析可以得出以下結論：

3.2 20 kV配電網單相接地故障仿真研究

本文將通過仿真分析20kV配電網經消弧線圈和小電阻兩種不同方式接地時系統發生單相短路所引起的過電壓。由上述的理論分析中可以初步看出，相比中性點經消弧線圈接地，中性點經小電阻接地能更為有效的抑制系統因不對稱短路引起的過電壓，在節約系統的絕緣保護成本上具有優勢。

3.2.1 仿真算例建模

本文仿真使用的系統模型原型為某市試點規劃的20 kV配電網。該市近年電力負荷高速增長。2005年最高負荷為324 MW，2006年最高負荷為530 MW，2010年最高負荷為1100 MW，2015年達到1700 MW。為滿足負荷發展和安全可靠供電的要求，該市將作為20 kV電壓等級升壓改造試點區域。

在設計變壓器高壓側等值電路時，考慮到電力系統在遭受擾動之后（如單相接地故障等），會產生一系列的動態過程，按照發生先后的時間段來劃分，先產生電磁暫態過程，時間常數通常小于秒級，接著是機電暫態過程，時間常數通常為數秒至數十秒。在電磁暫態過程的初期為電壓波和電流波的傳播過程，時間常數通常為微秒或毫秒級。本文仿真主要是針對系統內過電壓研究，研究的是系統電磁暫態過程中波的傳播過程，此時間段內發電機的電磁暫態過程還未開始動作，所以在用EMTP-ATP進行仿真中，可以采用理想三相電壓源等值變壓器高壓側。系統負荷采用RLC串聯模型，在仿真計算時，一般考慮最嚴重的情況，故通常只考慮系統空載時的過電壓水平。該市20 kV出線規模為3×13回，均為純電纜線路，每回電纜線路長5.4 km。圖3為EMTPATP仿真系統接線圖。

圖3中元件參數如下所示。

圖3 ATP仿真接線圖

（1）線路模型均采用分布參數模型，線路參數為：

Z1=0.107+j0.103(Ω·km-1)；

Z0=0.821+j1.697(Ω·km-1)；

b1=0.286(μF·km-1)；

b0=0.286(μF·km-1)。

可以算得變壓器各繞組參數為：

RT1=0.370Ω，XT1=43.6Ω；

RT2=0.0822Ω，XT2=-5.75Ω；

RT3=0.0168Ω，XT1=1.26Ω。

（3）本文仿真中消弧線圈采用等效電感處理，消弧線圈應采用過補償。諧振補償時RL的計算結果為：

我國電力行業規程規定，中性點經消弧線圈接地系統，脫諧度不超過10%。按8%脫諧度計算可知過補償時RL=48.645Ω。

3.2.2 算例分析及結果

本文仿真20 kV系統單相接地故障時，EMTP-ATP仿真網絡接線圖在圖3的基礎上加入故障接地線路，圖4所示。考慮最為嚴重的情況下單相接地故障，即所有線路均空載運行，負荷開關在仿真中均不閉合。

（1）中性點經消弧線圈接地系統故障仿真

圖4 單相接地故障系統ATP接線圖

中性點經消弧線圈接地時，系統正常運行0.02 s（一個周期）后，第13回出線3 km處發生單相永久性金屬接地故障(Rd=0.001Ω)，系統故障處的故障電壓波形、故障電流波形分別如圖5、圖6所示。

系統發生單相接地故障時，因為消弧線圈對故障電流的補償作用，故障電流迅速減小。故障電流的衰減時間受很多因素影響，主要與故障點實際情況、系統運行參數和消弧線圈脫諧度等有關。本文中性點經消弧線圈接地系統仿真中故障電流波形如圖6所示，0.02 s時系統發生單相故障，系統故障運行2個周期后，到0.06 s時故障點電流基本衰減趨于零。通常情況下中性點采用消弧線圈接地方式，系統發生單相故障時，接地電弧能自行熄滅。

（2）中性點經小電阻接地系統故障仿真

中性點經小電阻接地時，中性點接地電阻暫取為18 Ω（根據經驗，驗證后取18 Ω較為合理性）[10][11]。系統第13回出線3 km處發生單相永久性金屬接地故障，系統故障電壓波形、故障電流波形分別如圖7、圖8所示。

圖5 中性點經消弧線圈接地系統故障時故障電壓波形

圖6 中性點經消弧線圈接地系統故障時故障電流波形

圖7 中性點經小電阻接地系統故障時電壓波形

圖8 中性點經小電阻接地系統故障時電流波形

中性點經消弧線圈接地系統故障仿真結果表明該方式下系統工頻過電壓等級高，非故障相過電壓水平達到了1.18倍線電壓。消弧線圈接地方式系統故障電流衰減快，僅2個周期后便衰減為零。中性點經小電阻接地系統故障仿真中系統工頻過電壓等級較低，非故障相過電壓水平為0.876倍線電壓，且系統故障電流較大。與3.1中的理論分析相吻合。

4 結論

本文通過對工頻過電壓，主要是空載運行方式下單相接地故障過電壓的形成機理進行理論分析，并采用EMTP-ATP軟件對20 kV配電網中性點采取經消弧線圈接地和經小電阻接地兩種接地方式進行了仿真，對仿真結果進行分析比較，結果表明20 kV配電網經小電阻接地方式在抑制工頻過電壓升高的作用上優于經消弧線圈接地。

[1]王世閣，崔廣富，鮑利等．20kV供電系統在電網改造中的應用[J]．電力設備，2004，5（9），47-49．

[2]杜忠寶．10kV配電網中性點接地方式的選擇[D]．南京：河海大學，2006年6月．

[3]汲亞飛，侯義明．20kV配電網中性點接地方式的選擇[J]．供用電，2008，25（5），9-12．

[4]聶宏展，趙福偉，韓笠．66kV配電網中性點經電阻接地的研究[C]．南京：中國高等學校電力系統及其自動化專業第22屆學術年會，2006年10月．

[5]中華人民共和國國家經濟貿易委員會，DL/T620-1997中華人民共和國電力行業標準—交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合[S]．北京：中國電力出版社，1997．

[6]魯鐵成．電力系統過電壓[M]．北京：中國水利水電出版社，2009年6月．

[7]A．D．Figueira，A．Violin，C．de Salles，H．P．Oliveira，M．L．B．Martinez and R．Oling．Insulation Coordination for a 23 kV Medium Voltage Distribution[C]．Bologna，Italy：IEEE Bologna PowerTech Conference，June 23-26，2003．

[8]IEEE Guide for the Application of Insulation Coordination[S]．IEEE Std1313．2-1999．

[9]Lee K．K．，Wong K．K．．Design，Operation and Maintainance of 22kV Closed Ring System[C]．The International Conference on Electrical Engineering 2007，July 2007，Hong Kong．

[10]Rioual Michel，Reveret J-C．Energization of Step-Up Transformers for Wind-farms：Modeling and Its Validation by Tests Performed on a 10 MW Site[C]．Power and Energy Society General Meeting，September，2009．

[11]要煥年，曹梅月．電纜網絡的中性點接地方式問題[J]．電網技術，2003，27（2）．