農(nóng)村配電網(wǎng)采用小電阻接地的探討

喻琢舟

(韶關(guān)市擎能設(shè)計(jì)有限公司，廣東 韶關(guān) 512026)

農(nóng)村中壓配電網(wǎng)(本文專指10 kV配電網(wǎng))以架空線為主，電容電流較小，考慮到供電可靠性及設(shè)備條件等原因，目前基本采用中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地方式，并具備多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。但此類接地方式本質(zhì)上存在單相接地時(shí)其他兩相仍帶電運(yùn)行、故障選線不準(zhǔn)確等問題，由于缺相運(yùn)行導(dǎo)致人身及設(shè)備安全事故時(shí)有發(fā)生。隨著農(nóng)村配網(wǎng)建設(shè)的投入加大，部分地區(qū)中壓線路都實(shí)現(xiàn)了環(huán)網(wǎng)運(yùn)行及具備了重合閘的功能，供電可靠性大為提升，在此前提下將中性點(diǎn)改為經(jīng)小電阻接地能提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障。因此，探討改變接地方式后農(nóng)村配電網(wǎng)的相關(guān)問題是有必要的。

1 農(nóng)村配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地現(xiàn)狀

農(nóng)村中壓配電網(wǎng)的特征一是以架空線為主，部分地區(qū)導(dǎo)線絕緣化率不高；二是中壓線路供電半徑長，另外偏遠(yuǎn)地區(qū)還有大量的分支線路，部分線路總長度甚至超過100 km；三是負(fù)荷密度低，變電站出線較少，一回線路及分支線就能供電一大片區(qū)域；四是由于線路長，環(huán)境復(fù)雜，引發(fā)接地故障的可能性較大。

由于采用架空導(dǎo)線，農(nóng)村中壓配網(wǎng)的電容電流普遍偏小，一般35 kV變電站10 kV出線較少，10 kV側(cè)電容電流在10 A以內(nèi)，而110 kV變電站10 kV出線相對較多，電容電流在20 A以內(nèi)。因此，目前農(nóng)網(wǎng)中35 kV變電站10 kV側(cè)中性點(diǎn)一般采用不接地方式，110 kV變電站10 kV側(cè)采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式，消弧線圈容量400 kVA～800 kVA不等。

對于中性點(diǎn)不接地和經(jīng)消弧線圈接地的小電流接地系統(tǒng)故障選線裝置，目前通用的單相接地選線方法基本上通過接地故障發(fā)生時(shí)的故障特征來判斷哪條線路發(fā)生了故障，這些故障的特征一部分是穩(wěn)態(tài)信號，一部分是暫態(tài)信號，一般而言穩(wěn)態(tài)故障特征指的就是零序電流、零序電壓以及相位等，暫態(tài)特征指的是高次諧波等。但由于故障電流小，甚至不足10 A，另外故障點(diǎn)及接地電阻等因素都可能影響故障零序電流的變化，因此故障特征不明顯，也導(dǎo)致了故障選線不準(zhǔn)的問題。部分地區(qū)農(nóng)網(wǎng)的故障選線裝置甚至對運(yùn)行起不到正確的參考作用。

根據(jù)相關(guān)規(guī)定，10 kV配電網(wǎng)可在單相接地方式下運(yùn)行2 h，如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并切除故障相，有可能造成故障相電弧持續(xù)燃燒產(chǎn)生過電壓及燒斷導(dǎo)線等設(shè)備事故，而嚴(yán)重的可能造成觸電人身傷亡事故，而且此類事故在農(nóng)網(wǎng)地區(qū)時(shí)有發(fā)生。

2 中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)在農(nóng)網(wǎng)的推廣

中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)原理是利用小電阻的阻尼和耗能作用，在線路接地故障時(shí)電弧過零熄滅后，零序殘壓通過電阻提供的通路泄放掉，使得下一次燃弧時(shí)的過電壓幅值與從正常情況發(fā)生單相接地故障時(shí)基本相同。而不接地或經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)由于多次燃弧、熄弧而使得過電壓幅值升高。

中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)在城市配網(wǎng)中已運(yùn)行相當(dāng)成熟，主要優(yōu)點(diǎn)有以下幾項(xiàng)：(1)可降低工頻過電壓，非故障相相電壓不升高或升幅較??；(2)能有效限制間歇性弧光過電壓在2.5 p.u.以下；(3)對諧振過電壓有很強(qiáng)抑制作用，能消除大部分?jǐn)嗑€諧振過電壓；(4)系統(tǒng)動作靈敏，承受過電壓水平低、時(shí)間短，可降低設(shè)備絕緣水平；(5)利用大接地故障電流可準(zhǔn)確判斷并及時(shí)切除故障線路，防止事故擴(kuò)大，避免人身傷亡事故。其主要缺點(diǎn)是跳閘率高，特別是對單一電源供電的用戶影響很大，易造成供電中斷，另外對于高阻接地故障也可能保護(hù)不動作等，以上缺點(diǎn)影響了其在農(nóng)網(wǎng)的推廣。

隨著近年來國家對農(nóng)村配網(wǎng)的投入不斷增大，部分農(nóng)網(wǎng)地區(qū)大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了10 kV環(huán)網(wǎng)供電，可通過重合閘等排除瞬時(shí)故障，線路零序CT等設(shè)備完善，基本具備了應(yīng)用中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地但確保供電可靠性不明顯降低的條件，可以充分發(fā)揮中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，因此在部分地區(qū)農(nóng)網(wǎng)得以開始逐步推廣。

3 中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)的理論計(jì)算

10 kV中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)的等效電路主要由主變、母線、饋線、接地變、小電阻等組成，其系統(tǒng)接線圖見圖1，主變等效阻抗為XK，接地變等效阻抗為Xg，線路電容為Cφ，一共有F1至Fn條10 kV饋線。

圖1 中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)接線示意圖

圖2 正序和負(fù)序等效電路圖

圖3 零序等效電路圖

在某一條10 kV饋線A相發(fā)生單相接地故障的情況下，根據(jù)電路等效換算及簡化，其各序等效電路圖分別見圖2、圖3。其中Ri、Xi分別為故障線路的各序電阻和電抗，Rg0、Xg0為接地變的零序阻抗，Cφ為系統(tǒng)對地電容。

從等效電路圖可計(jì)算各序綜合阻抗：

其中：

農(nóng)村配電網(wǎng)系統(tǒng)電容電流一般不超過20 A，則計(jì)算系統(tǒng)電容Cφ為909Ω，根據(jù)目前某電網(wǎng)公司統(tǒng)一采購的設(shè)備參數(shù)，中性點(diǎn)小電阻RN大于10Ω，由于線路正序阻抗不大，每千米阻抗小于0.5Ω，一般認(rèn)為系統(tǒng)單相故障時(shí)零序阻抗大于40倍正序阻抗以上，因此如果線路A相故障，其中性點(diǎn)短路電流計(jì)算可以簡化為以下公式：

式中：Eφ為相電壓，

某農(nóng)村110 kV變電站及接入的中壓配網(wǎng)主要配置參數(shù)如下：

主變壓器一臺，容量SN=40 MVA，變比為110/10.5 kV，Uk=10.5%，10 kV側(cè)短路容量為180 MVA；接地變一臺，容量Sg=420 kVA，Ugk=4%；線路每千米正序阻抗為(0.12+j0.38)Ω，零序阻抗按(0.27+j1.33)Ω考慮，線路總長30 km；故障點(diǎn)接地電阻為10 Ω；系統(tǒng)接地電容電流為20 A。按目前中性點(diǎn)小電阻阻值為10 Ω、16 Ω兩種型號進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 接地短路電流計(jì)算結(jié)果

4 仿真實(shí)例

4.1 主要仿真內(nèi)容

由于農(nóng)村配網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式普遍采用不接地及中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式，應(yīng)用中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式缺乏經(jīng)驗(yàn)。仿真主要論證對10 Ω、16 Ω兩種阻值的小電阻選型及在斷線的極端情況下相關(guān)參數(shù)情況。本實(shí)例采用MATLAB/Simulink軟件平臺進(jìn)行仿真。配電網(wǎng)主要參數(shù)參照上節(jié)。

4.2 中性點(diǎn)短路電流仿真

假設(shè)10 kV線路在0.2 s時(shí)A相發(fā)生單相低阻接地短路故障，流經(jīng)中性點(diǎn)小電阻的短路電流分別圖4、圖5，圖4為中性點(diǎn)接入10 Ω小電阻的情況，圖5為中性點(diǎn)接入16 Ω小電阻的情況。根據(jù)仿真結(jié)果，采用兩種小電阻主要差別在短路電流的幅值大小，但中性點(diǎn)電流均超過200 A。

當(dāng)發(fā)生高阻接地時(shí)，接地電阻按200 Ω考慮，流經(jīng)中性點(diǎn)小電阻的短路電流分別圖6、圖7，中性點(diǎn)電流下降到30 A左右。

圖4 流經(jīng)中性點(diǎn)電流(10Ω)

圖5 流經(jīng)中性點(diǎn)電流(16Ω)

圖6 高阻接地中性點(diǎn)電流(10Ω)

圖7 高阻接地中性點(diǎn)電流(16Ω)

4.3 斷線情況仿真

在部分農(nóng)網(wǎng)區(qū)域，由于線路長，運(yùn)行維護(hù)較困難，存在斷線未被發(fā)現(xiàn)的情況，且斷線點(diǎn)的后段線路發(fā)生接地故障，存在較大的安全隱患。

假定線路在A相斷線的情況下，A相導(dǎo)線斷點(diǎn)后段又發(fā)生接地故障情況，無論中性點(diǎn)采用何種阻值的小電阻，流經(jīng)中性點(diǎn)的電流都很小，只有1 A左右，仿真結(jié)果見圖8。而斷線的負(fù)荷側(cè)導(dǎo)線仍存在約800 V的感應(yīng)電壓，0.8 s斷線發(fā)生接地后電壓降到很低，詳見圖9。

4.4 結(jié)果分析

根據(jù)比較，仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果基本一致。在發(fā)生單相金屬性接地及低阻接地時(shí)，流經(jīng)中性點(diǎn)電流超過200 A，有利于保護(hù)整定。當(dāng)發(fā)生高阻接地故障時(shí)，流經(jīng)中性點(diǎn)電流減小到30 A左右，接近系統(tǒng)的電容電流，保護(hù)整定將難以保證動作的靈敏性。

在導(dǎo)線斷線的情況下，發(fā)生導(dǎo)線斷點(diǎn)后段發(fā)生單相接地故障，由于接電源側(cè)的零序網(wǎng)絡(luò)回路基本斷開，而且由于農(nóng)網(wǎng)大部分時(shí)間負(fù)荷輕，負(fù)荷電流較小，流經(jīng)中性點(diǎn)的電流很小，無法直接判斷是否發(fā)生故障。斷點(diǎn)后段的導(dǎo)線在未接地的情況下，由于線路仍通過臺變與健全相線路耦合，仍有800 V左右的感應(yīng)電壓，如不及時(shí)發(fā)現(xiàn)并切除，存在重大安全隱患。

圖8 斷線情況下中性點(diǎn)電流

圖9 斷線電壓

5 結(jié)語

本文根據(jù)農(nóng)村配電網(wǎng)運(yùn)行的特點(diǎn)，通過理論計(jì)算及模擬仿真的方法，初步探討了中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)在農(nóng)村中壓配電網(wǎng)中推廣應(yīng)用的基本問題。根據(jù)理論計(jì)算及仿真結(jié)果分析，可以初步得出以下結(jié)論：

(1)農(nóng)村中壓配電網(wǎng)采用中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)，發(fā)生單相短路故障時(shí)，流經(jīng)中性點(diǎn)電流較大，能較快發(fā)現(xiàn)并切除故障線路，防止接地線路長時(shí)間運(yùn)行，有利于運(yùn)行安全；

(2)無論采用10 Ω或者16 Ω的小電阻，在發(fā)生高阻接地時(shí)，流經(jīng)中性點(diǎn)電流均較小，而且幅值差異不大，都可能存在較難滿足保護(hù)整定靈敏性要求的情況；

(3)在滿足保護(hù)整定靈敏性要求的前提下盡量采用較大電阻，以保護(hù)系統(tǒng)的絕緣，在短路電流水平變化接近的前提下，采用16 Ω的中性點(diǎn)小電阻符合現(xiàn)狀運(yùn)行要求；

(4)發(fā)生單相斷線并接地的極端情況下，僅依賴中性點(diǎn)電流的大小較難判斷故障情況，仍需要借助其它手段進(jìn)行監(jiān)測。

相對于城市配電網(wǎng)，農(nóng)網(wǎng)具有線路長、負(fù)荷輕、電容電流小、導(dǎo)線易受外界破壞影響等特點(diǎn)，將在城市配電網(wǎng)中應(yīng)用較為成熟的中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)推廣至農(nóng)網(wǎng)，可能會遇到一些特殊的問題，需要進(jìn)行探討解決。

考慮到農(nóng)村配電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況，本文就系統(tǒng)單相接地、高阻接地、斷線等情況進(jìn)行了初步分析，對小電阻的阻值選擇進(jìn)行了比較。對于包括保護(hù)整定、故障選線以及復(fù)雜故障等問題需要作進(jìn)一步的研究和探討。