水電站中壓廠用電系統接地方式研究

張 鑫，任 剛，劉長武，劉書玉

（1. 河北張河灣蓄能發電有限責任公司，河北 石家莊 050300；2. 中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京100024）

0 引言

目前我國水電站中壓廠用電系統普遍采用中性點不接地方式，當發生單相接地故障時，廠用電系統一般可以繼續運行2 h，保證了供電的可靠性，但由于該接地方式下難以實現靈敏且有選擇性的接地保護，可能導致單相接地故障擴大為事故。近年來，水電站發生了數起由于單相接地故障未及時處置，進而發展成相間短路，最終導致火災的事故，造成重大經濟損失。中性點接地方式直接影響廠用電系統供電的可靠性、連續性和電站運行的安全性。因而有必要對廠用電系統接地方式進行研究，以期快速且有選擇性地切除故障，消除安全隱患。

1 國內外中壓電網接地方式現狀

對中壓電網接地方式，世界各國有不同的觀點及運行經驗，在各個國家，甚至同一個國家中的不同城市中，電網接地方式都不盡相同，主要是依據各自的經驗和傳統來確定。

德國在世界上首先使用了消弧線圈，自1917年開始便在各種電壓等級的電力網中大量采用中性點經消弧線圈接地的電力系統諧振接地方式，已有近百年的歷史，而近年來德國電力公司認為電纜網絡的中性點通過低電阻接地比較合適。

蘇聯規定在下列情況下中壓電網采用不接地方式：6 kV電網單相接地電流小于30 A；10 kV電網單相接地電流小于20 A；15～20 kV電網單相接地電流小于15 A；35 kV電網單相接地電流小于10 A。如果單相接地電流超過上述值，則需采用中性點經消弧線圈接地方式。

英國架空線路組成的中壓電網逐步由直接接地或電阻接地改為經消弧線圈接地，而在電纜為主的電網系統中，采用中性點經低電阻接地方式。

日本中壓系統不接地、經消弧線圈接地及經電阻接地方式都有應用。

美國廣泛采用中性點直接接地或經低電阻接地方式，以限制弧光過電壓，并瞬時跳開故障線路。

在我國，建國初期至20世紀80年代電網完全參照前蘇聯的規定，對3～66 kV電網主要采用不接地或經消弧線圈接地2種方式。但上述2種接地方式中有一個關鍵的問題沒有得到徹底解決，那就是單相故障的快速、準確選擇與定位。20世紀90年代以來，隨著電網規模越來越大，電纜線路逐漸增多，電容電流也不斷增大，而且運行方式經常發生變化，消弧線圈調諧存在很大困難，一些地區配電網開始采用中性點經低電阻接地方式。當前，國內水電站中壓廠用電系統多采用不接地方式。在初步調研的國內35座電站中，僅白鶴灘水電站及績溪抽水蓄能電站兩在建項目中壓廠用電系統采用了經消弧線圈接地方式，其余均為不接地方式。

2 常見的接地方式及理論分析

我國電力系統常見的接地方式有中性點直接接地、不接地、低/高電阻接地以及消弧線圈接地。

2.1 中性點直接接地

在這種系統中，當發生單相接地時，這一相直接經過接地點和接地的中性點短路，繼電保護一般都能迅速而準確地切除故障線路，且保護裝置簡單，工作可靠。中性點直接接地系統的動態電壓升高不超過系統額定電壓的80%，高壓電網中采用這種接地方式可顯著降低設備和線路造價。中性點直接接地的缺點是發生單相接地故障時斷路器跳閘，因而供電可靠性較差。目前該接地方式在我國主要應用于110 kV及以上系統中。

2.2 不接地系統

不接地系統是指沒有人為采用中性點與大地連接。不接地系統的優點是發生單相接地故障時，不形成短路回路，通過接地點的電流僅為接地電容電流，當單相接地故障電流很小時，故障點電弧可以迅速自熄，熄弧后絕緣可自行恢復，自動清除單相接地故障，而無需使線路斷開，可以帶故障運行一段時間，以便查找故障線路，因而大大提高了供電可靠性。

圖1為不接地網絡接線示意圖。正常情況下，輸電線路存在三相對稱的對地電容C0，每一相都有電容電流流入大地，由于三相對稱，總的電容電流為零。若A相發生對地金屬性短路，A相對地電容被短路，B、C相仍有電容電流流入大地，并通過短路點K流回A相，短路電流為B、C相電容電流的矢量和。同時由于A相接地，A相電壓變為零，B、C相對地電壓變為線電壓，有效值變為原來的倍。

圖1 不接地網絡接線示意圖

圖2表示A相接地時各相電壓和電流的矢量圖，各相對地電壓為

原中性點發生偏移，偏移后中性點電壓為

非故障相流向故障點的電容電流為

圖2 A相接地時矢量圖

我國廠用中壓系統主要采用不接地方式，其主要優點是供電的可靠性高，并且成本低，簡單方便。當發生單相金屬性接地故障時，故障相電壓變為零，非故障相電壓變為線電壓，系統的線電壓仍然三相對稱。根據以往經驗，如果電容電流不是很大、小于10 A時，允許持續供電不超過2 h。國內研究表明，當短路電流超過10 A時，短路點電弧就無法自熄滅，會出現間歇性電弧或持續電弧，一方面電弧本身容易誘發火災，燒毀輸電線路，導致事故擴大，另一方面，會出現弧光過電壓，過電壓倍數最高可達3.5倍。

廠用系統采用不接地方式情況下，一般裝設單相接地保護裝置，保護裝置反應零序電壓，原則上一般動作于信號。當中壓廠用系統發生單相接地，由于接地電流較小，允許系統繼續短時運行，保護裝置發出故障信息通知運維人員及時處理。在出線回路數不多，或難以裝設有選擇性的單相接地保護時，可用依次斷開線路的方法，查找故障線路。當出線回路較多，可采用有自動選線功能的小電流接地保護裝置。實踐證明，當發生單相接地時，特別是電纜發生單相接地時，有很大機率發展成為電纜的相間短路。所以當廠用電系統采用不接地方式，而相應的保護僅動作于信號，其安全性是值得進一步探討的。

2.3 中性點經低電阻接地

中性點經低電阻接地方式是以獲得快速選擇性繼電保護所需的足夠電流為目的，一般接地故障電流為100～1 000 A。中性點低電阻接地方式在單相接地時的異常過電壓抑制在運行相電壓的2.8倍以下，可以采用絕緣水平較低的電氣設備，改善了設備運行條件，提高了設備運行的可靠性，能快速切除單相接地故障，提高系統安全水平。

如圖3所示，系統的中性點經一固定阻值的電阻接地，當其中的某一條線路發生單相金屬性接地故障時，其故障電流分為2部分，一部分為電容電流，另一部分為從中性點經接地電阻流出的零序電流，從故障點流回系統，總的故障電流為這2部分電流的矢量和。因發生的是金屬性接地故障，故障時中性點電壓的有效值等于額定相電壓（用Uφ表示）。流經接地電阻的零序電流有效值則為，與接地電阻的阻值大小成反比關系。

圖3 中性點經電阻接地故障電流流向圖

下面來推導中性點經電阻接地、A相發生金屬性接地故障時，非故障相的電壓變化。對于10 kV廠用中壓系統，對地電容一般為μF級別，對應的容抗值為千歐級，而小電阻接地，電阻阻值一般不超過10 Ω，中阻接地電阻阻值通常不超過30 Ω，可見接地電阻值遠小于容抗值，在計算時可以忽略電容容抗。

利用對稱分量法，將故障點電壓分為正、負、零序分量，其零序等值回路如圖4所示。忽略線路的電阻，即 R1=R2=0，Z1=jX1=Z2=jX2，Z0=R0=3RN。

由零序等值回路可以算出各序電壓分量為

圖4 單相接地故障零序等值回路

故障電流為

非故障相電壓為

帶入可求得

從上式可以看出，非故障相電壓的變化量保持一致且與接地電阻相關。當R0=0時，當時。其矢量圖如圖5所示，?U˙隨接地電阻阻值的變化而變化，其末端軌跡為半圓型。

圖5 低電阻接地方式下A相接地時矢量圖

由以上理論分析可以看出，中性點經低電阻接地的基本特點是故障電流較大，非故障相依然存在過電壓，但過電壓倍數較低，且非故障兩相的過電壓倍數不一致。相比于中性點不接地系統，中性點經低電阻接地的顯著特點是，由于電阻的阻尼和損耗作用，電弧過零熄滅后，零序殘壓通過電阻放電，避免了電弧重燃—熄滅—重燃的振蕩過程，從而限制了過電壓的升高，將過電壓限制在一個較低的水平。同時，為零序電流提供一條通路，接地電阻阻值越小，故障電流越大，可使零序電流保護繼電器快速靈敏動作，及時切除故障線路，避免事故進一步擴大。對于廠用中壓系統接地電阻值的選擇，既要考慮一次設備的承受能力，又要與保護裝置的定值整定相配合。

2.4 中性點經高電阻接地

高電阻接地方式以限制單相接地故障電流為目的，電阻阻值一般在數百～數千歐姆。采用中性點經高電阻接地的目的就是給故障點注入阻性電流，以提高接地保護動作靈敏性，當發生單相接地故障時，在接地電弧熄弧后，系統對地電容中的殘荷將通過中性點電阻泄放，從而減少電弧重燃的可能性，抑制電網過電壓的幅值，從而降低間歇性弧光接地過電壓。

中性點高電阻接地方式可以限制間歇性弧光接地過電壓和諧振過電壓2.5倍以下，當系統發生單相接地故障時可不立即清除，繼續運行2 h，供電可靠性高，一般用于發電機回路。

2.5 中性點經消弧線圈接地

中性點經消弧線圈接地方式，當電網發生單相接地故障時，故障點流過電容電流，中性點的位移電壓產生感性電流流過接地點，補償電容電流，使得接地故障殘流小，達到自動熄弧、繼續供電的目的。

圖6所示為中性點經消弧線圈接地，消弧線圈本質為一電感，因線圈本身存在損耗阻抗，其電路模型可用電感與電阻串聯表示。當A相發生單相金屬性接地故障，故障相電壓降為零，中性點電壓變為由于消弧線圈一般工作在諧振點附近，電網的零序阻抗趨于無窮大，故線電壓三角形保持不變，非故障相電壓升高到線電壓，有效值變為原來的倍。電壓向量圖如圖7所示。

對于故障電流，分為兩部分，一部分為電容電流，另一部分為從中性點經消弧線圈流出，從故障點流回系統的感性電流，感性電流對電容電流進行補償，減小了故障點的電流。對電路做變換，可得補償電網的電流諧振等值回路如圖8所示。

圖6 中性點經消弧線圈接地故障電流流向圖

圖7 A相接地時電壓矢量圖

圖8 補償電網的電流諧振等值回路

式中IR為殘留中的有功分量，IC為電網的接地電容電流，IL為消弧線圈的補償電流。

通常消弧線圈工作在諧振點附近的過補償或欠補償狀態，若恰好工作在全補償狀態，會產生很高的諧振過電壓，對系統造成極大的危害。

由以上的分析可以看出，中性點經消弧線圈接地，由于電感電流的補償作用，能顯著減小故障電流，達到快速熄弧的目的。非故障相的電壓變為線電壓，有效值變為原來的倍。從穩態過電壓倍數來看，中性點經消弧線圈接地方式與中性點不接地方式一致，但是由于故障電流的顯著減小，通常補償后的故障電流不超過10 A，故障點電弧容易熄滅且不易重燃，有效避免了弧光接地過電壓的產生。同時，消弧線圈能有效減緩恢復電壓的上升速度，進一步降低了故障點電弧重燃的概率。

中性點經消弧線圈接地適用于單相接地故障電容電流大于10 A又需要在接地故障條件下運行的架空線路。架空線路的單相接地故障大多數為瞬時性故障，中性點經消弧線圈接地系統發生單相接地故障時，允許運行1～2 h，有效的降低了發生瞬時故障時的跳閘率，提高了供電的可靠性。同時，減小了非故障相的過電壓倍數，降低了對系統絕緣水平的要求。由于故障電流的減小，對保護裝置而言，特征量不明顯，存在保護不靈敏，選線困難等問題。

我國廠用中壓系統很少采用中性點經消弧線圈接地方式，①老電站的廠用電系統普遍比較簡單，單相接地故障電流小于10 A，不需要補償；②廠用中壓系統基本為電纜線路，很少有架空線，中性點經消弧線圈接地方式并不適用；③廠用電系統工作方式復雜，電容電流變化較大，若消弧線圈調諧參數選擇不當，很容易出現諧振過電壓，對系統危害極大。

3 結論

《水力發電廠過電壓保護和絕緣配合設計技術導則》（NB/T 35067-2015）規定：“3～20 kV不直接連接發電機的系統和35 kV、66 kV系統中性點宜采用不接地方式。當單相接地故障電容電流超過10 A，并且需要在接地故障條件下運行時，應采用中性點諧振接地方式；6～35 kV主要由電纜線路構成的配電系統以及發電廠廠用電系統，單相接地故障電容電流較大時，可采用中性點低電阻接地方式；6 kV和10 kV配電系統以及發電廠廠用電系統，單相接地故障電容電流不大于7 A時，為防止諧振、間歇性電弧接地過電壓等對設備的損害，可采用高電阻接地方式”。

水電站中壓廠用電系統變壓器數量及容量一般均有備用，重要負荷采用雙電源供電，因而廠用電系統沒有帶接地故障運行的必要性；且中壓廠用電系統以電纜線路為主，其為非自恢復絕緣，發生單相接地故障一般來說均為永久性故障，必須迅速切斷電源，避免造成相間短路事故擴大，即便采用消弧線圈，也只是一定程度上降低了接地故障電流，很難及時排除故障，在以電纜為主的廠用電系統中不能有效發揮作用[1]。

而低電阻接地可以使接地故障的檢測手段大為簡單、可靠，準確快速切除故障，同時也可降低過電壓水平，減小單相接地發展成相間短路的概率，防止事故擴大[2]。

綜上所述，從確保電站運行安全考慮，水電站中壓廠用電系統，當單相接地故障電容電流不大于7 A時，可采用不接地方式，保護動作于信號（需要現場人工即時干預）；當單相接地故障電容電流大于7 A時，宜采用中性點低電阻接地方式，保護動作于跳閘。