10 kV混合線路中性點接地電阻的選擇

陳 帆，胡 凱，葛天成

（國網武漢市新洲區供電公司，武漢 431400）

引言

為了使輸電線路不易發生跳閘事故，10 kV線路采用中性點不接地方式[1]。隨著輸電系統的不斷發展，現在很多地方在配電網中使用電力電纜，出現架空線路和輸電線路混合使用的情況。由于電纜的電容較大，使得系統的電容越來越大[2]，當系統發生弧光接地時，將會產生很大的過電壓和故障電流[3]。為了減小此類事故對配電網的危害，實際使用接地電阻和消弧線圈來降低過電壓危害，因經消弧線圈經濟性不合適[4]，經電阻接地系統有較為廣泛的使用。很多地方雖然采用了電阻接地系統，但發生電弧時，抑制過電壓的效果不明顯。造成這種情況的原因是由于不同的地方線路的結構不同，沒有做到具體的線路具體分析。

有許多學者對弧光接地過電壓進行研究，文獻[5-7]間歇性電弧的仿真采用的固定電阻，然而實際的電弧電阻是不斷變化的。本文將建立準確的電弧模型，分析中性點接地電阻不同時A、B、C三相電壓的變化，并研究故障時流經中性點和故障相電流的大小。

1 模型參數

1.1 系統參數

系統的結構圖如圖1所示，系統由3條電纜和1條架空線路組成，Rn為中性點接地電阻。線路的參數如下：

圖1 系統模型圖

（1）架空線路（7 km）

正序：R1=0.172Ω/km；X1=0.328Ω/km；C1=0.008μF/km。

零序：R0=0.322Ω/km；X0=1.147Ω/km；C0=0.005μF/km。

（2）電纜線路（5 km）

正序：R1=0.105Ω/km；X1=0.081Ω/km；C1=0.48μF/km。

零序：R0=1.05Ω/km；X0=0.32Ω/km；C0=0.41μF/km。

仿真是以2號電纜線路作為故障線路，A相為故障相。

1.2 電弧模型

電弧在導通期間電阻是隨時間變化的，為模擬變化電阻通常采用的數學模型為Mayr模型和Cassie模型，兩種模型的理論基礎不同，Mayr傾向于電擊穿理論，而Cassie模型傾向于熱擊穿理論[8]。實際中電弧變化的規律更加符合Cassie模型，其數學形式如式（1）。

其中gc電弧電導；τc時間常數，其值為1.2×10-5s；uarc電弧電壓；uc電弧恢復電壓，其值為3.16 kV[9]。

Cassie模型具體電路圖如圖2所示。

圖2 Cassie電弧模型電路圖

Cassie電弧模型和開關組合構成間歇性電弧模型，仿真中模擬電弧的四次重燃，t1=0.103 5 s時開關動作，t2=0.113 5 s時開關斷開；t3=0.123 5 s時2號開關動作，t4=0.133 5 s時開關斷開；電弧第三次重燃時開關動作為t5=0.143 5 s，t6=0.153 5 s開關斷開；t7=0.163 5 s時，4號開關動作，再經過0.01 s開關斷開[10]。電弧模型結構圖如圖3所示。

圖3 電弧模型結構圖

2 中心點不接地系統

圖4為不接地系統發生電弧故障時的電壓隨時間變化圖，表1為故障期間不同燃弧次數與最大電壓關系，由圖表可知第一個工頻周期內最高電壓為19.658 kV，是標準電壓的2.41倍。此時各相電壓未達到最大值，第二個周期內，最高的過電壓為25.39 kV。由于能量的不斷積累，第二次最高的過電壓是額定電壓的3.11倍，其值大于第一次電弧產生的最高過電壓。第三個周期時最高的電壓幅值相比第二個周期未發生較大變化。但四次電弧重燃期間的過電壓遠高于額定電壓，短暫的弧光過電壓將會使線路再次發生擊穿事故。

圖4 中性點不接地系統電壓波形圖

表1 燃弧次數與過電壓關系

3 中性點經電阻接地系統

不接地方式下電弧重燃四次時最高過電壓達25.354 kV，其過電壓是由于電荷在線路中振蕩造成。當接地方式改為經電阻接地時，電弧故障產生時，電荷通過中性點的電阻釋放掉，降低系統振蕩幅度，過電壓幅值得到降低。主變壓器10 kV側無中性點，為了降低改造成本，工程中通過引入接地變壓器，其容量為300 kVA，阻抗3%。

3.1 電壓與接地電阻關系

弧光接地是一個比較復雜的過程，電弧的熄滅與重燃的過程，在電弧產生期間會產生高頻振蕩電壓，接地電阻的阻值會對各相電壓產生不同影響。仿真中Rn分別設置10Ω、20Ω、50Ω、100Ω和200Ω。圖5為不同接地電阻仿真正波形圖。Rn=10Ω時，電弧第一次熄滅瞬間A相快速地振蕩，產生19.948 kV的過電壓，其幅值大于其他兩相最高過電壓幅值。同不接地系統仿真結果對比可知，Rn=10Ω過電壓幅值降低，但最高過電壓在故障相產生，且過電壓幅值與燃弧次數無關。

當Rn遞增時，故障相最高電壓幅值不斷遞減，B、C相最高電壓幅值不斷增加。由表2可知，當Rn=10Ω時，最高的過電壓在A相產生，其值為19.959 kV。B、C相最高過電壓值分別12.705 kV和11.969 kV。當Rn=50Ω時，故障相的過電壓最高值小于非故障相過電壓最高值，此時最高的過電壓在C相產生，其值為13.457 kV。當Rn=200Ω時，A相的過電壓最高值為11.009 kV，B、C相最高過電壓值分別為為12.982 kV、13.721 kV。

結合圖5和表2的數據可知，Rn=200Ω時故障相過電壓最低，Rn=10Ω時非故障相過電壓最低，但兩中情況下線路的過電壓均不是最低，當Rn=50Ω時，系統過電壓幅值低于其他情況。

表2 不同接地電阻時最高過電壓

圖5 不同電阻值下電壓波形

3.2 電流與接地電阻關系

圖6為Rn=10Ω時，故障點和中性點電流波形圖。當電弧產生時，故障點電流未達到最大值，隨著電弧不斷發生，故障點電流達到峰值，在電弧導通時電流先增加后減小，當電弧熄滅時電流值為0。電流變化波形符合電弧實際模型，在電弧導通時刻電弧阻值大于電弧導通時，所以故障點電流在電弧導通時刻未能達到最大值。電弧電流在第一次導通期間最大值為440 A，第二個周期內電流最大值為790 A，在四次電弧產生期間電流最大值797 A；中性點電流變化趨勢同故障點電流，第一次電弧導通時電流幅值為267 A，第二次幅值為465 A，四次燃弧期間最大的幅值為474 A。由仿真結果可得，故障點電流和中性點電流第一次產生幅值較小，在第二次電弧導通期間幅值達到穩定。

圖6 電流波形圖

表3記錄了接地電阻Rn取不同值時故障點最大電流和流經Rn電流幅值。當Rn取值增加時故障點產生的最大電流值逐漸降低，流經Rn電流幅值變化趨勢同故障點，但流經故障點電流最大值大于流經Rn電流最大值。當Rn取值為10Ω時，流經故障點電流最大值為797 A，流經Rn值為474 A，當Rn取值為200Ω時流經故障點電流最大值降至443 A，流經Rn則為35 A。

表3 不同接地電阻時最大電流

4 結論

（1）電阻接地系統過電壓幅值低于不接線系統。

（2）經電阻接地系統故障時，故障相會產生高頻振蕩電壓，隨著中性點接地電阻的增大，高頻振蕩電壓逐漸減小，非故障相過電壓幅值隨著接地電阻阻值的增加不斷增加，Rn=50Ω時過電壓最低。

（3）經電阻接地系統發生電弧故障時，故障點電流大于中性點電流，且電流最大值隨著電阻的增加不斷降低。