配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式及改造

國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司蘇州供電分公司 許家響 張祥帥 范小輝

1 引言

在我國(guó)配電網(wǎng)中，80%以上的故障是由線路單相接地引起的，架空線為主的電網(wǎng)單相故障中絕大多數(shù)為瞬時(shí)性故障，合理選用中性點(diǎn)接地方式，可以減少線路故障跳閘次數(shù)，提高供電的可靠性。近年來(lái)，隨著配電網(wǎng)的電纜化率逐步提高，部分區(qū)域變電站的電容電流快速增長(zhǎng)，通過(guò)對(duì)原接地方式進(jìn)行改造，能有效解決單相接地故障電流超標(biāo)的影響，有利于提高電網(wǎng)安全運(yùn)行水平[1-3]。

2 常見的中性點(diǎn)接地方式

目前，國(guó)內(nèi)配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式主要有不接地、經(jīng)消弧線圈或低電阻接地三種典型的接地方式[4-5]。

2.1 不接地

中性點(diǎn)不接地方式的結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，是一種配電網(wǎng)之前經(jīng)常采用的方式。在配電網(wǎng)出現(xiàn)持續(xù)的單相接地時(shí)，由于中性點(diǎn)沒(méi)有接地，使得變壓器內(nèi)部三相間電壓的對(duì)稱性不變。而接地點(diǎn)的故障電流只是配電網(wǎng)對(duì)地電容的電流，是比較小的，運(yùn)行中不需要立即切除發(fā)生接地故障的線路，能夠在內(nèi)繼續(xù)對(duì)用戶供電，減少因故障造成的停電時(shí)間，提高了供電可靠性，但是對(duì)配電網(wǎng)的整體絕緣水平要求較高。

2.2 經(jīng)消弧線圈接地

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城市配電網(wǎng)入地工程使得電纜線路應(yīng)用不斷增加，配電網(wǎng)系統(tǒng)的對(duì)地電容快速增長(zhǎng)。對(duì)地電容的增加使得單相接地故障電流劇增。當(dāng)接地電流在10~30A 時(shí)，故障點(diǎn)可形成間歇性的電?。划?dāng)接地電流大于30A 時(shí)，故障點(diǎn)可形成穩(wěn)定的電弧，穩(wěn)定的電弧可發(fā)展為持續(xù)性的接地故障。中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地，流過(guò)消弧線圈的電流為感性電流，在單相接地故障時(shí)能夠補(bǔ)償非故障相的容性電流，降低了故障點(diǎn)電流，進(jìn)而有助于熄滅故障電流產(chǎn)生的電弧。

2.3 經(jīng)低電阻接地

對(duì)于中性點(diǎn)不接地配電網(wǎng)系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障點(diǎn)的接地電流雖然較小，產(chǎn)生的間歇性電弧也可引起過(guò)電壓，造成非故障相的對(duì)地電位升高至配電網(wǎng)系統(tǒng)的線電壓，這時(shí)對(duì)配電網(wǎng)整體絕緣要求較高，絕緣薄弱處可能造成相間絕緣擊穿短路，引起事故擴(kuò)大。通過(guò)在配電網(wǎng)的中性點(diǎn)（或經(jīng)接地變壓器引出的中性點(diǎn)）串接低電阻接地，此電阻與配電網(wǎng)系統(tǒng)的對(duì)地電容為并聯(lián)關(guān)系。出現(xiàn)單相接地故障時(shí)，間歇性電弧的能量可以由該電阻吸收，大大降低間歇性電弧的重燃概率，從而降低非故障相的過(guò)電壓幅值。

2.4 中性點(diǎn)接地方式選用原則

一是配電網(wǎng)中性點(diǎn)選擇哪一種接地方式，具體應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)中對(duì)地電容電流的數(shù)值，綜合考慮系統(tǒng)整體絕緣水平以及所帶負(fù)荷的需求情況、線路常見故障形式等，并參考保留配電網(wǎng)發(fā)展的裕量。

二是不同類型供電區(qū)域配電網(wǎng)的中性點(diǎn)接地方式宜符合表1的要求。

表1 供電區(qū)域配電網(wǎng)適用的接地方式

三是按照發(fā)生單相接地故障時(shí)故障點(diǎn)電容電流的大小考慮，接地電流宜控制在1000A 以下；同一等級(jí)的規(guī)劃區(qū)域內(nèi)宜采用相同的中性點(diǎn)接地方式，以方便對(duì)負(fù)荷進(jìn)行轉(zhuǎn)供。配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式選擇應(yīng)符合表2中的原則。

表2 配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式選擇

3 中性點(diǎn)不接地方式的改造

中性點(diǎn)不接地的配電網(wǎng)系統(tǒng)，發(fā)生單相接地故障時(shí)的電容電流超過(guò)10A 時(shí)，同時(shí)要求能夠在故障條件下運(yùn)行，可將接地方式改造為經(jīng)消弧線圈接地。

4 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式的改造

4.1 消弧線圈接地方式存在的問(wèn)題

4.1.1 消弧線圈容量不足引起欠補(bǔ)償

隨著電網(wǎng)的升級(jí)改造，中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式面臨的主要問(wèn)題是，消弧線圈容量不足導(dǎo)致系統(tǒng)電容電流欠補(bǔ)償。對(duì)于欠補(bǔ)償不是特別嚴(yán)重的情況，消弧線圈增容改造是近年來(lái)國(guó)內(nèi)大部分城市電網(wǎng)所采用的最主要且相對(duì)簡(jiǎn)單、成熟的方案。但是這種方案最大的劣勢(shì)在于，消弧線圈的增容相對(duì)滯后于配電網(wǎng)系統(tǒng)的入地改造。同時(shí)，部分變電站的電容電流已經(jīng)超過(guò)了消弧線圈最大補(bǔ)償容量（1000kVA）的上限，如表3所示。

表3 某城區(qū)配電網(wǎng)電容電流補(bǔ)償情況表

4.1.2 消弧線圈接地選線準(zhǔn)確率偏低

消弧線圈接地方式的另一個(gè)問(wèn)題是發(fā)生接地故障時(shí)的選線準(zhǔn)確率偏低，2016年國(guó)家電網(wǎng)多家省公司及電科院已開展過(guò)消弧線圈選線試驗(yàn)，結(jié)果均證明消弧線圈選線準(zhǔn)確率實(shí)際偏低。

4.1.3 低電阻接地方式的論證

低電阻接地方式優(yōu)點(diǎn)。一是當(dāng)系統(tǒng)中某條線路發(fā)生單相接地時(shí)，能夠可靠動(dòng)作切除接地故障，保證其他無(wú)故障線路可靠運(yùn)行，減少接地選跳對(duì)其他線路供電的影響。二是由于在第一時(shí)間將故障切除，降低了因接地故障引起非故障相電壓升高時(shí)系統(tǒng)內(nèi)絕緣薄弱環(huán)節(jié)絕緣擊穿的概率。三是在同一系統(tǒng)出現(xiàn)兩條或以上線路接地時(shí)，經(jīng)低電阻接地系統(tǒng)可以使接地線路跳閘，避免了停電選跳的過(guò)程。

現(xiàn)代城市電網(wǎng)低電阻改造的條件。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)一些城市電網(wǎng)加強(qiáng)配電網(wǎng)建設(shè)，通過(guò)更換絕緣導(dǎo)線、加裝絕緣護(hù)罩、采用全絕緣設(shè)備，目前已實(shí)現(xiàn)架空線路全絕緣化，絕緣化率達(dá)到100%，線路電纜化率已接近達(dá)到80%，為低電阻接地方式改造提供了良好的條件。國(guó)內(nèi)一些城市自20世紀(jì)九十年代起，已經(jīng)開始采用中性點(diǎn)經(jīng)低電阻接地方式，并投運(yùn)至今，擁有成熟可靠的運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)。

4.2 經(jīng)低電阻接地的主要接線方式

對(duì)于變壓器聯(lián)結(jié)組別以及變電站內(nèi)一次設(shè)備布置的不同情況，依據(jù)《國(guó)家電網(wǎng)公司輸變電工程通用設(shè)計(jì)110（66）kV 智能變電站模塊化建設(shè)（2015年版）》110kV 變電站部分方案，低電阻接地有兩種典型接線方式，如圖1所示。

圖1 中性點(diǎn)經(jīng)低電阻接地的兩種典型接線方式

方式一：接地變接地電阻成套裝置直接接至主變壓器次級(jí)首端。改造時(shí)將消弧線圈退出運(yùn)行，增加低電阻接地變成套裝置一套接于主變次級(jí)首端，核對(duì)所有出線開關(guān)柜內(nèi)零序電流互感器功能。變電站繼電保護(hù)配置做相應(yīng)的調(diào)整，以滿足接地方式的改變。

方式二：接地變接地電阻成套裝置通過(guò)斷路器接至母線。改造時(shí)母線上原消弧線圈退出運(yùn)行，增加低電阻裝置接于接地變中性點(diǎn)后，核對(duì)所有出線開關(guān)柜內(nèi)零序電流互感器功能。變電站繼電保護(hù)配置做相應(yīng)的調(diào)整，以滿足接地方式的改變。

4.3 中性點(diǎn)改造為經(jīng)低電阻接地方式的應(yīng)用實(shí)例

以國(guó)內(nèi)某城市電網(wǎng)110kV 某變電站為例，用上節(jié)提到的方式一（主變次級(jí)首端加裝低電阻成套裝置）作為此變電站的改造方式。

4.3.1 改造前系統(tǒng)運(yùn)行情況

此變電站＃1消弧線圈于2008年7月投運(yùn)，其額定電流為75A，根據(jù)測(cè)算，2013年系統(tǒng)電容電流值為85.45A，嚴(yán)重欠補(bǔ)償，列入技改計(jì)劃。2014年增容至1000kVA，額定電流165A。

2016年4月10日，此變電站發(fā)生電纜起火故障，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)取控制裝置上的動(dòng)作記錄情況（見表4），可見在系統(tǒng)電容電流滿足過(guò)補(bǔ)償?shù)臈l件下，仍存在殘流過(guò)大及中性點(diǎn)位移電壓超標(biāo)的情況，可能導(dǎo)致電弧不能自然熄滅，最終引起相間短路及火災(zāi)事故。

表4 110kV 某變電站消弧線圈接地動(dòng)作情況

4.3.2 改造后系統(tǒng)運(yùn)行情況

對(duì)改造為低電阻接地方式后的此變電站，調(diào)取2017年全年的動(dòng)作記錄發(fā)現(xiàn)，保護(hù)均正確動(dòng)作，并及時(shí)切除故障線路，見表5。

表5 110kV 某變電站低電阻改造后保護(hù)動(dòng)作情況

通過(guò)對(duì)比改造前后的情況，可以發(fā)現(xiàn)，消弧線圈接地方式受限于采樣準(zhǔn)確率、選線正確率以及調(diào)檔機(jī)構(gòu)可靠性等，且無(wú)法消除系統(tǒng)阻性分量帶來(lái)的殘流影響，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地時(shí)并不能從根本上保證電網(wǎng)設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行；低電阻接地方式下，零序保護(hù)能夠可靠動(dòng)作，精準(zhǔn)切除接地故障，徹底消除了系統(tǒng)發(fā)生

長(zhǎng)時(shí)接地可能引起的設(shè)備火災(zāi)隱患。

5 結(jié)語(yǔ)

中性點(diǎn)的接地方式關(guān)系著配電網(wǎng)系統(tǒng)中設(shè)備的整體絕緣水平、繼電保護(hù)的配合以及供電的可靠性。本文上述的不同中性點(diǎn)接地方式彼此各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)參照不同配電網(wǎng)的具體情況，對(duì)不同接地方式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合考量后進(jìn)行選擇，同時(shí)本文給出了中性點(diǎn)接地方式幾種典型的改造方式，為電力從業(yè)人員在配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式的選用和改造上提供參考幫助。