李晨輝，李紅巖，趙振華，張軍浩

（1.寧波甬城配電網建設有限公司，浙江 寧波 315000；2.國網浙江寧波市鄞州區(qū)供電公司，浙江 寧波 315100）

2017年浙江電力優(yōu)秀青工科技論文

電纜為主的10 kV配電網中性點經小電抗接地的可行性研究

李晨輝1，李紅巖2，趙振華1，張軍浩1

（1.寧波甬城配電網建設有限公司，浙江 寧波 315000；2.國網浙江寧波市鄞州區(qū)供電公司，浙江 寧波 315100）

城市配電網中電纜線路的大范圍使用，導致10 kV配電系統的電容電流急劇增加，單相接地故障及其引起的相間短路故障也越來越多。近年來，中性點經小電抗接地方式在500 kV，220 kV及110 kV電壓等級電網中取得了良好的應用。為了克服現有中壓配電網中性點接地方式的問題，研究了電纜出線為主的10 kV配電網在中性點經小電抗接地方式下的故障特性，通過仿真和結果對比，提出了電纜為主的10 kV配電網中性點經小電抗接地的優(yōu)勢和可行性。

10 kV配電網；小電抗接地；單相接地故障

0 引言

近年來，隨著城市用電負荷的快速增長，城市規(guī)劃的進一步加強，電力電纜被越來越多地用于城市的主干電網?？梢灶A見，今后我國中壓線路必將逐步電纜化。而目前在中性點接地方式的選擇上還存在一些爭議[1-4]。在電纜出線為主的中壓配電網中，具有代表性的幾種接地方式主要存在以下問題。

目前使用最廣的經消弧線圈接地，雖然單相接地時，供電可靠性高，但是對于電纜線路，接地電容電流按線電壓變化，而消弧線圈按相電壓運行。在系統電壓有偏移時，整定的殘流會發(fā)生變化，且當母線電容電流較大，運行方式發(fā)生變化或網架結構調整時，其電容電流的變化范圍也較大，消弧線圈補償和調諧較困難[5-6]。而經低電阻接地有以下幾個問題[7]：

（1）電阻阻值難以選擇，阻值越小，過電壓越小，接地電流越大，發(fā)展成為相間短路或三相故障的可能性越大。

（2）低值電阻中流過的電流過大，引起的地電位達數千伏，而且滿足熱容量要求的合金電阻成本太高。而小電抗接地恰好可以滿足降低零序阻抗的要求，有學者提出10 kV配電網中采用小電抗接地，可有效抑制故障電流和電壓[8]。

因此，以下對電纜為主的配電網，中性點采用小電抗接地時，發(fā)生故障時的過電壓、過電流以及關鍵影響因素進行研究，論證小電抗接地在10 kV配電網中的可行性。目前，單相接地故障已成為電力系統中的主要故障形式，約占60%以上[9]，環(huán)網箱變電纜頭故障如圖1所示。以下對單相接地故障時小電抗接地對電纜為主的城市配電網仿真和分析[10-12]。

圖1 環(huán)網箱變進出線電纜頭燒毀照片

1 10 kV電纜網絡的單相接地故障理論分析

中性點經電抗接地系統發(fā)生單相接地故障時如圖2所示（A相接地），圖中L為電抗電感；r1，r2，r3分別表示各相對地的分布絕緣電阻；C1，C2，C3分別表示各相對地的分布電容；IE為對地短路電流；EA，EB，EC為三相電壓；IL為流過電抗電感的電流。

圖2 中性點經小電抗接地系統

等效電路如圖3所示，在研究電容電流的暫態(tài)特性時，實際就是分析1個L0，C，R0的串聯回路，在某個瞬間突然接通零序正弦電源時的過渡過程，圖中，C為電網的三相對地電容；R0為零序回路中的等值電阻（其中包括導線的電阻、大地的電阻以及故障點的過渡電阻）；u0為零序電源電壓；iL為電抗電感電流；ig為主回路電流。

圖3 單相接地暫態(tài)電流的等效回路

列出圖3中電壓平衡方程式，并解微分方程可以得出：

式中：uLC，uR0，uC分別對應 LC，R0， C 的電壓；L0為三相線路和電源變壓器等在零序回路中的等值電感；L為中性點小電抗，δ=R0/2L0為自由分量的衰減系數，ω0=（1/L0C）1/2為回路的共振頻率；ω為回路的自由振蕩頻率；φ為接地瞬間電源電壓的相角；Um為電壓幅值。

由式（1），（2）可知，單相接地故障后，故障點會同時流過迅速衰減的暫態(tài)電容電流和不衰減的暫態(tài)電感電流。圖4中線路3發(fā)生A相金屬性接地，電抗兩端為相電壓，故障相A相對地電壓

從圖4中可知，各條出線的各相對地電容C1，C2，C3，均承受的相同母線電壓，因此，故障點的接地電流ID為：

圖4 等效回路

式中：C∑為對地電容總和；IB∑，IC∑分別對應非故障相B與C的總電容電流；U0為小電抗端電壓。

理論分析及實踐經驗表明，單相接地故障時，系統的過渡主要因素影響：配電網絡的結構、大?。ㄖ行渣c接地小電抗值和系統電容電流值）、故障點位置（電纜線路的中部或末端）、接地過渡電阻值。

2 10 kV中性點經小電抗接地網模型的建立

本模型選用單母線分段接線的電氣主接線，為Ⅰ，Ⅱ段母線分段運行，Ⅰ段母線帶10回出線。因10 kV配電網發(fā)生單相接地故障，對110 kV側及以前的系統影響不大，故本模型中采用無限大電源[13-14]。變壓器采用110/10 kV的三相雙繞組主變壓器，容量為2×31.5 MVA。變電站電氣接線圖如圖5所示。

利用PSCAD（電磁暫態(tài)仿真軟件）提供的電纜線路的模型，參照典型的電纜出線為主的10 kV線路布置形式來模擬。采用圖5中10 kV系統電容電流為526 A的Ⅰ段母線出線，經過適當簡化得到計算用的接線圖（見圖6），圖中L為小電抗，L1—L10為10條出線的序號。

選取電纜長度時考慮到其臨界長度必須小于20 km。10 kV配電網出線線型（以YJV22-3×300為主）及長度選擇如下：L1—L10分別為13.451 km，12.901 km，13.814 km，13.858 km，11.839 km，13.202 km，12.491 km，13.18 km，13.18 km，8.46 km。調整電纜出線的長度，便可改變系統電容電流等級。

圖5 變電站電氣接線示意

圖6 計算用10 kV配電網接線

3 10 kV電纜網絡的單相接地故障仿真分析

3.1 單相接地故障暫態(tài)情況分析

仿真時，針對中性點經小電阻、小電抗、不同補償度消弧線圈接地3種方式，分別計算電纜線路首端及末端發(fā)生金屬性單相接地故障時母線各相、故障點處各相、中性點、暫態(tài)電壓幅值，故障點及中性點處暫態(tài)電流幅值。計算中以π/6為間隔。接地電阻值和小電抗值的選取以ωL=R為原則。為了便于分析，操作過電壓幅值均以p.u.為單位（1 p.u.=8.732 kV）。仿真過程，為了更直觀的分析中性點經小電抗接地的效果，分別用實際使用效果較好的經小電阻接地和經消弧線圈接地作為對比。

3.1.1 電纜線路首端發(fā)生單相接地故障電流和電壓暫態(tài)幅值

選取1條電纜線路，計算其母線端發(fā)生金屬性單相接地故障時電流電壓暫態(tài)幅值。

由表1可知，中性點經小電抗接地時，故障點暫態(tài)電流幅值比中性點處要低，而且在故障初相角接近0時，暫態(tài)電流幅值出現最大值，這與理論分析的結果一致。對同一故障初相角，中性點經小電抗接地無論是故障處還是中性點處的暫態(tài)電流幅值都比中性點經同阻抗模值小電阻接地時大。

表1 暫態(tài)電流幅值計算結果A

圖7—9給出了母線故障相、健全相以及中性點的暫態(tài)電壓幅值與故障初相角φ的關系圖?？芍?，母線故障相不超過1.16 p.u.，母線健全相處在π/3時取得最大值1.80 p.u.，中性點處在π/6時取得最大值0.98 p.u.。對于相同的故障初相角，小電抗接地時，母線故障相的暫態(tài)電壓幅值比經小電阻接地時略高；而健全相和中性點處比經小電阻接地時略低。

圖7 母線故障相電壓

圖8 母線健全相電壓

圖9 中性點電壓

通過上述比較，小電抗接地時，其母線處故障相暫態(tài)電壓幅值略高于小電阻，而其健全相以及中性點處電壓暫態(tài)幅值都低于小電阻接地。所以，從暫態(tài)電壓幅值來看，中性點經小電抗接地是可行的。

中性點經小電抗接地實際上是過補償度很高的消弧線圈接地方式，因此，此處分析中性點經不同過補償度電抗接地時的暫態(tài)電流電壓情況。有代表性地選取了10%，50%，100%，200%，400%和500%過補償度進行仿真，其中10%和50%代表經消弧線圈接地，≥100%代表小電抗接地。由于消弧線圈接地是小電流接地，而小電抗接地屬于大電流接地，無需對電流值進行比較，因而表2只給出不同的過補償度下的計算結果。

從表2中可看出，在同一過補償度，初相角接近0時，暫態(tài)電流幅值最大。隨著過補償度的增大，暫態(tài)電流幅值也增大。

由圖10—13可知，隨著電抗的減小，健全相及中性點處暫態(tài)電壓幅值都減小。經小電抗接地時，健全相和中性點處比經消弧線圈接地時低。

通過上述比較可看出，中性點經小電抗接地時，健全相以及中性點處暫態(tài)電壓幅值都低于消弧線圈接地，而且隨著電抗值的減小，健全相以及中性點處電壓暫態(tài)幅值都明顯的減小。由此可見，從暫態(tài)電壓幅值看，中性點經小電抗接地是可行的。

表2 暫態(tài)電流幅值計算結果A

圖10 母線故障相電壓

圖11 母線健全B相電壓

3.1.2 電纜線路末端發(fā)生單相接地故障電壓和電流暫態(tài)幅值

圖12 母線健全C相電壓

圖13 中性點電壓

同理，計算其末端發(fā)生金屬性單相接地故障時電壓和電流暫態(tài)幅值。表3給出了中性點經小電阻和經小電抗接地方式下的仿真計算結果。從表3中可以看出，中性點經小電抗接地時，故障點處的暫態(tài)電流幅值比小電阻略低。對比表1與表3，電纜末端短路時，故障點和中性點處的暫態(tài)電流幅值比靠近母線處要小得多。

表3 暫態(tài)電流幅值計算結果A

由圖14，15和18可知，中性點經小電抗接地方式下，母線處故障相、故障點處故障相以及中性點處的暫態(tài)電壓幅值均比中性點經小電阻接地時的相應值略高，但是均不超過某一范圍（分別為 1.02 p.u.， 1.10 p.u.以及 0.05 p.u.）。

圖14 母線故障相電壓

圖15 故障點故障相電壓

圖16 母線健全相電壓

圖17 故障點健全相電壓

圖18 中性點接地方式及對電壓暫態(tài)幅值的影響

由圖16和17可以看出，中性點經小電抗接地時健全相C相的母線處和故障點處的暫態(tài)電壓幅值的最大值分別不超過1.05 p.u.和1.16 p.u.。

總體上看，小電抗接地母線處、故障點處各相、中性點處電壓暫態(tài)幅值基本上略高于小電阻接地方式，但是最大值均不超過1.2 p.u.，因此，中性點經小電抗接地方式時的暫態(tài)電壓滿足運行要求。

不同過補償度電抗接地時的電流情況如表4所示?？芍?，末端故障時，小電抗接地的暫態(tài)電流幅值因故障初相角不同而無變化。過補償度增大時故障點及中性點處暫態(tài)電流幅值也增大。對比表2與4，末端短路時，故障點和中性點處暫態(tài)電流幅值比靠近母線處故障時的暫態(tài)電流幅值要小得多。

表4 暫態(tài)電流幅值計算結果A

由圖19—25可知，相同故障初相角，中性點經小電抗接地時，母線及故障點處比經消弧線圈接地時略高，而對應健全相和中性點處比經消弧線圈接地時低。而且末端故障時，故障點處比母線處略高。

圖19 母線故障相電壓

圖20 故障點故障相電壓

圖21 母線健全B相電壓

通過上述比較可以看出，中性點經小電抗接地方式下，只有母線處及故障點處故障相暫態(tài)電壓幅值略高于消弧線圈接地方式，而母線處及故障點處對應健全相以及中性點處暫態(tài)電壓幅值以都低于消弧線圈接地方式下的相應值，而且隨著中性點所接電抗值的減小，健全相以及中性點處電壓暫態(tài)幅值都減小。由此可見，從暫態(tài)電壓幅值來看，中性點經小電抗接地方式是可行的。

圖22 故障點健全B相電壓

圖23 母線健全C相電壓

圖24 故障點健全C相電壓

圖25 中性點電壓

3.2 單相接地故障穩(wěn)態(tài)情況分析

3.2.1 電纜線路首端發(fā)生單相接地故障電壓和電流穩(wěn)態(tài)幅值

仿真過程中，電阻值取為6 Ω，小電抗的取值滿足ωL=R。表5給出了中性點經小電阻和經小電抗接地時的仿真計算結果。

表5 電壓電流穩(wěn)態(tài)幅值計算結果

由表5可知，兩種方式母線故障A相的電壓穩(wěn)態(tài)幅值均幾乎為零（0.002 p.u.），而健全相B、C相基本都在1.7 p.u.，與理論分析一致[15-16]。同時，小電抗接地時略低于小電阻時，故障點及中性點處幅值也低于小電阻接地時。因此，從電壓電流的穩(wěn)態(tài)幅值看，經小電抗接地要優(yōu)于經小電阻接地。表6給出了不同電抗過補償度時電壓電流穩(wěn)態(tài)幅值的計算結果。

表6 不同過補償度電壓電流穩(wěn)態(tài)幅值計算結果

從表6中可以看出，無論何種接地，母線故障相A相的電壓穩(wěn)態(tài)幅值都近乎0，母線對應健全相電壓穩(wěn)態(tài)幅值為1.73 p.u.左右，與理論分析結果基本一致。中性點經小電抗接地時的過電壓幅值要低于經消弧線圈接地時的情況。對于某一特定的過補償度，中性點處電流穩(wěn)態(tài)幅值比故障點處的值大。

3.2.2 電纜線路末端發(fā)生單相接地故障電壓和電流穩(wěn)態(tài)幅值

同理，計算其末端發(fā)生金屬性單相接地故障時電壓和電流穩(wěn)態(tài)幅值。表7給出了中性點經小電阻、小電抗接地方式下的仿真計算結果。

可以看出，無論中性點經小電抗還是小電阻接地，母線處、故障點處各相電壓、中性點處電壓穩(wěn)態(tài)幅值的差別不大。故障點處對應健全相的過電壓穩(wěn)態(tài)幅值要略大于母線處。中性點經小電抗接地時中性點處電流穩(wěn)態(tài)幅值高于經小電阻接地時的值，故障點處電流穩(wěn)態(tài)幅值則略低。表8給出了不同電抗過補償度時的電壓、電流穩(wěn)態(tài)幅值的計算結果。

表7 電壓電流穩(wěn)態(tài)幅值計算結果

表8 不同過補償度電壓電流穩(wěn)態(tài)幅值計算結果

可知故障點處故障相的電壓穩(wěn)態(tài)幅值都為0；母線處故障相的過電壓穩(wěn)態(tài)幅值接近1 p.u.，并隨電抗的減小而增大。經消弧線圈接地時的過電壓幅值要高于小電抗接地的情況。且對于健全相，故障點處的過電壓穩(wěn)態(tài)幅值要略大于母線處。故障點及中性點的電流穩(wěn)態(tài)幅值均隨著電抗值的減小而增大。

3.3 中性點經小電抗接地時電壓電流的波形

仿真母線端發(fā)生金屬性單相接地故障時中性點和故障線各相的電流和電壓波形。選L=0.019 1 H，設0.15 s時發(fā)生故障。中性點經小電抗接地時故障點、中性點處、健全相電流波形圖分別如圖26—29所示。

中性點電流和故障點電流方向相反，故障點處暫態(tài)電流比中性點處略低。健全相B相和C相的電流受到故障相的影響，發(fā)生劇烈振蕩后分別增大為原來的1.61倍和1.56倍。

中性點經小電抗接地時故障相、健全相以及中性點的電壓波形如圖30—33所示。理論分析表明，電壓迅速進入穩(wěn)態(tài)情況，故障相的穩(wěn)態(tài)電壓幅值為0，健全相為1.7 p.u.左右。從電壓波形可以看出，各相電壓的變化情況與理論分析相一致。

圖26 故障點處電流

圖27 中性點處電流

圖28 健全相B相電流

圖29 健全相C相電流

圖30 中性點處電壓

圖31 母線故障相電壓

圖32 母線健全相B相電壓

圖33 母線健全相C相電壓

4 結論

通過對不同中性點接地方式時發(fā)生單相接地故障后各相、故障點、中性點處穩(wěn)態(tài)電壓幅值、穩(wěn)態(tài)電流幅值的理論分析和仿真計算，得到以下結論：

（1）在以電纜為主的10 kV配電網系統中，首端發(fā)生單相接地故障時，中性點經小電抗接地，中性點處暫態(tài)電壓幅值不超過1.1 p.u.，母線故障相暫態(tài)電壓幅值不超過1.3 p.u.，且與其他2種接地方式相差不大，而對應母線健全相暫態(tài)電壓幅值均略低于其他2種接地方式。無論接地方式如何，母線故障相穩(wěn)態(tài)電壓幅值均為0，而中性點經小電抗接地時對應母線健全相及中性點處的穩(wěn)態(tài)電壓幅值均低于其他2種中性點接地方式。

（2）電纜末端發(fā)生單相接地故障時，經小電抗接地時對應母線及故障點各相暫態(tài)電壓幅值都低于經消弧線圈接地；中性點處暫態(tài)電壓幅值低于0.6 p.u.；對應母線及故障點處健全相及中性點處電壓穩(wěn)態(tài)幅值低于另外2種接地方式，母線故障相暫態(tài)電壓幅值雖然高于經消弧線圈接地時的值，但最大不超過1 p.u.。

（3）中性點經小電抗接地時故障點處暫態(tài)電流幅值比經相同阻抗模值的小電阻接地時大；當線路首端發(fā)生單相接地故障時，中性點經小電抗接地時故障點及中性點處穩(wěn)態(tài)電流幅值均低于小電阻接地情況，并且電抗值的熱容量要求不高，因此可避免經小電阻接地時因電阻的熱容量大導致的制造困難問題。而對于線路末端發(fā)生單相接地故障的情況，中性點經小電抗接地時故障點及中性點處的電流與經相同阻抗模值的小電阻接地時相差不大。

由此可見，中性點經小電抗接地方式在電纜出線為主的10 kV配電網絡中具有一定的優(yōu)勢。

[1]郭麗偉，薛永端，徐丙垠，等.中性點接地方式對供電可靠性的影響分析[J].電網技術，2015，39（8）∶2340-2345.

[2]董雷，何林，蒲天驕.中性點接地方式對配電網可靠性的影響[J].電力系統保護與控制，2013，41（1）∶96-101.

[3]王倩瑜.配電網中性點接地技術研究[J].電子設計工程，2017，25（7）∶139-143.

[4]梁玉枝，李倩，程一，等.城市配電網10 kV中性點接地方式關鍵技術綜述[J].華北電力技術，2016（4）∶19-22.

[5]劉渝根，王建南，米宏偉，等.10 kV配電網中性點接地方式的優(yōu)化研究[J].高電壓技術，2015，41（10）∶3355-3362.

[6]文玉玲，丁碧薇，宋占黨，等.配電網中性點最佳接地電阻值選擇[J].電氣自動化，2014，36（6）∶83-88.

[7]曹小玲，蔣多輝.中性點經小電阻接地方式在電力系統中的應用[J].華東電力，2013，41（11）∶2305-2307.

[8]劉遠.10 kV配電網中性點經小電抗接地方式下單相接地故障的仿真研究[D].西安：西安交通大學，2009.

[9]王波.基于PSCAD與RTDS的配電網小電流接地故障仿真結果分析[J].電氣技術，2008（8）∶7-10.

[10]梅照賽，鄒國平，金佳敏.中性點不接地系統電容電流測試方法優(yōu)選研究[J].浙江電力，2017，36（7）∶6-10.

[11]丁愛佳，鮑炫羽，季玲玲，等.小電流接地系統單相接地故障選線方法研究[J].浙江電力，2017，36（5）∶8-11.

[12]吳青軍，黃駕駕，劉東紅.零序過流保護在單相接地故障選線中的應用探討[J].浙江電力，2016，35（5）∶47-49.

[13]嚴浩軍，龔亞萍，翁志紅.城市配電網中性點接地方式探討[J].浙江電力，2013，32（7）∶25-27.

[14]陸國慶，姜新宇，江健武，等.110 kV及220 kV系統變壓器中性點經小電抗接地方式的研究及其應用[J].電網技術，2006，30（1）∶70-74.

[15]于化鵬，陳水明，楊鵬程，等.220 kV變壓器中性點經小電抗接地方式[J].電網技術，2011，35（1）∶146-151.

[16]蔣偉，吳廣寧，黃震，等.短路故障對部分接地方式下220 kV變壓器影響分析[J].電力系統自動化，2007，31（21）∶98-101.

[17]裴星宇，梁飛強，翁奕珊，等.10 kV配電網在線合環(huán)輔助決策系統的設計與實現[J].廣東電力，2016，29（1）∶58-64.

[18]李濤，姚昆，廖源，等.基于區(qū)間法的10 kV配電網線損節(jié)能評價方法[J].廣東電力，2015，28（5）∶95-98.

[19]劉峻岐，王小霖，張弦，等.10 kV配電網感應雷過電壓的計算及影響因素分析[J].廣東電力，2015，28（4）∶98-105.

2017-09-22

李晨輝（1990），男，助理工程師，從事配電網運行維護工作。

（本文編輯：陸 瑩）

建設世界一流電網 建設國際一流企業(yè)

Feasibility Study on Neutral Point Grounding Through Small Reactor in Cable-based 10 kV Distribution System

LI Chenhui1，LI Hongyan2，ZHAO Zhenhua1，ZHANG Junhao1
（1.Ningbo Yongcheng Power Distribution System Construction Co.，Ltd.，Ningbo Zhejiang 315000，China；2.State Grid Ningbo Yinzhou Power Supply Company， Ningbo Zhejiang 315100， China）

The wide use of the cable line in urban distribution system leads to the dramatically increase of capacitive current in 10 kV power distribution system，bringing out more and more single-phase ground faults and the induced interphase short-circuit faults.In recent years，the grounding of the neutral point through small reactor has been successfully applied in 500 kV，220 kV and 110 kV power grids.Aiming at overcoming the problem of the grounding of the neural point in the existing medium-voltage distribution system，this paper investigates the fault features of the neural point grounding though small reactor in the cable outletbased distribution system.The advantage and feasibility of neural point grounding though small reactor in the cable-based 10 kV distribution system are presented by the simulation and results comparison.

10 kV distribution system；grounding through small reactor；single-phase ground fault

10.19585/j.zjdl.201711001

1007-1881（2017）11-0002-10

TM862

A