廣州電網(wǎng)20 kV配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式的研究與探討

南方電網(wǎng)廣州供電局公司 莫文雄 方健 王勁 王勇 欒樂 黃慧紅 覃煜 李盛楠

本文通過理論分析和仿真驗(yàn)證相結(jié)合的方式，發(fā)現(xiàn)20 kV中壓配電網(wǎng)中小電阻接地方式對抑制工頻過電壓水平發(fā)生概率的能力優(yōu)于消弧線圈接地方式，且具有較大的故障電流，有利于繼電保護(hù)裝置動作和提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，對于電容電流較大的20 kV配電網(wǎng)接地方式推薦采用中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地。

20kV配電網(wǎng)；中性點(diǎn)接地方式；過電壓；EMTP-ATP；絕緣配合；

0 引言

20世紀(jì)70年代以來，我國采用的電壓等級主要為750 kV、500 kV、330 kV、220 kV、110 kV、66 kV、35 kV、10 kV。大部分城市主要采用220 kV、110 kV、35 kV、10 kV、0.4 kV電壓等級序列，其中35 kV及35kV以上電壓等級歸為高壓電網(wǎng)，中壓配電網(wǎng)的各項(xiàng)工作都集中統(tǒng)一在10 kV[1][2]。近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市用電負(fù)荷猛增，尤其在一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，城市中心負(fù)荷密度高達(dá)20～30 MW/km2，而10 kV線路的正常送電功率只有3000 kW左右，供電半徑只有1～1.5 km，難以滿足城市發(fā)展的需求。并且10 kV電壓等級在設(shè)備投資、節(jié)能降損、線路走廊等方面還存在著困難。從我國中壓配電網(wǎng)電網(wǎng)長遠(yuǎn)發(fā)展來看，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)中壓配電網(wǎng)發(fā)展20 kV電壓等級是十分有必要的。

1 中性點(diǎn)接地方式、內(nèi)過電壓與絕緣配合的關(guān)系

各級電網(wǎng)均需根據(jù)過電壓水平來分析其應(yīng)采取的絕緣配合策略。其中內(nèi)過電壓水平主要取決于系統(tǒng)自身參數(shù)配置和中性點(diǎn)接地方式。本文主要研究中性點(diǎn)接地方式對20 kV電壓等級內(nèi)過電壓水平的影響，進(jìn)而分析20 kV電壓等級應(yīng)采取的絕緣配合策略[3]，三者的關(guān)系如圖1所示。

2 中壓配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式的特點(diǎn)

中壓配電網(wǎng)中性點(diǎn)主要的接地方式有不接地、直接接地、消弧線圈接地和電阻接地方式。電阻接地方式根據(jù)接地電阻的大小可以分為大電阻接地方式和小電阻接地方式兩種（亦有分大、中、小三種電阻接地方式的）。根據(jù)國外經(jīng)驗(yàn)與我國其它電壓等級的運(yùn)行實(shí)踐，中壓配電網(wǎng)各接地方式有如下所述的基本特點(diǎn)。

2.1 不接地方式特點(diǎn)

中性點(diǎn)不接地方式不需要任何接地設(shè)備，是一種最為簡單的電網(wǎng)地方式。不接地方式系統(tǒng)發(fā)生單相接地障時，故障電流以線路對地電容的容性電流分量為主，適合架空線為主的電網(wǎng)。較小的故障電流對電力設(shè)備、通訊線路和人生安全造成的危害較小。10 kV電壓等采用中性地方式，主要為了保障系統(tǒng)的供電可靠性。

但20 kV電壓等級采用中性點(diǎn)不接地方式，可能面臨兩個方面的問題，一方面20 kV電壓等級電壓水平上升，系統(tǒng)多采用電纜線路，對地電容大，容性電流分量遠(yuǎn)大于10 kV電壓等級，不接地方式系統(tǒng)單相故障電流可能高達(dá)數(shù)百安培。另一方面，20 kV電壓等級電纜線路單相接地故障大多為單相永久性故障，帶故障運(yùn)行會對系統(tǒng)設(shè)備和線路的絕緣造成長時間沖擊，加快線路絕緣老化，影響設(shè)備使用壽命。且系統(tǒng)長時間單相故障容易發(fā)展成為多重故障，造成事故擴(kuò)大化。

圖1 中性點(diǎn)接地方式、內(nèi)過電壓與絕緣配合關(guān)系圖

2.2 直接接地方式特點(diǎn)

中性點(diǎn)直接接地方式主要的優(yōu)點(diǎn)在于發(fā)生單相接地故障時，非故障相電壓升幅不大，對設(shè)備絕緣要求低。且單相故障電流大，繼電保護(hù)裝置動作迅速靈敏，基本不會使故障發(fā)展成為多重故障。我國110 kV及以上電壓等級大多采用中性點(diǎn)直接接地方式。中性點(diǎn)直接接地方式的缺點(diǎn)主要是，配電系統(tǒng)中出現(xiàn)單相接地故障時，短路電流非常大，可能會破壞電氣設(shè)備，中性點(diǎn)直接接地方式若不能快速切除故障線路，系統(tǒng)弧光接地過電壓等級較高。

綜合考慮系統(tǒng)限制短路電流、保障人身安全，降低絕緣水平、提高經(jīng)濟(jì)效益和我國當(dāng)前中壓配電網(wǎng)的運(yùn)行情況等因素，中性點(diǎn)直接接地方式也不適合于我國20 kV配電網(wǎng)。

2.3 消弧線圈接地方式特點(diǎn)

中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的主要優(yōu)點(diǎn)有：

（1）消弧線圈產(chǎn)生的感性電流與系統(tǒng)對地電容產(chǎn)生的容性電流互相抵消，系統(tǒng)單相接地故障電流減小，故障點(diǎn)電弧可以自熄。

（2）消弧線圈接地方式可以減少弧光接地過電壓發(fā)生的概率。

因此，消弧線圈接地方式是20 kV電壓等級可供選擇的一種接地方式。

2.4 小電阻接地方式特點(diǎn)

中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式的主要特點(diǎn)[4]：

（1）中性點(diǎn)電阻是耗能元件，也是阻尼元件（而消弧線圈是諧振元件），有利于防止系統(tǒng)諧振過電壓。

（2）適當(dāng)選擇中性點(diǎn)電阻，可以降低系統(tǒng)工頻過電壓水平，單相接地故障時非故障相電壓水平低，持續(xù)時間短，有利于無間隙金屬氧化物避雷器的推廣。

（3）提高系統(tǒng)安全水平、降低人身傷亡事故概率。

（4）接地裝置簡單、可靠，使用壽命長。

2.5 小結(jié)

故小電阻接地方式也是20 kV電壓等級可供選擇的一種接地方式。

由上述分析，結(jié)合我國《交流電氣裝置過電壓保護(hù)和絕緣配合》DL/T620-1997行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[5]的規(guī)定，10 kV以上電壓等級不宜采用不接地方式。

通過分析中壓配電網(wǎng)常見的幾種中性點(diǎn)接地方式及其特點(diǎn)，結(jié)合我國配電網(wǎng)接地方式的傳統(tǒng)和20 kV配電網(wǎng)的特點(diǎn)，可以得出關(guān)于20 kV配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式選取的幾點(diǎn)初步結(jié)論：

（1）我國中性點(diǎn)不接地方式主要用于城市10 kV配網(wǎng)和農(nóng)村配電網(wǎng)中，對于需要開展20 kV配電網(wǎng)建設(shè)工作的地區(qū)并不適用。

（2）我國110 kV及以上電壓等級多采用直接接地方式。對于中壓配電網(wǎng)，中性點(diǎn)直接接地方式故障電流過大，會危及人身安全，且對通信線路的干擾大。我國20 kV配電網(wǎng)不宜采用直接接地方式。

（3）20 kV配電網(wǎng)在電容電流較小時，原則上可以采用經(jīng)消弧線圈接地。但我國需要開展升壓工作的配電網(wǎng)都是經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，很多地區(qū)都已有大量電纜線路，而新建20 kV配電網(wǎng)大多采用電纜線路為主，兩者電容電流均較大?？紤]到地區(qū)電網(wǎng)今后的發(fā)展，20 kV配電網(wǎng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式面臨挑戰(zhàn)。

（4）從限制過電壓、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性方面考慮，20 kV配電網(wǎng)經(jīng)小電阻接地是可供考慮的一種接地方式。

3 工頻過電壓下消弧線圈與小電阻接地方式的比較

本節(jié)研究20 kV電壓等級中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈和小電阻接地方式對抑制系統(tǒng)工頻過電壓的作用。電力系統(tǒng)中工頻過電電壓倍數(shù)一般小于2.0 p.u.，對于配電網(wǎng)正常絕緣的電氣設(shè)備危害較小，但工頻過電壓的水平是決定系統(tǒng)保護(hù)裝置工作條件的重要依據(jù)，且工頻過電壓持續(xù)時間長，易與操作過電壓聯(lián)合作用，從而對電氣設(shè)備的絕緣與運(yùn)行造成危害，應(yīng)予以足夠的重視。

工頻過電壓按產(chǎn)生的原因可以分為：空載長線路電容效應(yīng)引起的過電壓、不對稱短路引起的過電壓和甩負(fù)荷引起的過電壓。本文討論最為嚴(yán)重的情況，即電網(wǎng)空載情況下，不對稱短路引起的工頻過電壓。

3.1 不對稱短路的基本理論

系統(tǒng)中不對稱短路情況是配網(wǎng)輸電線路中最常見的故障形式，包括單相接地和兩相接地故障。在特殊情況下的兩相短路接地故障也會出現(xiàn)較高的工頻過電壓，但兩相接地故障發(fā)生的可能性非常小，電力系統(tǒng)中比較常見的接地故障多為單相接地故障。且10 kV電壓等級若存在大量架空線，單相接地故障是以暫時性的接地故障居多；而20 kV電壓等級以電纜出線為主，則單相接地故障是以永久性的接地故障居多，對系統(tǒng)的威脅更為嚴(yán)重。理論分析表明，系統(tǒng)發(fā)生單相金屬接地短路故障時，單相接地故障系數(shù)（健全相對地最高工頻電壓有效值與無故障時相對地最高工頻電壓有效值的比值）[6][7]可以表示為式（3-1）：

其中α為單相接地故障系數(shù)，k為從故障點(diǎn)看去的零序阻抗和正序阻抗的比值。即有k=X0/X1。α與k的函數(shù)關(guān)系圖如圖2所示。

圖2α與k的函數(shù)關(guān)系曲線圖

經(jīng)恒等變換，α的表達(dá)式（3-1）可以改寫為式（3-2）：

由式（3-2）可知：

（1）當(dāng)k∈（-∞，-2）時，α隨k的增大而遞增；（2）當(dāng)k∈（-2，0）時，α隨k的增大而遞減；

（3）當(dāng)k∈（0，+∞）時，α隨k的增大而遞增；

由以上分析可以得出以下結(jié)論：

3.2 20 kV配電網(wǎng)單相接地故障仿真研究

本文將通過仿真分析20kV配電網(wǎng)經(jīng)消弧線圈和小電阻兩種不同方式接地時系統(tǒng)發(fā)生單相短路所引起的過電壓。由上述的理論分析中可以初步看出，相比中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地，中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地能更為有效的抑制系統(tǒng)因不對稱短路引起的過電壓，在節(jié)約系統(tǒng)的絕緣保護(hù)成本上具有優(yōu)勢。

3.2.1 仿真算例建模

本文仿真使用的系統(tǒng)模型原型為某市試點(diǎn)規(guī)劃的20 kV配電網(wǎng)。該市近年電力負(fù)荷高速增長。2005年最高負(fù)荷為324 MW，2006年最高負(fù)荷為530 MW，2010年最高負(fù)荷為1100 MW，2015年達(dá)到1700 MW。為滿足負(fù)荷發(fā)展和安全可靠供電的要求，該市將作為20 kV電壓等級升壓改造試點(diǎn)區(qū)域。

在設(shè)計變壓器高壓側(cè)等值電路時，考慮到電力系統(tǒng)在遭受擾動之后（如單相接地故障等），會產(chǎn)生一系列的動態(tài)過程，按照發(fā)生先后的時間段來劃分，先產(chǎn)生電磁暫態(tài)過程，時間常數(shù)通常小于秒級，接著是機(jī)電暫態(tài)過程，時間常數(shù)通常為數(shù)秒至數(shù)十秒。在電磁暫態(tài)過程的初期為電壓波和電流波的傳播過程，時間常數(shù)通常為微秒或毫秒級。本文仿真主要是針對系統(tǒng)內(nèi)過電壓研究，研究的是系統(tǒng)電磁暫態(tài)過程中波的傳播過程，此時間段內(nèi)發(fā)電機(jī)的電磁暫態(tài)過程還未開始動作，所以在用EMTP-ATP進(jìn)行仿真中，可以采用理想三相電壓源等值變壓器高壓側(cè)。系統(tǒng)負(fù)荷采用RLC串聯(lián)模型，在仿真計算時，一般考慮最嚴(yán)重的情況，故通常只考慮系統(tǒng)空載時的過電壓水平。該市20 kV出線規(guī)模為3×13回，均為純電纜線路，每回電纜線路長5.4 km。圖3為EMTPATP仿真系統(tǒng)接線圖。

圖3中元件參數(shù)如下所示。

圖3 ATP仿真接線圖

（1）線路模型均采用分布參數(shù)模型，線路參數(shù)為：

Z1=0.107+j0.103(Ω·km-1)；

Z0=0.821+j1.697(Ω·km-1)；

b1=0.286(μF·km-1)；

b0=0.286(μF·km-1)。

可以算得變壓器各繞組參數(shù)為：

RT1=0.370Ω，XT1=43.6Ω；

RT2=0.0822Ω，XT2=-5.75Ω；

RT3=0.0168Ω，XT1=1.26Ω。

（3）本文仿真中消弧線圈采用等效電感處理，消弧線圈應(yīng)采用過補(bǔ)償。諧振補(bǔ)償時RL的計算結(jié)果為：

我國電力行業(yè)規(guī)程規(guī)定，中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，脫諧度不超過10%。按8%脫諧度計算可知過補(bǔ)償時RL=48.645Ω。

3.2.2 算例分析及結(jié)果

本文仿真20 kV系統(tǒng)單相接地故障時，EMTP-ATP仿真網(wǎng)絡(luò)接線圖在圖3的基礎(chǔ)上加入故障接地線路，圖4所示。考慮最為嚴(yán)重的情況下單相接地故障，即所有線路均空載運(yùn)行，負(fù)荷開關(guān)在仿真中均不閉合。

（1）中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)故障仿真

圖4 單相接地故障系統(tǒng)ATP接線圖

中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地時，系統(tǒng)正常運(yùn)行0.02 s（一個周期）后，第13回出線3 km處發(fā)生單相永久性金屬接地故障(Rd=0.001Ω)，系統(tǒng)故障處的故障電壓波形、故障電流波形分別如圖5、圖6所示。

系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，因?yàn)橄【€圈對故障電流的補(bǔ)償作用，故障電流迅速減小。故障電流的衰減時間受很多因素影響，主要與故障點(diǎn)實(shí)際情況、系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和消弧線圈脫諧度等有關(guān)。本文中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)仿真中故障電流波形如圖6所示，0.02 s時系統(tǒng)發(fā)生單相故障，系統(tǒng)故障運(yùn)行2個周期后，到0.06 s時故障點(diǎn)電流基本衰減趨于零。通常情況下中性點(diǎn)采用消弧線圈接地方式，系統(tǒng)發(fā)生單相故障時，接地電弧能自行熄滅。

（2）中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)故障仿真

中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地時，中性點(diǎn)接地電阻暫取為18 Ω（根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，驗(yàn)證后取18 Ω較為合理性）[10][11]。系統(tǒng)第13回出線3 km處發(fā)生單相永久性金屬接地故障，系統(tǒng)故障電壓波形、故障電流波形分別如圖7、圖8所示。

圖5 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)故障時故障電壓波形

圖6 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)故障時故障電流波形

圖7 中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)故障時電壓波形

圖8 中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)故障時電流波形

中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)故障仿真結(jié)果表明該方式下系統(tǒng)工頻過電壓等級高，非故障相過電壓水平達(dá)到了1.18倍線電壓。消弧線圈接地方式系統(tǒng)故障電流衰減快，僅2個周期后便衰減為零。中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)故障仿真中系統(tǒng)工頻過電壓等級較低，非故障相過電壓水平為0.876倍線電壓，且系統(tǒng)故障電流較大。與3.1中的理論分析相吻合。

4 結(jié)論

本文通過對工頻過電壓，主要是空載運(yùn)行方式下單相接地故障過電壓的形成機(jī)理進(jìn)行理論分析，并采用EMTP-ATP軟件對20 kV配電網(wǎng)中性點(diǎn)采取經(jīng)消弧線圈接地和經(jīng)小電阻接地兩種接地方式進(jìn)行了仿真，對仿真結(jié)果進(jìn)行分析比較，結(jié)果表明20 kV配電網(wǎng)經(jīng)小電阻接地方式在抑制工頻過電壓升高的作用上優(yōu)于經(jīng)消弧線圈接地。

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