尹文琴

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20kV配電網(wǎng)應(yīng)用及中性點接地方式研究

尹文琴

（廣東省電力工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)校，廣州 510640）

隨著經(jīng)濟發(fā)展，采用20kV配電網(wǎng)相比10kV電壓等級配電具有越來越多的優(yōu)越性，如提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、電能質(zhì)量和運行的經(jīng)濟性能，降低電網(wǎng)的投資等。而在20kV配電網(wǎng)進行建設(shè)、升壓、改造時，中性點接地方式成為關(guān)鍵技術(shù)問題之一，對設(shè)備選型、系統(tǒng)運行及繼電保護等具有重大的影響。本文首先對采用20kV電壓等級的優(yōu)勢與10kV、35kV進行了比較，然后分析和探討了20kV配電網(wǎng)的中性點不接地、經(jīng)消弧線圈接地、小電阻接地和靈活接地方式等問題，并提出了相應(yīng)的建議，最后總結(jié)了國內(nèi)外20kV配電網(wǎng)中性點接地式的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，以期為將來20kV配電網(wǎng)的廣泛使用提供技術(shù)參考。

20kV；配電網(wǎng)；中性點接地方式；靈活接地方式

配電網(wǎng)是指從電源側(cè)（輸電網(wǎng)、發(fā)電設(shè)施、分布式電源等）接受電能，并通過配電設(shè)施分配給各類用戶的電力網(wǎng)絡(luò)。曾經(jīng)，我國中壓配電網(wǎng)的電壓等級較多，如3kV、6kV、10kV、20kV、35kV等，直到上世紀末期考慮到供電容量、用電需求和簡化電網(wǎng)等級[1]（上、下級的電壓等級倍數(shù)約為3倍），慢慢淘汰了3kV和6kV的電壓等級，保留了10kV（舍去2倍的20kV），逐步將中壓配電網(wǎng)電壓等級統(tǒng)一為10kV和35kV。

隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，省會城市、直轄市等A+區(qū)域要求用戶年平均停電時間不高于5min（即≥99.999%），負荷密度達到30MW/km2以上（遠期將達50MW/km2）[2]，且農(nóng)村電網(wǎng)負荷也日益升高。文獻[3]指出原有10kV配電網(wǎng)顯現(xiàn)出供電容量不足、供電半徑不夠、占用通道過多等諸多局限，探討了配電網(wǎng)面臨的新形勢及其發(fā)展思路。文獻[4-5]進行了20kV配電系統(tǒng)的探索與實踐，研究了現(xiàn)實建設(shè)中存在的問題，如35kV與10kV兩級電壓供電面積重疊多[6]、網(wǎng)損大等。事物是螺旋式逐漸發(fā)展的，由于繼電保護技術(shù)的飛速發(fā)展，使得采用20kV配電網(wǎng)重新具有非常大的優(yōu)勢，但同時，在對配電網(wǎng)進行升壓、改造時，系統(tǒng)的中性點接地方式成為關(guān)鍵的技術(shù)問題之一，對設(shè)備選型、系統(tǒng)運行、繼電保護、供電可靠性等具有重大的影響。文獻[7]研究了分布式電源并網(wǎng)后，系統(tǒng)發(fā)生故障時的故障特性與系統(tǒng)的中性點接地方式的關(guān)系，這對于20kV在智能電網(wǎng)中的發(fā)展具有非常重要的參考價值。因此，研究和探討相關(guān)20kV配電技術(shù)非常值得關(guān)注，如配電設(shè)備選型、系統(tǒng)運行、繼電保護、供電可靠性等。

1 20kV配電網(wǎng)的優(yōu)越性

1.1 從供電側(cè)角度分析

采用20kV配電網(wǎng)后，對于省會城市、直轄市等其主要的電壓等級序列可以是220/110/20/0.38kV，或者220/20/0.38kV等，從理論上說，具體的優(yōu)勢見表1。

表1 理論分析條件下20kV和10kV的對比

說明：式中N、N、D、、、、、、、、J分別為額定電壓、額定電流、電壓損耗、線路始端的有功功率和無功功率、線路電阻與電抗，線路長度、單位長度電阻和電抗、經(jīng)濟電流密度。

從設(shè)備費用上說，20kV的設(shè)備費用（電纜、變壓器、環(huán)網(wǎng)開關(guān)等）總體比10kV的高10%～20%，設(shè)備尺寸稍微增大[8]，其主要原因是由于10kV和20kV都屬于中壓，兩者技術(shù)要求并無太大差異，國內(nèi)在技術(shù)實現(xiàn)和工藝制造方面沒有難度，只是隨著電壓等級提高，對電器絕緣水平的要求逐漸加強，一旦具備大規(guī)模批量生產(chǎn)的條件，相信制造成本就會下降。

從運行費用上說，若新建時采用20kV直接配電，則由于擴大了供電半徑，因而相比10kV配電網(wǎng)可減少變電站數(shù)量和投資；若將10kV配電網(wǎng)改造成20kV電壓等級[9]，可以在原有電纜、變壓器等設(shè)備、10kV線路走廊基礎(chǔ)上稍加改造，不僅能夠為大客戶提供更加靈活和經(jīng)濟的電纜接入方式，而且還可實現(xiàn)全架空線路20kV工程，且采用過渡形式可以解決10kV與20kV的聯(lián)絡(luò)問題。

既然20kV相比10kV有很大的優(yōu)越性，那么與35kV對比如何呢？在負荷密度大時，若采用35kV直接配電，則受容量限制，將會大量增加電纜線路，消耗大量金屬，且導(dǎo)致電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、電容電流大量增加，若采用架空線，則受電磁環(huán)境及安全距離要求的限制，因此從技術(shù)上來說，全部改造成35kV直接配電，不僅設(shè)備尺寸、造價、占用通道等投資過大，而且也無法利用原有10kV的設(shè)備和線路走廊，受到低壓設(shè)備熱穩(wěn)定和短路容量的限制。綜合來看，20kV電壓等級既提高和擴大了10kV配電網(wǎng)的功能，又簡化了35kV中間可以忽略的變壓層次，把升壓擴容、降損節(jié)資與簡化電壓等級等融合在一起，優(yōu)勢明顯。

1.2 從用電側(cè)角度分析

1）電價電費因素

一般20～35kV電壓等級的售電價是參考1～10kV和35～110kV電壓等級售電價的平均值來確定的。鑒于政策扶持，在負荷密度較大地區(qū)，采用20kV比采用10kV可以節(jié)省電費開支，若是用電量大的用戶，則節(jié)省的資金可觀。

2）土地資源因素

20kV配電站與35kV配電站相比，可以有效節(jié)約站內(nèi)用地。據(jù)文獻[10]統(tǒng)計，平均每座20kV配電站是35kV變電站占地的1/10，再加上線路布點的密度和線路走廊的空間，節(jié)約了土地資源，而運行維護費用與10kV相比并未顯著提高。

因此，20kV電壓等級不僅降低了供電側(cè)的運行成本，還降低了用電側(cè)的使用成本，鑒于此，國內(nèi)的20kV配電網(wǎng)的新建和改造已處于試驗和實施階段，如江蘇、昆明、遼寧、廣東等陸續(xù)研究和試 點[1]。文獻[5]指出1948年美國部分采用了20.8～24.9kV電壓；1960年前德國先將配電電壓改造成10kV等級，但隨之將6kV、10kV、15kV改為20kV。文獻[11]總結(jié)了國內(nèi)外配電網(wǎng)中壓配電電壓的應(yīng)用實踐，指出80%歐洲國家如意大利、奧地利、波蘭等中壓配電網(wǎng)采用20～25kV；俄羅斯僅保留少數(shù)的10kV、大部分改造成20kV配電電壓；60%的亞洲國家和地區(qū)如新加坡、韓國、泰國等也陸續(xù)采用20～23kV作為中壓配電電壓等級。先進配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)越來越朝著變電層次減少、多方向互聯(lián)環(huán)網(wǎng)、高供電可靠性等方向發(fā)展。

2 20kV配電網(wǎng)中性點接地方式選擇的分析

中性點接地方式與配電設(shè)備的選擇（絕緣水平）及其投資經(jīng)濟性、運行安全性、供電可靠性、繼保靈敏度等密切相關(guān)[12-13]，因而必須對其重點關(guān)注，主要存在以下幾種中性點接地方式。

2.1 中性點不接地方式

結(jié)構(gòu)最簡單的是中性點不接地方式，不需要接地電阻等裝置，投資較少，單相接地故障時，由于線電壓不變，用戶可繼續(xù)工作，保護只告警不跳閘，提高了供電可靠性，且不具備零序電流流通途徑，對周圍的通信干擾小；但為了防止因接地點電弧和過電壓而發(fā)展成多相接地故障，繼續(xù)運行不得超過2h，因非故障相電壓升高為線電壓，有可能產(chǎn)生的工頻過電壓幅值約為3.5p.u.，容易產(chǎn)生鐵磁諧振，常常引起電壓互感器的燒毀、爆炸等，且對設(shè)備的絕緣水平要求高，會增加設(shè)備絕緣方面的投資。此接地方式中，主要考慮對地電容電流的大?。ň€路不長或電纜較少時，電流較小，缺少電弧持續(xù)條件），因此，中性點不接地方式目前多數(shù)用在電容電流小于10A的架空配電網(wǎng)。

20kV配電網(wǎng)采用不接地方式有以下建議：

1）要考慮在選擇設(shè)備時，所有設(shè)備的操作過電壓絕緣耐受水平應(yīng)大于相電壓幅值的3.5倍，并匹配一定的裕度。

2）需要考慮鐵磁諧振的危害，可以在電壓互感器高壓側(cè)中性點串抗諧振非線性電阻，避免電磁式互感器飽和，引發(fā)鐵磁諧振危害整個配電網(wǎng)，或者采用勵磁性能較好的電壓互感器等。

2.2 中性點經(jīng)消弧線圈接地方式

采用中性點經(jīng)消弧線圈接地，是指發(fā)生故障時輸出電感電流去補償系統(tǒng)電容電流，使接地故障點電流減小，促使電弧在電流過零后自動熄滅，降低故障變得更嚴重，且斷路器不立即跳閘可提高供電可靠性；但需要增加消弧線圈的投資（隨需要補償?shù)碾娙蓦娏髟龃蠖顿Y增大），且如何監(jiān)測系統(tǒng)電容電流、實現(xiàn)消弧線圈的自動補償也是一個非常復(fù)雜的問題；發(fā)生故障時，若諧波分量嚴重，則僅補償工頻分量的消弧線圈并不能完全消除接地電??；故障選線很難完全正確，配網(wǎng)自動化系統(tǒng)及裝置難以發(fā)揮作用；單相接地故障時產(chǎn)生工頻過電壓幅值可達3.2p.u.。因此，此接地方式主要適用于電容電流較大、架空和電纜混合的絕大多數(shù)城市配電網(wǎng)。

若20kV配電網(wǎng)中性點采用經(jīng)消弧線圈接地方式，則有以下建議：

1）依然存在絕緣配合要求、鐵磁諧振問題。

2）消弧線圈的熄弧能力和繼電保護裝置的整定策略、選線能力、故障定位尤為重要，如采用復(fù)序電流法[14]進行故障定位等。

3）當變壓器無中性點或中性點未引出時，應(yīng)裝設(shè)與消弧線圈容量相配合的專用接地變壓器，還需要盡量避免在電網(wǎng)中只裝一臺消弧線圈或?qū)⒍嗯_消弧線圈集中安裝于一處。

2.3 中性點經(jīng)小電阻接地方式

中性點經(jīng)小電阻接地方式是當發(fā)生故障時，通過中性點的小電阻產(chǎn)生明顯的電流信號，接地線路中會流過較大的電流，繼保裝置立即使斷路器跳閘，將故障點切除，可有效地降低過電壓，但缺點是不管故障類型斷路器均跳閘，供電可靠性都會降低。因此，此接地方式主要適用于大型配電網(wǎng)（電容電流巨大、難以補償電流而滅弧），或由全電纜組成的城市配電網(wǎng)（①電纜線路電容電流大；②電纜線路基本不會發(fā)生瞬時性故障）；此外，若配電網(wǎng)已經(jīng)成型，其設(shè)備不滿足消弧線圈方式下的絕緣要求，也則可采用小電阻接地方式。

若20kV配電網(wǎng)采用中性點經(jīng)小電阻接地方式，對于低壓側(cè)為20kV的主變來說，其二次側(cè)繞組多為△接法（無中性點），則需要接地變壓器制造中性點。接地變一般采取Z形接線（降低零序阻抗），可帶合適的負荷取代站用變（一般不推薦帶），有以下建議：

1）保證供電可靠性。首先要求對重要用戶應(yīng)該具有轉(zhuǎn)供電能力，如在高負荷密度和高供電可靠性需求的區(qū)域，建設(shè)20kV“花瓣型”配電網(wǎng)，并合環(huán)運行（此接線模式參考新加坡電網(wǎng)），正常運行方式下具有兩路電源供電，全部用戶滿足“-1”要求，重要用戶可滿足“-2”要求。

3）當發(fā)生單相接地時，會有較大的接地電流，容易產(chǎn)生較高的接觸電壓和跨步電壓，威脅設(shè)備和人身安全，干擾周圍通信線路，且接地變壓器和接地電阻等一次設(shè)備也受到熱穩(wěn)定性的限制，這些都是需要考慮的問題。

2.4 中性點靈活接地方式

從以上分析可以得出，單一的接地方式既有優(yōu)點，也存在明顯缺點。在配電網(wǎng)復(fù)雜化、智能化的當今，性能需要更加完善，一種新的中性點接地方式應(yīng)運而生，即中性點靈活接地方式，它采用靈活、智能切換接地的成套裝置，基本原則是對電網(wǎng)中的電壓、電容電流值或其他量進行監(jiān)測，并判斷和根據(jù)故障類型，由控制裝置來自動切換接地方式，實現(xiàn)發(fā)生瞬時故障時采用消弧線圈接地方式，發(fā)生永久故障時切換為小電阻接地方式，改進了消弧線圈接地方式難以準確選線和隔離故障的難題，也改善了小電阻接地方式供電可靠性過低的缺點。

一般組成部分有：接地變壓器、中性點電壓（電流）互感器、消弧線圈、就地控制柜、高壓接觸器、可控小電阻、控制器等。其中一種基本接線如圖1所示。其中控制裝置是核心，需保證系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)測量、消弧線圈的補償、小電阻的投切及跳閘命令可靠完成。正常運行時，消弧線圈投入，發(fā)生故障時，消弧線圈即時補償致電弧熄滅、接地故障自動消失，在不消失而持續(xù)超過整定時間后，可對控制裝置改變接地方式，投入小電阻、增大接地電流，繼電保護動作，切除故障后，經(jīng)整定延時可將小電阻退出運行。

圖1 中性點靈活接地方式一次接線圖

20kV配電網(wǎng)采用中性點靈活接地方式時，會帶來控制、切換裝置成本高、控制復(fù)雜的問題，如何優(yōu)化模擬量的采集（如提高采樣頻率）、電容電流的監(jiān)測（受多種因素的影響）以及消弧線圈的投入（如自動投入相應(yīng)容量），實現(xiàn)接地模式的合理選擇及投切（如投切時刻的選擇），防止控制裝置誤操作（單一零序電壓判據(jù)等失效），提高可靠性（高阻接地故障、瞬時性故障頻發(fā)會降低）等均是需要考慮的問題。

3 國內(nèi)外20kV配電網(wǎng)中性點接地方式的選擇現(xiàn)狀

3.1 國外選擇現(xiàn)狀

不同國家的配電網(wǎng)中性點接地方式有不同要求，主要根據(jù)各國配電網(wǎng)的運行經(jīng)驗、技術(shù)條件、歷史原因等形成，有以下幾個方面的特點。

1）對于電力科技先進發(fā)達、電網(wǎng)運行經(jīng)驗豐富的系統(tǒng)（如德國），不僅城市配電網(wǎng)全部采用了經(jīng)消弧線圈接地方式，甚至在電纜長度為1600km，電容電流為4000A時依然采用諧振接地方式。

2）對于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)好、供電可靠性高的系統(tǒng)（如美國），由于自動化水平高、繼電保護系統(tǒng)已經(jīng)成型、設(shè)備絕緣水平設(shè)計較低，所以采用經(jīng)小電阻接地 方式。

3）出于本系統(tǒng)的安全供電和電能質(zhì)量的要求，本已采用小電阻接地方式的法國，向消弧線圈接地的方式發(fā)展，兩種方式并存將持續(xù)一定時期，類似并存的還有英國、日本等。

4）亞洲國家如新加坡的配電網(wǎng)向來以高供電可靠性而聞名，其20kV花瓣型配電網(wǎng)中性點選擇小電阻接地，接地電阻為6.5W。

3.2 國內(nèi)選擇現(xiàn)狀

率先采用20kV作為配電電壓的是蘇州工業(yè)園區(qū)，中性點接地方式采取經(jīng)7.7W小電阻接地。2008年浙江省開始正式推廣20kV，建議10kV升壓改造的20kV配電網(wǎng)均宜選擇中性點經(jīng)小電阻接地方式，對于城市新建的20kV配電網(wǎng)，可以考慮中性點經(jīng)消弧線圈接地方式。遼寧本溪的南芬由于是負荷小、密度低、供電半徑大的農(nóng)村地區(qū)，采用全架空線路，中性點接地方式，選擇經(jīng)消弧線圈接地。大連長興島中性點采用中值電阻23W接地[15]。廣州知識城采用20kV花瓣型接線模式[16]，從保護靈敏度和人身安全出發(fā)，選擇中性點經(jīng)5W小電阻接地。但不管怎樣選擇，20kV配電網(wǎng)具體到某個變電所或間隔，均還是以選擇單一接地方式為主。

4 結(jié)論

本文探討了20kV配電網(wǎng)的優(yōu)越性，分析對比了多種中性點接地方式的原理、優(yōu)缺點及應(yīng)用于20kV配電網(wǎng)需要考慮的技術(shù)問題，總結(jié)了國內(nèi)外20kV配電網(wǎng)中性點接地方式的現(xiàn)狀及趨勢，得出以下結(jié)論：

1）20kV配電網(wǎng)相比10kV有諸多優(yōu)越性，且改造原有的10kV配電網(wǎng)是可行的，是我國中壓配電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢。

2）20kV配電網(wǎng)中，每種中性點接地方式均有其優(yōu)缺點和適用范圍，配電網(wǎng)采用何種接地方式，不同國家、不同系統(tǒng)有不同方式，目前還沒有完全形成共識。

3）20kV配電網(wǎng)中性點接地方式與電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、負荷需求、技術(shù)條件等密切相關(guān)，其關(guān)系到繼電保護、設(shè)備選型、供電安全等系列問題。鑒于電纜的廣泛應(yīng)用，中性點運行方式已逐步趨向于經(jīng)小電阻接地或靈活接地方式。

[1] 殷紅旭, 張建華. 我國20kV配電電壓等級的歷史沿革及應(yīng)用綜述[J]. 電氣技術(shù), 2010, 11(6): 1-4.

[2] 肖東升, 陳繼軍, 劉輝. 城市中壓配電網(wǎng)采用20kV電壓等級的分析[J]. 廣東電力, 2010, 23(1): 16-19.

[3] 范明天. 中國配電網(wǎng)面臨的新形勢及其發(fā)展思路[J]. 供用電, 2013, 30(1): 1-5.

[4] 汪超, 吳國梁, 葛夕武. 20kV配電系統(tǒng)的探索與實踐[J]. 華東電力, 2010, 38(3): 381-383.

[5] 方旭東, 李智. 20kV配電網(wǎng)優(yōu)越性及現(xiàn)實建設(shè)中存在問題的探討[J]. 電氣開關(guān), 2010, 48(5): 13-14, 17.

[6] 崔凱, 孔祥玉, 于慧芳. 法國配電網(wǎng)規(guī)劃方法研究及相關(guān)啟示[J]. 供用電, 2014(8): 58-61.

[7] 楊帥, 王雙杰. 含有分布式電源電網(wǎng)的故障特性影響因素分析[J]. 電氣技術(shù), 2015, 16(4): 22-25, 38.

[8] 胡大建. 10kV和20kV開關(guān)柜技術(shù)與經(jīng)濟分析[J]. 電工電氣, 2009, 10: 1-3.

[9] 李紅軍, 宋毅, 楊衛(wèi)紅, 等. 中壓配電網(wǎng)升壓改造的綜合評估方法[J]. 供用電, 2014(2): 60-62.

[10] 殷紅旭, 張建華. 20kV中壓配電在城市高負荷密度新區(qū)中的應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代電力, 2010, 27(2): 35-38.

[11] 魏慶海, 呂鳴鏑, 周莉梅, 等. 配電網(wǎng)采用20kV供電的前景分析[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2008, 32(23): 61-66.

[12] 徐丙垠, 李天友. 配電網(wǎng)中性點接地方式若干問題的探討[J]. 供用電, 2015(6): 12-16, 29.

[13] 劉育權(quán), 蔡燕春, 鄧國豪, 等. 小電阻接地方式配電系統(tǒng)的運行與保護[J]. 供用電, 2015, 32(6): 30-35.

[14] 孫九順. 配電網(wǎng)小電流單相接地故障特性及定位技術(shù)研究[J]. 電氣技術(shù), 2015(5): 66-69.

[15] 王海民, 廖紅梅. 20kV配電在大連長興島地區(qū)的應(yīng)用[J]. 電力設(shè)備, 2008, 9(9): 24-25.

[16] 蔡燕春, 張少凡, 楊詠梅. 20kV花瓣型配電網(wǎng)若干技術(shù)問題分析[J]. 供用電, 2016, 1: 51-55.

Application of 20kV distribution network and study on the selection of neutral point grounding modes

Yin Wenqin

(Guangdong Electric Power Industry Vocational and Technical School, Guangzhou 510640)

With the economic development, adopting 20kV distribution network has more and more advantages compared with 10kV voltage distribution, such as improving the stability of power system, power quality and economy of operation, and reducing the investment of power grid. However, In the 20kV distribution network to build, boost, transformation, the neutral point grounding has become one of the key technical issues, the equipment selection, system operation and relay protection has a significant impact. In this paper, firstly, the advantages of using 20kV voltage level are compared with 10kV and 35kV. Then, analyzed and discussed the neutral point of 20kV distribution network is not grounded, grounding through peterson coil; grounding through small resistance; flexible grounding. Finally, the status quo and development trend of neutral point grounding of 20kV distribution network both at home and abroad are summarized, providing a technical reference for the widespread use of 20kV distribution network in the future.

20kV; distribution network; neutral point grounding mode; flexible grounding mode

2018-01-20

尹文琴（1983-），碩士研究生學(xué)歷，講師，主要從事電力系統(tǒng)方面教學(xué)、培訓(xùn)及研究工作。