配電網混合接地運行分析

張志文，申建強，楊 俊，許加柱，羅隆福

（1.湖南大學電氣與信息工程學院，長沙410082；2.長沙電業局，長沙410015）

隨著城市配電網的不斷擴大，對供電可靠性和電能質量的要求越來越高。一方面城市配電網采用環網供電、多電源供電方式；另一方面由于城市電網規模不斷地擴建和延伸，受城區規劃、環保和場地等條件制約，城市配電網開始采用以電纜出線為主、架空出線為輔的電網結構模式［1］；10kV系統對地電容電流大幅增加。不接地系統發生單相接地時，接地相的接地電流是非故障相對地電容電流之和；當電容電流超過10A，此時接地電弧不能可靠熄滅，就會產生弧光接地過電壓、相間短路、鐵磁諧振過電壓等不良后果。當前配網大多采用中性點經消弧線圈接地的方式運行［1］，利用消弧線圈的感性電流可對系統對地電容電流進行補償，從而使接地處的電流降為最低。由于接地故障電流較小，線路可不立即跳閘，配電網可帶故障運行一段時間。但對于以電纜供電為主的10kV配電網，消弧線圈接地方式暴露出諸多缺點，例如單相接地故障后較高的內部過電壓對設備絕緣的破壞；電容電流的增大將不斷增大消弧線圈的容量；電纜線路故障大多為永久性故障，不允許帶故障運行；發生故障時選線困難等。經國內外研究中性點經小電阻接地系統更適合以電纜線路為主的電網［3～6］，采用電阻接地有利于繼電保護裝置可迅速可靠切除故障回路，電阻接地還可改善系統參數，降低接地故障時的內部過電壓值。城市配電網正陸續用小電阻接地系統取代消弧線圈接地系統，因此接地方式改造過程中，這樣兩種不同接地方式運行的系統會面臨混合運行的情況，這種情況必將長期存在。同時為了供電的可靠性與經濟性，10kV配電網帶電倒負荷操作頻繁，因此兩種不同接地方式系統合環后，一旦發生故障特別是單相接地故障時所產生的現象以及對繼電保護的影響成為本文研究的重點，具有很高的工程應用價值和現實意義。

1 理論分析

針對單相接地故障是發生機率最高的故障，首先對單相接地故障進行一些理論分析。

設定故障點電阻為Rf，當Rf值很小情況下為金屬性接地，配電網中性點的電壓Un，線路的零序電壓U0，由對稱分量法得

由于EA、EB、EC三相對稱，和為零。因此從上式可以得到：

經電網零序電容C0流入大地的電流為

經小電阻或消弧線圈流入大地的電流為

由于經電網零序電容流入大地的電流和經小電阻或消弧線圈流入大地的電流都要從故障點流回電網，因此故障點的電流為

得到故障相對地電壓UA

將式（3）、（4）代入式（5）、（6）得：

對于小電阻接地系統，考慮正序阻抗和負序阻抗相對于零序阻抗小的多，小電阻接地方式相當于電網單相接地時在電網集中對地容抗回路并聯一個等值零序電阻3RN，即：

可得到單相接地時的等值電路如圖1所示。

圖1 小電阻接地單相等值電路Fig.1 Small resistance grounding single－phase equivalent circuit

對于消弧線圈接地系統.消弧線圈接地方式相當于電網單相接地時在電網集中對地容抗回路并聯一個等值零序感抗j wL，即

消弧線圈的作用是補償單相接地故障時的經電網零序電容電流。

當完全補償時有

此時：

實際運用中一般采用過補償方式，即

其等值電路圖類似于小電阻接地等值電路圖，如圖2所示。

圖2 消弧線圈接地等值電路Fig.2 Arc extinction coil grounding equivalent circuit

根據單相接地故障等值電路可得到中性點經電阻接地網絡的零序電壓

同理可得到中性點經消弧線圈接地的零序電壓為

單相接地故障時，小電阻接地系統流過中性點電流較大，而消弧線圈接地時流過中性點電流較小。需要說明的是.以上理論分析結果均是假設系統是處于穩定狀態計算得到的。

對于混合運行即小電阻接地系統引入消弧線圈系統，在混合運行情況下，即小電阻接地系統和消弧線圈接地系統合環后并列運行情況下，發生單相接地故障時的等值電路如圖3，邊界條件相同，運用對稱分量法計算混合系統下的零序電壓為

從等值電路看到，對于消弧線圈接地系統，消弧線圈的作用是補償單相接地故障時的電網零序電容電流，一般單獨消弧線圈接地系統采用過補償的方式，因此混合系統中消弧線圈將補償一部分小電阻接地系統的零序電容電流。不過此部分的補償對小電阻接地系統的影響不大，原因是小電阻接地系統流過故障點的總短路電流為通過中性點有效接地回路形成的包含零序電流分量在內的短路電流和由線路上相對地等效電容引起的電容電流［13］，電容電流相對短路電流很小，并沒有影響到小電阻接地系統的優勢。

圖3 混合運行時的等值電路圖Fig.3 Mixed runtime equivalent circuit

2 仿真分析研究

下面結合長沙羅家嘴變電站改造項目，將原有的消弧線圈接地系統改造成小電阻接地系統，根據長沙電業局提供的羅家嘴及其鄰站桃花變電站實際相關參數及線路參數，運用電力系統仿真軟件建立混合接地模型，進行仿真研究對單獨接地方式和混合接地方式下發生單相接地故障時所產生的現象進行研究。

羅家嘴變電站與桃花變電站仿真系統連接模塊如圖4所示。

圖4 混合接地系統仿真圖Fig.4 Hybrid grounding system simulation diagram

羅家嘴變電站50MVA主變兩臺，高壓側為擴大內橋接線方式，低壓側為單母分段接線方式，兩段母線分別帶有一組接地變經小電阻接地［7］，考慮各方面因素選取小電阻阻值為10Ω，每段母線帶兩條饋線，分別是中大新區1回、陽光1回、陽光2回和靳江線。

桃花變電站為消弧線圈接地系統，其結構與羅家嘴變電站基本相同。桃花變電站漁場線饋線與陽光1回陽光100一號開關站二母309開關相連，桃花變豐順線饋線與陽光二回陽光100一號開關站一母301開關相連。連接后兩種不同接地系統混合運行。

此次仿真研究在一條出線設立四處故障點，從母線到最底層饋線依次發生單相接地故障

（1）小電阻接地系統羅家嘴變電站陽光1回線路依次發生單相接地故障四次，單獨運行與混合運行時中性點電流對比圖如圖5、圖6。圖5和圖6為陽光1回出線依次發生四次單相接地故障時的中性點電流波形。

圖5 獨立接地系統中性點電流Fig.5 Neutral current of independent grounding system

圖6 混合接地系統時的中性點電流Fig.6 Neutral current of hybrid grounding system

從表1的數據對比中發現：①單相接地故障點離母線越遠，其中性點電流也越小，這主要是因為發生單相接地故障時系統的線路零序阻抗的增大所引起的；②兩種接地方式系統通過饋線連通后，小電阻接地系統中性點電流稍有變化，變化的值較小，由此可以得出結論，在混合運行情況下，當小電阻接地系統發生單相接地故障時，其零序保護仍然適用，一般不需要做調整。此時經仿真發現雖然消弧線圈系統中性點也出現電流，但小電阻接地系統發現故障后會立即切除故障線路，所以不會對消弧線圈系統的保護造成影響。

表1 中性點電流數據（1）Tab.1 Neutral current data（1）

（2）消弧線圈接地系統桃花變電站漁場線出線依次發生四次單相接地故障時，與羅家嘴變陽光1回饋線連通情況下，羅家嘴變小電阻接地中性點電流，及漁場線依次發生四次單相接地故障，混合運行時，羅家嘴變小電阻接地方式中性點電流，如圖7所示。

圖7 小電阻接地系統的中性點電流Fig.7 Neutral current of low resistance grounding system

由表2可得知，饋線連通后即混合運行時，當桃花變線路發生單相接地故障時，羅家嘴變電站中性點也出現了較大的中性點電流，這勢必會啟動小電阻接地系統的零序保護，所以需要在饋線連通線路上加裝帶方向元件的線路零序保護，當消弧線圈接地系統發生單相接地故障時，立即斷開連接線路，從而不影響小電阻接地系統的其他線路的正常運行。

表2 中性點電流數據（2）Tab.2 Neutral current data（2）

3 保護方案分析及配置

總結羅家嘴變電站采用小電阻接地后的保護設置方案：

1）單相接地故障發生時，非故障線路中流過本線路產生的電容電流，故障線路流過的故障電流為單相接地電流與各線路電容電流的向量和，其值比非故障線路的電流大得多，所以采用零序電流互感器與電流繼電器、時間繼電器組成零序電流保護，就可實現對線路單相故障的保護。根據系統運行的要求可設置為一段式過流保護或兩段式過流保護［8～10］。

2）由于單相接地時故障電流大，必須切除故障線路，故其保護配置可為：限時（瞬時）電流速斷保護、低電壓閉鎖過流保護和兩段式零序保護，所有保護均作用于跳閘。對于架空輸電線路，應配置一二次（或多次）自動重合閘，使得瞬時性故障后可盡快恢復供電［8～12］。同時在永久性故障時，加速繼電保護動作于跳閘。對于電纜輸電線路，考慮到它的故障必是永久性故障（或永久性故障所占故障比例很大），故不必設置自動重合閘。

3）為保證可靠地切除故障線路，保護一次設備的安全，考慮到故障線路的保護或開關存在拒動的可能，所以應在中性點接地電阻回路中加裝TA，接入零序后備保護或稱接地電阻零序保護，加適當延時后，作用于跳開變壓器低壓側開關。接地變壓器設有零序電流保護，作為中壓系統母線，接地變壓器引線的接地故障保護作為饋線零序電流保護的后備保護。

4）當小電阻系統和消弧線圈系統混合運行時，小電阻測發生故障時，不需要對其保護做任何的調整，當消弧線圈測發生單相接地故障時，有必要在饋線連接處裝設線路零序電流保護，帶方向元件，及時跳開連接線路，這樣能保證消弧線圈測故障不影響小電阻系統的正常運行。

4 結語

本文以長沙市羅家嘴10kV變電站的改造為現實背景，由原來的消弧線圈接地改造為小電阻接地，采用羅家嘴變電站線路和臨站桃花變電站線路的實際參數，運用PSCAD軟件建立詳細的仿真模型，對單獨接地方式和混合接地方式下發生單相接地故障時所產生的現象進行分析研究，得出兩種不同接地方式系統存在相互影響；混合運行情況下需要對保護進行適當調整，小電阻接地系統發生單相接地故障一般不會對系統零序保護產生影響；若消弧線圈接地系統側發生單相接地故障，需在兩個接地系統連接處增加帶方向元件的零序電流保護，來躲避消弧線圈接地系統側故障對小電阻接地系統帶來的不利影響；為了保證供電可靠性，現實運行中應減少混合運行情況。

［1］ 劉明巖（Liu Mingyan）.配電網中性點接地方式的選擇（Selection of neutral grounding modes in power distribution network）［J］.電網技術（Power System Technology），2004，28（16）：86－89.

［2］ 韓靜，徐麗杰（Han Jing，Xu Lijie）.中性點經消弧線圈瞬時并聯小電阻接地研究（Study of a neutral grounding method with an arc suppression coil and a parallel low resistance）［J］.高電壓技術（High Voltage Engineering），2005，31（1）：38－39，52.

［3］ 賀達江，羅隆福，邵鵬飛，等（He Dajiang，Luo Longfu，Shao Pengfei，et al）.合金材料中性點接地電阻器的研制（Development of neutral－grounding resistor made of alloy material）［J］.電網技術（Power System Technology），2009，33（18）：214－218.

［4］ 程路，陳喬夫（Cheng Lu，Chen Qiaofu）.小電流接地系統單相接地選線技術綜述（A survey on faulty line selection technology for single－phase grounded transmission line in small current neutral grounded system）［J］.電 網 技 術 （Power System Technology），2009，33（18）：219－224.

［5］ 賀春，劉力軍，謝頌果，等（He Chun，Liu Lijun，Xie Songguo，et al）.Z型變在中性點經小電阻接地電網中的應用（Application of zigzag grounding transformers in the power system with low resistance via neutral grounding）［J］.繼 電 器 （Relay），2006，34（14）：15－19.

［6］ 李林，馮勇，鄭劍飛（Li lin，Feng Yong，Zheng Jianfei）.中性點采用兩種接地方式的配電網單相接地故障 的 比 較 （Comparison of single－phase－to－ground faults in distribution network with two kinds of grounding methods）［J］.高 壓 電 器 （High Voltage Apparatus），2008，44（3）：239－242.

［7］ Mitolo Massimo.Grounding the neutral of electrical systems through low－resistance grounding resistors：An applications case［J］.IEEE Trans on Industry Applications，2008，44（5）：1311－1316.

［8］ 張春合，徐舒，于群兵，等（Zhang Chunhe，Xu Shu，Yu Qunbing，et al）.小電阻接地系統給繼電保護帶來的新問題（New problem of protection in power system grounding with low resistance）［J］.廣東輸電與變電技術（Guangdong Power Transmission Technology），2009，11（1）：27－30.

［9］ 陳麗銘（Chen Liming）.經小電阻接地系統繼電保護的配置及整定（The configuration and setting for relay protection in low resistance system）［J］.湖北電力（Hubei Electric Power），2004，28（1）：53－55.

［10］ 曾祥君，王媛媛，龐方亮，等（Zeng Xiangjun，Wang Yuanyuan，Pang Fangliang，et al）.基于故障電阻測量的小電流接地系統保護方法（Grounding fault protection based on fault resistance measurement for ineffectively earthed distribution systems）［J］.高電壓技術（High Voltage Engineering），2007，33（1）：26－30.

［11］ 潘燕，李曉明，袁勇，等（Pan Yan，Li Xiaoming，Yuan Yong，et al）.10KV小電阻接地系統接地變壓器零序保護誤動機理研究（Study on the misoperation mechanism of zero sequence protection of grounding transformer on low resistance grounded 10kV system）［J］.繼電器（Relay），2003，31（1）：30－33.

［12］ 羅隆福，張俊華，賀達江（Luo Longfu，Zhang Junhua，He Dajiang）.中性點接地電阻器的溫度場仿真與實驗（Temperature field simulation and experimental of neutral grounding resistor）［J］.電力系統及其自動化學報（Proceedings of the CSU－EPSA），2010，22（4）：142－145.

［13］ 雷紹蘭，王官潔，周林（Lei Shaolan，Wang Guanjie，Zhou Lin）.中性點經中電阻接地方式的研究（Study on grounding of system neutral through resistance of moderate value）［J］.電力系統及其自動化學報（Proceedings of the CSU－EPSA），2000，12（4）：28－30，41.