10kV電網兩種非直接接地方式的對比分析

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(廣東電網公司東莞供電局，廣東 東莞 523000)

1 引言

電力系統的中性點接地方式對系統供電可靠及系統的安全運行有著重要的影響，并且涉及到繼電保護、過電壓與絕緣、電子通信及人身安全等多個方面，因此，根據系統的特點來選擇合適的中性點接地方式具有重要意義。早期的10kV配電線路絕大多數是架空線路，這種線路因雷擊等外界因素發生單相接地瞬時故障的幾率較大，考慮到供電可靠性，系統多采用中性點不接地方法，此時發生單相接地故障時故障電流為線路對地電容電流之和，如果接地電流很小(低于10A)，電弧能夠自動熄滅[1]。此時未影響系統對稱性，可繼續運行1～2.5h，供電系統可靠性較高。

近年來，我國10kV配電系統中電纜線路的比重大大增加，部分城市電網的中心地區已變成以電纜線路為主，使得10kV線路上對地電容電流大大增加(10A以上)，發生單相接地故障時，中性點不接地系統無法熄滅電弧，造成非故障相電壓大大增加，嚴重地會發展為相間故障或絕緣擊穿，出現兩點短路甚至多點短路接地。所以，中性點不接地方式已不適用，而當對地電流超過10A時必須采取限制電容電流的方法，比如經消弧線圈進行接地和經小電阻進行接地等。

2 兩種常用10kV配電系統接地方式

2.1 概述

由于系統主變壓器采用Yd接線，10kV系統沒有中性點，發生接地故障時沒有短路通道，考慮到人身設備的安全，我們人為引入一個接地點，也即所說的接地變壓器，構成接地方式。為了限制系統中電容電流的大小，我們大多采用在中性點串接消弧線圈或電阻的方法。《電力設備過電壓保護設計技術規程》中有明確說明：“3～10kV架空線、35kV、66kV系統，單相接地故障電容電流超過10A，或3～10kV電纜線路系統單相接地故障電容電流超過30A，應采用消弧線圈接地方式”；并指出 “6～35kV主要由電纜線路構成的送、配電系統，單相接地故障電容電流較大時，可采用低電阻接地的方式。”

2.2 兩種接地方式分析

2.2.1 中性點經小電阻接地方式

中性點經小電阻接地，是中性點經過一定歐姆的電阻后接地，達到消耗線路過電荷，降低對地過電壓的作用。通常該接地電阻阻值較小(10～20Ω)，單相接地電流限制在600A以內。如圖1所示，輸電線路對地等效電容為C0，忽略輸電線路阻抗，系統中性點經Zn接地，Zn=R當時為經電阻接地方式。

圖1 中性點非直接接地方式單相接地時電流分布圖

2.2.2 中性點經消弧線圈接地方式

中性點經消弧接地方式，是中性點經過一定感抗的電感線圈接地，系統運行中，電感線圈產生感性電流以補償系統電容電流的方式。如圖1所示，當Zn=jωL時為此方式。

對中性點經消弧線圈方式來說，單相接地故障發生是，接地點有一個電感分量的電流通過，此電感電流可抵消原系統的電容電流，使流過故障點的電流減小，當電流減小低于10A時，就會使得電弧易于熄滅，提高了系統的穩定性和供電的可靠性；另一方面，通過對消弧線圈進行設置，會使得電流在系統中對地的阻抗值遠低于系統正常情況下的零序阻抗，不僅能很好地抑制因為磁飽和導致的鐵磁諧振，還能有效地防止電磁干擾，從而增強了系統的穩定性與可靠性[2]。

根據對系統電容電流補償度的差別，消弧線圈可分為過補償、欠補償、全補償三種。因為完全補償時，滿足50Hz交流串聯諧振的條件，當正常運行時，由于三相對地電容不完全相等，會在系統中性點對地間產生電壓偏移，從而使得線路上產生過高的諧振過電壓，對系統的安全運行有很大影響。欠補償也會因為系統運行方式的變化產生完全補償的效果，所以在實際應用中，均采用過補償方式，一般選擇過補償度P=5%～10%。

3 單相接地故障時兩種接地方式的對比分析

3.1 建立數學模型

假設該電力系統只有兩條出線，系統正常運行時，因為三相對稱，A、B、C三相負荷電流與對地電容電流在彼此之間形成通路，當Zn=R時為經電阻接地方式，當Zn=jωL時為經消弧線圈接地方式。若線路Ⅱ發生A相單相接地故障(考慮過渡電阻不為0，并未將A相對地電容電流短接)，則系統形成一條接地通路。系統電流分布如圖1所示，所有線路對地電容電流與中性點電流將通過接地點流往故障相，形成故障點的故障電流[3]。

為求流過故障點的電流、故障相電壓以及中性點電壓等，對圖1所示的簡化網絡接線進行分析。其中，假設發生單相接地故障時的過渡電阻為Rg，此時系統中性點的電壓為Un，三相電源每相電勢分別為EA、EB、EC，線路Ⅰ對地電容為C0I，線路Ⅱ對地電容為C0II，則輸電線路三相對地電壓如下所示：

(1)

又知，系統的零序電壓為

(2)

則發生A相接地故障時，則流過故障點的電流一部分為系統所有出線的總電容電流，如式(3)所示：

(3)

另一部分是流經中性點接地電阻或消弧線圈的電流，如式(4)所示：

(4)

(5)

由式(3)、(4)可知

(6)

可得

(7)

(8)

可得：故障電流、中性點電壓以及故障相電壓分別為：

(9)

(10)

(11)

3.2 故障分量特征分析

(12)

(13)

做出兩種非直接接地方式下零序電流與電壓向量圖，如圖2所示，其中圖2(a)為經小電阻接地方式，圖2(b)為經消弧線圈接地方式。

圖2 兩種接地方式下線路零序向量圖

(1)零序分量的幅值。

如圖2(a)所示，對小電阻接地方式，可知，小電阻接地方式發生單相接地故障時，流入故障點的電流為阻性電流，經過電容電流與電阻電流的矢量迭加，使得系統故障線路的零序電流都比非故障線路大，故障特征比較明顯。

(2)零序分量的方向。

由圖2(a)可知，對小電阻接地方式，故障線路零序電流的相位滯后于零序電壓(3U0)約90°，零序功率方向和正序相反，由線路流往母線；非故障線路零序電流由本線對地電容產生，超前于零序電壓約90°，零序功率與正序功率方向相同，由母線流向線路。

由圖2(b)可知，對帶有消弧線圈的系統，非故障線路的零序電流超前零序電壓約90°，方向由母線流向線路；故障線路的零序電流，由于消弧線圈過補償，也超前于零序電壓約90°，方向由母線流向線路，與非故障相相同，因此用零序電流方向的判別方法不能識別接地故障線路。

(3)受其他因素影響。由式(9)～(10)可知，電力系統故障電流、中性點電壓的大小與系統中性點的接地阻抗、電網的對地電容及故障點的過渡電阻有關[4]。

3.3 故障選線判據

在發生單相接地故障時，中性點經小電阻接地方式的穩態特征變化比較明顯，故障線路的零序電流遠遠大于非故障線路的零序電流，我們一般將穩態分量也即故障電流分量作為故障選相所考慮的因素。為了保證非故障線的正常安全運行，能夠準確快速地找出故障線路，避免因頻繁手動分合開關所產生的線路過電壓，我們通常考慮同線路的零序保護相配合。但是針對經高阻接地的情況，零序保護一般無法正確動作[5]。

經消弧線圈接地方式，發生單相接地故障時，故障線路與非故障線路零序電流同方向，均從母線流向線路，且流經故障點電流變化不大，不能采用小電阻方式的零序電流方法來識別接地故障線路。主要采用以下兩種方式：

(1)將選線裝置與消弧裝置相互配合。消弧系統在投入補償后造成一個小擾動，裝置選線部分收到通知后開始進行選線，主要是通過分析擾動前后線路零序電流的變化值，且為了增加裝置選線的正確性，在選線時還會考慮功率方向等因素。

(2)發生故障的線路，暫態過程富含著大量的故障特征信息，其暫態電流值遠大于穩態值，且故障線的暫態零序電流值大于非故障線的零序電流數值；另一方面，因發生故障時系統的接地方式不影響其暫態過程，我們也可選擇利用暫態分量法進行故障選線。如首半波法、暫態零序電流比較法、小波分析選線方法等[6]。

4 兩種接地方式運行中的注意事項

4.1 中性點經消弧線圈方式

當10kV接地系統采用中心點經消弧線圈接地的方式時，運行中應注意以下幾點：

(1)經消弧線圈接地的方式廣泛用于10～66kV的中壓配網。當電容電流超過10A低于150A時，一般選擇經消弧線圈接地方式。

(2)要恰當選擇消弧線圈對系統的補償容量。因為補償過多或過少，都會使得接地殘流過大，不利于電弧的熄滅，而全補償則容易引起諧振過電壓，使得中性點電壓大大升高。

(3)經消弧線圈接地方式，零序電流互感器安裝需注意：所有的零序電流互感器必須保證極性一致(一次側的電流流出母線)；一次電纜的接地外皮地線應穿過零序電流互感器，并于線路側直接接地；電纜的固定夾應和電纜外皮良好絕緣[7]。

4.2 中性點經小電阻接地方式

(1)結合我國實際，電纜線路占比大的供配電網，當系統對地總電容電流超過150A時大多選用中性點經小電阻的接地方式。

(2)由于接地點的故障電流較大，要確保使用合適的線路零序電流互感器變比，否則可能會因零序電流過大導致CT過度飽和，使得零序保護發生拒動。如果保護未能及時動作，則故障點及其附近設備的絕緣水平就會受到不同程度的損害，嚴重的話會發展為相間故障，擴大故障范圍。

(3)系統采用此接地方式時，當兩條及以上的線路同時發生接地時，系統的零序分量分布會發生改變，容易使零序保護發生拒動或誤動行為。此外，對于兩條線路相繼出現接地故障的情況，零序保護也會因為故障發生時間的不同失去配合。

(4)當發生多點接地故障時，由于多點接地電阻分散故障電流的關系，流過每個接地點的故障電流并不大，此時要注意整定合適的零序保護電流值，且對于

電纜線和架空線要按不同的整定值整定，所以應防止發生誤整定行為，避免接地變的保護發生越級跳閘。

5 結論

本文通過對10kV系統不同接地方式的優缺點進行分析，且對兩種非直接接地方式發生單相接地故障時，其電壓、電流的變化進行理論分析，從而選擇針對不同接地方式的保護方法。每一種接地方式各有優缺點，針對不同情況的系統，應該綜合考慮電網的結構組成、繼電保護配置情況、系統過電壓與絕緣的相互配合、人身設備安全與供電可靠性等重要因素，選擇適合自己系統的接線方式。

[1] 賀家李,宋從矩.電力系統繼電保護原理[M].北京：中國電力出版社,2001.

[2] 李林,馮勇.中性點采用兩種接地方式的配電網單相接地故障的比較[J].高壓電器,2008,44(3):239-241.

[3] 申雙葵.小電流接地系統單相接地故障選線的研究[D].西南交通大學,2009.

[4] 范迎青,高文逸.6～10 kV電網中性點經中電阻接地的單相接地保護[J].電力自動化設備,2000,20(1):12-15.

[5] 戴光武,都洪基.小電流接地系統單相接地故障選線及其仿真[C]//2008中國電力系統保護與控制學術研討會論文集,2008:34-37.

[6] 潘艷,李曉明.10kV小電阻接地系統接地變壓器零序保護誤動機理研究[J].繼電器,2003,31(1):30-33.

[7] 王英民.10kV小電阻接地系統接地變壓器零序保護誤動原因分析[J].華北電力技術,2009:24-26.