某地區(qū)低壓電網(wǎng)中性點接地運行方式探討

摘要：文章以某地區(qū)某一次10kV線路跳閘事件為例，對該地區(qū)低壓電網(wǎng)目前的中性點接地運行方式進行了分析，闡述了中性點不接地或經(jīng)消弧線圈接地方式的缺點，對此提出了中性點經(jīng)小電阻接地運行方式，并對其風險及可行性進行了分析。

關(guān)鍵詞：中性點；接地運行方式；低壓電網(wǎng)；線路跳閘；電力系統(tǒng) 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM727 文章編號：1009-2374（2017）06-0183-04 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.06.092

近年來某地區(qū)發(fā)生了多起兩條10kV線路同時跳閘的事件，直接影響了供電可靠性和客戶滿意度，對社會造成了不良影響。為有效防范低壓線路接地故障引發(fā)的人身觸電事故，降低線路單相接地持續(xù)運行造成的人身風險，防止再次出現(xiàn)因單相接地運行導致的兩條10kV線路同時跳閘從而擴大故障范圍的情況，現(xiàn)對該地區(qū)電網(wǎng)35kV及10kV接地系統(tǒng)運行概況進行分析和探討。

1 現(xiàn)狀

1.1 小電流接地方式的優(yōu)點

目前，該地區(qū)供電局所轄變電站內(nèi)的變壓器35kV側(cè)及10kV低壓側(cè)接地方式均為小電流接地方式（不接地或經(jīng)消弧線圈接地）。該接地方式的優(yōu)點主要是：

1.1.1 單相接地故障時，暫時不構(gòu)成短路回路，接地電流不大，而線電壓能維持不變。

1.1.2 一般情況下，當發(fā)生單相接地故障時，發(fā)出接地信號，調(diào)度及運行人員一般在2小時內(nèi)選擇和排除接地故障，保證連續(xù)不間斷供電。

1.2 小電流接地方式的缺點

實踐表明小電流接地系統(tǒng)也存在許多問題，隨著電纜出線增多，10kV配電網(wǎng)絡中單相接地電容電流將急劇增加，并帶來一系列危害。該接地方式的缺點是：

1.2.1 當系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，非故障相的工頻電壓將升高，引起多處絕緣薄弱的地方放電擊穿和設備瞬間損壞。

1.2.2 當發(fā)生弧光接地時，可能引起高達工頻相電壓的弧光過電壓，電弧不能自滅，很可能破壞周圍的絕緣，發(fā)展成相間短路，造成停電或損壞設備的事故。

1.2.3 配電網(wǎng)的鐵磁諧振過電壓現(xiàn)象比較普遍，時常發(fā)生電壓互感器燒毀事故和熔斷器的頻繁熔斷，嚴重威脅著配電網(wǎng)的安全可靠性。

1.2.4 配電網(wǎng)對地電容電流增大后，對架空線路來說，樹線矛盾比較突出，尤其是雷雨季節(jié)，因單相接地引起的短路跳閘事故占很大比例。

1.2.5 在發(fā)生接地故障后，系統(tǒng)最多可允許繼續(xù)運行2小時，若故障未能及時處理，對靠近接地點的人畜將造成較大的危害，同時電氣設備長時間承受過電壓，加速電氣設備的絕緣老化。

1.3 小電流接地選線裝置

該地區(qū)處于臺風、雷雨頻發(fā)區(qū)域，惡劣天氣容易導致35kV及10kV線路接地頻繁，除影響正常供電外，通常還會直接影響接地點附近人畜的安全。因此，該地區(qū)電網(wǎng)很早就使用了小電流接地選線裝置，裝置動作信息和選線結(jié)果上送調(diào)度端，為調(diào)度輔助決策、跳閘統(tǒng)計、配網(wǎng)調(diào)度拉路選線提供支持。但小電流接地選線裝置的選線準確率較低，經(jīng)統(tǒng)計，2016年該地區(qū)裝設了接地選線裝置的變電站的35kV及10kV出線共發(fā)生故障121次，接地選線裝置共動作84次。接地選線裝置選線正確率僅有70.25%。其選線準確率低的主要原因是：

1.3.1 接地時的電流很小，線路故障時的電流與非故障時的電流相比沒有明顯的區(qū)別。

1.3.2 當接地故障發(fā)生時，不但故障線路對地有電容電流，而且非故障線路對地同時也有電容電流。這樣不單要測量故障線路的電容電流，還要測量非故障線路的電容電流并要進行區(qū)分，難度更大。

因為選線準確率低，該地區(qū)供電局所轄變電站內(nèi)接地選線裝置均沒有投入跳閘功能，只投入了發(fā)信功能。

2 10kV跳閘事件的發(fā)生

2.1 事前運行方式

該地區(qū)供電局所轄110kV變電站A由110kV甲、110kV乙線供電至110kV母線；#1主變運行供10kV 1M母線，#2主變運行供10kV 2M母線；10kV丙線、10kV丁線均掛在10kV 2M母線運行（見圖1）。

2.2 事件簡述

2016年3月26日，110kV變電站A 10kV丙線、丁線同時跳閘。110kV變電站A 10kV丙線開關(guān)過流Ⅱ段保護動作，故障相為AB相，二次側(cè)電流為3.42A（CT變比600/1），一次值為2052A；10kV丁線開關(guān)過流Ⅱ段保護動作，故障相為AB相，二次側(cè)電流為3.32A（CT變比600/1），一次值為1992A，線路保護正確動作，一、二次設備均正常。經(jīng)檢查后發(fā)現(xiàn)10kV丙線164公用電纜分接箱C相套管絕緣擊穿，10kV丁線220K公用電纜分接箱601開關(guān)至454公用配電站電纜中間頭A相接地故障。

3 中性點不接地或經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)跳閘原因分析

3.1 接地電流分析計算

中性點不接地或經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)單相接地時，其接地電流分析計算如下：

3.1.1 中性點不接地系統(tǒng)單相接地時電流分布（見圖2）：

由于故障相電流Ia為系統(tǒng)非故障相總電容電流Iz，幅值較小，上述線路保護不會動作（見圖3）。

Ua/（Za+ZC）=Ia=Iz。

式中：Ua為A相一次電壓；Za為A相短路處接地電阻Ra（如金屬性接地約為0Ω）和電纜阻抗Zd之和，電纜阻抗約為每公里0.1Ω；ZC為系統(tǒng)非故障線路總電容阻抗，接近無窮大；Ia為流過保護的A相短路一次電流；Iz為非故障相總電容電流。

可得Ia=Iz，約：20～30A。

3.1.2 中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)單相接地時電流分布（見圖4）：

式中：Ua為A相一次電壓；Za為A相短路處接地電阻Ra（如金屬性接地約為0Ω）和電纜阻抗Zd之和，電纜阻抗約為每公里0.1Ω；ZC為系統(tǒng)非故障線路總電容阻抗，接近無窮大；ZL為消弧線圈總阻抗；Ia為經(jīng)補償后流過保護的A相短路一次電流；Iz為系統(tǒng)非故障相總電容電流；IL為消弧線圈補償電流。

可得Ia約20～30A。

3.2 中性點不接地或經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)兩條線路異名相接地時電流分布

中性點不接地或經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)兩條線路異名相接地時電流分布（110kV變電站A 10kV丙線B相、10kV丁線A相同時跳閘故障）（見圖6）：

式中：Ua為A相一次電壓；Za為丁線A相短路處接地電阻Ra（約為2Ω）及電纜阻抗之和。其中，電纜Zda=0.3Ω（電纜阻抗約為每公里0.1Ω）；Zb為丙線B相短路處接地電阻Rc（約為2Ω）及電纜阻抗之和，其中電纜Zdb=0.4Ω（電纜阻抗約為每公里0.1Ω）；ZC為非故障線路對地系統(tǒng)總電容阻抗，接近無窮大；Ia為流過保護的A相短路一次電流；Ib為流過保護的B相短路一次電流；Iz為非故障相總電容電流。

由以上等值電路（見圖7）可知，10kV丁線A相、10kV丙線B相同時或相繼發(fā)生接地時，通過大地形成回路，形成了同一電源供電的相間故障，流過保護的短路電流Ia=Ib，方向相反。若設U為AB相一次電壓約為10000V，由于Za

由以上分析計算可知，如110kV變電站A 10kV丁線或10kV丙線其中一條線路首先發(fā)生單相故障或者兩條線路先后發(fā)生同名相故障，保護不會動作跳閘，但如果因為接地使非故障相絕損壞，就會在同一電源兩條出線發(fā)生異名相故障，由于形成相間短路故障，短路電流較大，保護動作后兩條線路均跳閘。此外，如在不同電源的兩條出線發(fā)生異名相故障，由于系統(tǒng)阻抗較大，短路電流一般較小，所以發(fā)生此類故障同跳的幾率較小。

綜上所述，當中性點不接地電網(wǎng)發(fā)生單相故障，由于故障電流很小，保護不會動作于跳閘，但由于此時會造成非故障兩相的對地電壓升高至正常電壓的倍，容易導致非故障相設備絕緣降低，故障進一步擴大，將可能發(fā)展成為兩相或多相故障，造成線路跳閘。

4 小電阻接地系統(tǒng)

由于小電流接地運行方式在發(fā)生故障時產(chǎn)生的過電壓，對設備的絕緣影響較大，且較難準確定位故障點，導致故障處理不及時，直接影響了供電質(zhì)量甚至引發(fā)人身觸電事故，為了改變小電流接地運行方式的不足之處，快速切除低壓線路的接地故障，低壓系統(tǒng)中性點經(jīng)小電阻方式已應用在35kV及以下低壓電網(wǎng)。這種接地方式下，當電力系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，繼電保護裝置通過接地電阻的電流大小來啟動零序保護，將故障線路從系統(tǒng)中隔離。

4.1 該接地方式的優(yōu)點

4.1.1 能夠快速地確定故障位置，將故障線路進行隔離，及時遏制了諧振過電壓，有效地防止了非瞬時性單相接地故障發(fā)展成相間短路故障。

4.1.2 中性點經(jīng)低電阻接地后，在電弧熄滅后，線路的殘余電荷可通過電阻泄漏到大地，中性點的電位迅速下降，重燃過電壓的幅值會降低。

4.1.3 對設備絕緣性要求降低，節(jié)約了投資。

4.1.4 由于設置了零序電流保護，一旦發(fā)生單相接地將立即切除故障，縮短了故障時間且靈敏度高，可大大減少人身傷亡事故。

4.1.5 不再依靠允許帶故障運行2小時來保證供電的可靠性。

4.2 中性點經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)單相接地時電流分布

中性點經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)單相接地時電流分布見圖8：

由于故障相電流Ia為流過中性點小電阻（一般取10Ω）的電流，幅值較大，保護能可靠動作（見圖9）。

Ua/（Za+ZC/Ro）=Ia

式中：Ua為A相一次電壓；Za為A相短路處接地電阻Ra（如金屬性接地約為0Ω）和電纜阻抗Zd之和，電纜阻抗約為每公里0.1Ω；ZC為系統(tǒng)非故障線路總電容阻抗，接近無窮大；Ro為變壓器中性點接地小電阻約為10Ω；Ia為流過保護的A相短路一次電流；Iz為非故障相總電容電流。

若Ua為A相一次電壓為5800V，由于Ro

4.3 該接地方式的缺點

4.3.1 當發(fā)生單相接地故障時，不管故障是永久性的，還是瞬時性的，線路都會自動跳閘。因此，線路跳閘次數(shù)將增加數(shù)倍，影響用戶的用電需求，電路送電可靠性降低。

4.3.2 中性點經(jīng)小電阻接地屬于大電流接地，接地電流比較大，過大故障電流容易擴大事故，即當電纜發(fā)生單相接地時，強烈的電弧會危及鄰相電纜釀成火災，擴大事故。

4.3.3 一旦零序保護動作不及時或斷路器失靈，過大的故障電流將使接地點及附近的電氣設備受到更大的危害，導致相間故障發(fā)生。

4.3.4 接地故障時，數(shù)百安以上的接地電流會引起地電位升高達數(shù)千伏，該電壓通過接地系統(tǒng)傳送到低壓設備上，而低壓設備的絕緣只能夠耐低壓，所以容易導致低壓設備被擊穿而短路，甚至對人身安全造成影響。

5 建議及措施

通過以上分析、對比各種低壓系統(tǒng)接地運行方式的優(yōu)缺點，將原來采用的小電流接地方式改為中性點經(jīng)小電阻接地運行方式，既可有效防止因單相接地導致的相間或多相故障的運行風險，又可降低因接地故障持續(xù)運行造成的人身觸電事故。

目前，由于該地區(qū)低壓電網(wǎng)均采用小電流接地方式，為降低因單相接地故障而造成的各種運行風險，對于未完成改造的站線應做好以下四點措施：（1）對于電纜老化及電纜中間接頭等薄弱環(huán)節(jié)，需要加強對相關(guān)設備的運行維護，及早發(fā)現(xiàn)問題。同時要提高檢測手段，通過試驗方式檢驗薄弱點的絕緣程度，做好設備的狀態(tài)評估；（2）加強35kV及以下電壓等級架空線路的線路巡視，尤其是樹木茂盛及工程施工區(qū)域，防止外力破壞導致線路斷線或者短路，威脅人身設備安全；（3）調(diào)度部門對于相關(guān)10kV接地信號要及時響應，盡快做出判斷，及時隔離故障，避免10kV線路長期故障運行；（4）就如何提高消弧選線成功率的問題與消弧選線裝置的廠家進行交流探討，制定相應可行的方案。

6 實施的可行性及風險

（1）該地區(qū)城區(qū)低壓系統(tǒng)多為電纜線路，而郊區(qū)低壓線路多為架空線或混合線路。可在城區(qū)和郊區(qū)分別選取1～2個變電站作為試點，改造為小電阻接地運行方式。其中試點的選取應優(yōu)先考慮出線電纜老化問題嚴重、電纜分接箱絕緣隱患較多和接地故障多發(fā)的站點。但同時需考慮對重要用戶和保供電用戶的影響，特別是郊區(qū)架空線路，雷雨季節(jié)極易發(fā)生單相接地故障（樹障或非金屬性瞬時故障），勢必造成站端出線開關(guān)及保護頻繁動作，如發(fā)生開關(guān)或保護拒動，將會造成越級跳閘，不但影響供電可靠性還導致了故障范圍的擴大；（2）目前，該地區(qū)電網(wǎng)110kV變壓器10kV側(cè)接線方式均為三角型接線，中性點不能直接接地，必須加裝接地變壓器。如加裝在10kV兩段母線上，當一臺主變故障，備自投動作合上母聯(lián)開關(guān)后，變?yōu)閮山M接地電阻并聯(lián)運行，接地電阻變小，容易造成接地保護的誤動，應考慮增加主變聯(lián)切接地變回路和定值配合問題。另外，在運行方式改變時，也應注意兩組接地電阻運行方式的調(diào)整，防止發(fā)生接地保護的誤動；（3）零序電流保護不應采用三相電流互感器組成的二次零序接線方式，防止三相電流互感器有不同程度的飽和，或因特性不平衡，使零序電流保護誤動作。對試點低壓線路需加裝零序電流互感器來解決上述問題，同時線路保護定值需做出相應的調(diào)整；（4）改變35kV及10kV中性點接地方式涉及面廣，需要對一二次設備進行改造，包括35kV中性點及10kV母線加裝接地小電阻、加裝接地變壓器、10kV饋線柜零序CT回路調(diào)試、10kV保護定值調(diào)整、加裝保護聯(lián)切回路等，可考慮在新投站或者選取合適的變電站作為試點，積累運行經(jīng)驗；（5）根據(jù)《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規(guī)范GB/T 50064-2014》6～35kV主要由電纜線路構(gòu)成的配電系統(tǒng)，當單相接地故障電容電流較大時，可采用中性點低電阻接地方式。因此，需要試驗進行梳理，將該地區(qū)低壓電網(wǎng)單相接地故障電容電流較大的線路進行統(tǒng)計，作為試點中性點經(jīng)小電阻接地的依據(jù)。

7 結(jié)語

結(jié)合目前該地區(qū)低壓電網(wǎng)中性點接地運行方式的情況，針對中性點不接地或經(jīng)消弧線圈接地方式的不足之處，提出了采用中性點經(jīng)小電阻接地運行的方案。該方案根據(jù)電纜線路的特點，提出當10kV或35kV線路發(fā)生故障時，可使繼電保護裝置迅速動作隔離故障，減輕了對設備絕緣的損害，有效降低了人身事故的風險。

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作者簡介：夏志樂（1990-），男，廣東人，廣東電網(wǎng)有限責任公司肇慶供電局助理工程師，研究方向：變電站繼電保護及自動化。

（責任編輯：小 燕）