農村配電網采用小電阻接地的探討

喻琢舟

(韶關市擎能設計有限公司，廣東 韶關 512026)

農村中壓配電網(本文專指10 kV配電網)以架空線為主，電容電流較小，考慮到供電可靠性及設備條件等原因，目前基本采用中性點不接地或經消弧線圈接地方式，并具備多年的運行經驗。但此類接地方式本質上存在單相接地時其他兩相仍帶電運行、故障選線不準確等問題，由于缺相運行導致人身及設備安全事故時有發生。隨著農村配網建設的投入加大，部分地區中壓線路都實現了環網運行及具備了重合閘的功能，供電可靠性大為提升，在此前提下將中性點改為經小電阻接地能提高電網運行的安全性，及時發現故障。因此，探討改變接地方式后農村配電網的相關問題是有必要的。

1 農村配電網中性點接地現狀

農村中壓配電網的特征一是以架空線為主，部分地區導線絕緣化率不高；二是中壓線路供電半徑長，另外偏遠地區還有大量的分支線路，部分線路總長度甚至超過100 km；三是負荷密度低，變電站出線較少，一回線路及分支線就能供電一大片區域；四是由于線路長，環境復雜，引發接地故障的可能性較大。

由于采用架空導線，農村中壓配網的電容電流普遍偏小，一般35 kV變電站10 kV出線較少，10 kV側電容電流在10 A以內，而110 kV變電站10 kV出線相對較多，電容電流在20 A以內。因此，目前農網中35 kV變電站10 kV側中性點一般采用不接地方式，110 kV變電站10 kV側采用中性點經消弧線圈接地方式，消弧線圈容量400 kVA～800 kVA不等。

對于中性點不接地和經消弧線圈接地的小電流接地系統故障選線裝置，目前通用的單相接地選線方法基本上通過接地故障發生時的故障特征來判斷哪條線路發生了故障，這些故障的特征一部分是穩態信號，一部分是暫態信號，一般而言穩態故障特征指的就是零序電流、零序電壓以及相位等，暫態特征指的是高次諧波等。但由于故障電流小，甚至不足10 A，另外故障點及接地電阻等因素都可能影響故障零序電流的變化，因此故障特征不明顯，也導致了故障選線不準的問題。部分地區農網的故障選線裝置甚至對運行起不到正確的參考作用。

根據相關規定，10 kV配電網可在單相接地方式下運行2 h，如果不能及時發現并切除故障相，有可能造成故障相電弧持續燃燒產生過電壓及燒斷導線等設備事故，而嚴重的可能造成觸電人身傷亡事故，而且此類事故在農網地區時有發生。

2 中性點經小電阻接地系統在農網的推廣

中性點經小電阻接地系統原理是利用小電阻的阻尼和耗能作用，在線路接地故障時電弧過零熄滅后，零序殘壓通過電阻提供的通路泄放掉，使得下一次燃弧時的過電壓幅值與從正常情況發生單相接地故障時基本相同。而不接地或經消弧線圈接地系統由于多次燃弧、熄弧而使得過電壓幅值升高。

中性點經小電阻接地系統在城市配網中已運行相當成熟，主要優點有以下幾項：(1)可降低工頻過電壓，非故障相相電壓不升高或升幅較小；(2)能有效限制間歇性弧光過電壓在2.5 p.u.以下；(3)對諧振過電壓有很強抑制作用，能消除大部分斷線諧振過電壓；(4)系統動作靈敏，承受過電壓水平低、時間短，可降低設備絕緣水平；(5)利用大接地故障電流可準確判斷并及時切除故障線路，防止事故擴大，避免人身傷亡事故。其主要缺點是跳閘率高，特別是對單一電源供電的用戶影響很大，易造成供電中斷，另外對于高阻接地故障也可能保護不動作等，以上缺點影響了其在農網的推廣。

隨著近年來國家對農村配網的投入不斷增大，部分農網地區大范圍內實現了10 kV環網供電，可通過重合閘等排除瞬時故障，線路零序CT等設備完善，基本具備了應用中性點經小電阻接地但確保供電可靠性不明顯降低的條件，可以充分發揮中性點經小電阻接地系統的優點，因此在部分地區農網得以開始逐步推廣。

3 中性點經小電阻接地系統的理論計算

10 kV中性點經小電阻接地系統的等效電路主要由主變、母線、饋線、接地變、小電阻等組成，其系統接線圖見圖1，主變等效阻抗為XK，接地變等效阻抗為Xg，線路電容為Cφ，一共有F1至Fn條10 kV饋線。

圖1 中性點經小電阻接地系統接線示意圖

圖2 正序和負序等效電路圖

圖3 零序等效電路圖

在某一條10 kV饋線A相發生單相接地故障的情況下，根據電路等效換算及簡化，其各序等效電路圖分別見圖2、圖3。其中Ri、Xi分別為故障線路的各序電阻和電抗，Rg0、Xg0為接地變的零序阻抗，Cφ為系統對地電容。

從等效電路圖可計算各序綜合阻抗：

其中：

農村配電網系統電容電流一般不超過20 A，則計算系統電容Cφ為909Ω，根據目前某電網公司統一采購的設備參數，中性點小電阻RN大于10Ω，由于線路正序阻抗不大，每千米阻抗小于0.5Ω，一般認為系統單相故障時零序阻抗大于40倍正序阻抗以上，因此如果線路A相故障，其中性點短路電流計算可以簡化為以下公式：

式中：Eφ為相電壓，

某農村110 kV變電站及接入的中壓配網主要配置參數如下：

主變壓器一臺，容量SN=40 MVA，變比為110/10.5 kV，Uk=10.5%，10 kV側短路容量為180 MVA；接地變一臺，容量Sg=420 kVA，Ugk=4%；線路每千米正序阻抗為(0.12+j0.38)Ω，零序阻抗按(0.27+j1.33)Ω考慮，線路總長30 km；故障點接地電阻為10 Ω；系統接地電容電流為20 A。按目前中性點小電阻阻值為10 Ω、16 Ω兩種型號進行計算，計算結果見表1。

表1 接地短路電流計算結果

4 仿真實例

4.1 主要仿真內容

由于農村配網中性點接地方式普遍采用不接地及中性點經消弧線圈接地方式，應用中性點經小電阻接地方式缺乏經驗。仿真主要論證對10 Ω、16 Ω兩種阻值的小電阻選型及在斷線的極端情況下相關參數情況。本實例采用MATLAB/Simulink軟件平臺進行仿真。配電網主要參數參照上節。

4.2 中性點短路電流仿真

假設10 kV線路在0.2 s時A相發生單相低阻接地短路故障，流經中性點小電阻的短路電流分別圖4、圖5，圖4為中性點接入10 Ω小電阻的情況，圖5為中性點接入16 Ω小電阻的情況。根據仿真結果，采用兩種小電阻主要差別在短路電流的幅值大小，但中性點電流均超過200 A。

當發生高阻接地時，接地電阻按200 Ω考慮，流經中性點小電阻的短路電流分別圖6、圖7，中性點電流下降到30 A左右。

圖4 流經中性點電流(10Ω)

圖5 流經中性點電流(16Ω)

圖6 高阻接地中性點電流(10Ω)

圖7 高阻接地中性點電流(16Ω)

4.3 斷線情況仿真

在部分農網區域，由于線路長，運行維護較困難，存在斷線未被發現的情況，且斷線點的后段線路發生接地故障，存在較大的安全隱患。

假定線路在A相斷線的情況下，A相導線斷點后段又發生接地故障情況，無論中性點采用何種阻值的小電阻，流經中性點的電流都很小，只有1 A左右，仿真結果見圖8。而斷線的負荷側導線仍存在約800 V的感應電壓，0.8 s斷線發生接地后電壓降到很低，詳見圖9。

4.4 結果分析

根據比較，仿真結果與理論計算結果基本一致。在發生單相金屬性接地及低阻接地時，流經中性點電流超過200 A，有利于保護整定。當發生高阻接地故障時，流經中性點電流減小到30 A左右，接近系統的電容電流，保護整定將難以保證動作的靈敏性。

在導線斷線的情況下，發生導線斷點后段發生單相接地故障，由于接電源側的零序網絡回路基本斷開，而且由于農網大部分時間負荷輕，負荷電流較小，流經中性點的電流很小，無法直接判斷是否發生故障。斷點后段的導線在未接地的情況下，由于線路仍通過臺變與健全相線路耦合，仍有800 V左右的感應電壓，如不及時發現并切除，存在重大安全隱患。

圖8 斷線情況下中性點電流

圖9 斷線電壓

5 結語

本文根據農村配電網運行的特點，通過理論計算及模擬仿真的方法，初步探討了中性點經小電阻接地系統在農村中壓配電網中推廣應用的基本問題。根據理論計算及仿真結果分析，可以初步得出以下結論：

(1)農村中壓配電網采用中性點經小電阻接地系統，發生單相短路故障時，流經中性點電流較大，能較快發現并切除故障線路，防止接地線路長時間運行，有利于運行安全；

(2)無論采用10 Ω或者16 Ω的小電阻，在發生高阻接地時，流經中性點電流均較小，而且幅值差異不大，都可能存在較難滿足保護整定靈敏性要求的情況；

(3)在滿足保護整定靈敏性要求的前提下盡量采用較大電阻，以保護系統的絕緣，在短路電流水平變化接近的前提下，采用16 Ω的中性點小電阻符合現狀運行要求；

(4)發生單相斷線并接地的極端情況下，僅依賴中性點電流的大小較難判斷故障情況，仍需要借助其它手段進行監測。

相對于城市配電網，農網具有線路長、負荷輕、電容電流小、導線易受外界破壞影響等特點，將在城市配電網中應用較為成熟的中性點經小電阻接地系統推廣至農網，可能會遇到一些特殊的問題，需要進行探討解決。

考慮到農村配電網的實際運行情況，本文就系統單相接地、高阻接地、斷線等情況進行了初步分析，對小電阻的阻值選擇進行了比較。對于包括保護整定、故障選線以及復雜故障等問題需要作進一步的研究和探討。