20kV配電網應用及中性點接地方式研究

尹文琴

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20kV配電網應用及中性點接地方式研究

尹文琴

（廣東省電力工業職業技術學校，廣州 510640）

隨著經濟發展，采用20kV配電網相比10kV電壓等級配電具有越來越多的優越性，如提高電力系統的穩定性、電能質量和運行的經濟性能，降低電網的投資等。而在20kV配電網進行建設、升壓、改造時，中性點接地方式成為關鍵技術問題之一，對設備選型、系統運行及繼電保護等具有重大的影響。本文首先對采用20kV電壓等級的優勢與10kV、35kV進行了比較，然后分析和探討了20kV配電網的中性點不接地、經消弧線圈接地、小電阻接地和靈活接地方式等問題，并提出了相應的建議，最后總結了國內外20kV配電網中性點接地式的現狀及發展趨勢，以期為將來20kV配電網的廣泛使用提供技術參考。

20kV；配電網；中性點接地方式；靈活接地方式

配電網是指從電源側（輸電網、發電設施、分布式電源等）接受電能，并通過配電設施分配給各類用戶的電力網絡。曾經，我國中壓配電網的電壓等級較多，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等級[1]（上、下級的電壓等級倍數約為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），逐步將中壓配電網電壓等級統一為10kV和35kV。

隨著經濟的高速發展，省會城市、直轄市等A+區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]，且農村電網負荷也日益升高。文獻[3]指出原有10kV配電網顯現出供電容量不足、供電半徑不夠、占用通道過多等諸多局限，探討了配電網面臨的新形勢及其發展思路。文獻[4-5]進行了20kV配電系統的探索與實踐，研究了現實建設中存在的問題，如35kV與10kV兩級電壓供電面積重疊多[6]、網損大等。事物是螺旋式逐漸發展的，由于繼電保護技術的飛速發展，使得采用20kV配電網重新具有非常大的優勢，但同時，在對配電網進行升壓、改造時，系統的中性點接地方式成為關鍵的技術問題之一，對設備選型、系統運行、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后，系統發生故障時的故障特性與系統的中性點接地方式的關系，這對于20kV在智能電網中的發展具有非常重要的參考價值。因此，研究和探討相關20kV配電技術非常值得關注，如配電設備選型、系統運行、繼電保護、供電可靠性等。

1 20kV配電網的優越性

1.1 從供電側角度分析

采用20kV配電網后，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、經濟電流密度。

從設備費用上說，20kV的設備費用（電纜、變壓器、環網開關等）總體比10kV的高10%～20%，設備尺寸稍微增大[8]，其主要原因是由于10kV和20kV都屬于中壓，兩者技術要求并無太大差異，國內在技術實現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，一旦具備大規模批量生產的條件，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配電網可減少變電站數量和投資；若將10kV配電網改造成20kV電壓等級[9]，可以在原有電纜、變壓器等設備、10kV線路走廊基礎上稍加改造，不僅能夠為大客戶提供更加靈活和經濟的電纜接入方式，而且還可實現全架空線路20kV工程，且采用過渡形式可以解決10kV與20kV的聯絡問題。

既然20kV相比10kV有很大的優越性，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，且導致電網結構復雜、電容電流大量增加，若采用架空線，則受電磁環境及安全距離要求的限制，因此從技術上來說，全部改造成35kV直接配電，不僅設備尺寸、造價、占用通道等投資過大，而且也無法利用原有10kV的設備和線路走廊，受到低壓設備熱穩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、降損節資與簡化電壓等級等融合在一起，優勢明顯。

1.2 從用電側角度分析

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，采用20kV比采用10kV可以節省電費開支，若是用電量大的用戶，則節省的資金可觀。

2）土地資源因素

20kV配電站與35kV配電站相比，可以有效節約站內用地。據文獻[10]統計，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的運行成本，還降低了用電側的使用成本，鑒于此，國內的20kV配電網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]總結了國內外配電網中壓配電電壓的應用實踐，指出80%歐洲國家如意大利、奧地利、波蘭等中壓配電網采用20～25kV；俄羅斯僅保留少數的10kV、大部分改造成20kV配電電壓；60%的亞洲國家和地區如新加坡、韓國、泰國等也陸續采用20～23kV作為中壓配電電壓等級。先進配電網結構越來越朝著變電層次減少、多方向互聯環網、高供電可靠性等方向發展。

2 20kV配電網中性點接地方式選擇的分析

中性點接地方式與配電設備的選擇（絕緣水平）及其投資經濟性、運行安全性、供電可靠性、繼保靈敏度等密切相關[12-13]，因而必須對其重點關注，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

結構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展成多相接地故障，繼續運行不得超過2h，因非故障相電壓升高為線電壓，有可能產生的工頻過電壓幅值約為3.5p.u.，容易產生鐵磁諧振，常常引起電壓互感器的燒毀、爆炸等，且對設備的絕緣水平要求高，會增加設備絕緣方面的投資。此接地方式中，主要考慮對地電容電流的大小（線路不長或電纜較少時，電流較小，缺少電弧持續條件），因此，中性點不接地方式目前多數用在電容電流小于10A的架空配電網。

20kV配電網采用不接地方式有以下建議：

1）要考慮在選擇設備時，所有設備的操作過電壓絕緣耐受水平應大于相電壓幅值的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中性點串抗諧振非線性電阻，避免電磁式互感器飽和，引發鐵磁諧振危害整個配電網，或者采用勵磁性能較好的電壓互感器等。

2.2 中性點經消弧線圈接地方式

采用中性點經消弧線圈接地，是指發生故障時輸出電感電流去補償系統電容電流，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（隨需要補償的電容電流增大而投資增大），且如何監測系統電容電流、實現消弧線圈的自動補償也是一個非常復雜的問題；發生故障時，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弧；故障選線很難完全正確，配網自動化系統及裝置難以發揮作用；單相接地故障時產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城市配電網。

若20kV配電網中性點采用經消弧線圈接地方式，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，應裝設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中只裝一臺消弧線圈或將多臺消弧線圈集中安裝于一處。

2.3 中性點經小電阻接地方式

中性點經小電阻接地方式是當發生故障時，通過中性點的小電阻產生明顯的電流信號，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（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（①電纜線路電容電流大；②電纜線路基本不會發生瞬時性故障）；此外，若配電網已經成型，其設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配電網采用中性點經小電阻接地方式，對于低壓側為20kV的主變來說，其二次側繞組多為△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該具有轉供電能力，如在高負荷密度和高供電可靠性需求的區域，建設20kV“花瓣型”配電網，并合環運行（此接線模式參考新加坡電網），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）當發生單相接地時，會有較大的接地電流，容易產生較高的接觸電壓和跨步電壓，威脅設備和人身安全，干擾周圍通信線路，且接地變壓器和接地電阻等一次設備也受到熱穩定性的限制，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點，也存在明顯缺點。在配電網復雜化、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，基本原則是對電網中的電壓、電容電流值或其他量進行監測，并判斷和根據故障類型，由控制裝置來自動切換接地方式，實現發生瞬時故障時采用消弧線圈接地方式，發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，需保證系統的各種數據測量、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、控制復雜的問題，如何優化模擬量的采集（如提高采樣頻率）、電容電流的監測（受多種因素的影響）以及消弧線圈的投入（如自動投入相應容量），實現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（單一零序電壓判據等失效），提高可靠性（高阻接地故障、瞬時性故障頻發會降低）等均是需要考慮的問題。

3 國內外20kV配電網中性點接地方式的選擇現狀

3.1 國外選擇現狀

不同國家的配電網中性點接地方式有不同要求，主要根據各國配電網的運行經驗、技術條件、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達、電網運行經驗豐富的系統（如德國），不僅城市配電網全部采用了經消弧線圈接地方式，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）對于網架結構好、供電可靠性高的系統（如美國），由于自動化水平高、繼電保護系統已經成型、設備絕緣水平設計較低，所以采用經小電阻接地 方式。

3）出于本系統的安全供電和電能質量的要求，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展，兩種方式并存將持續一定時期，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向來以高供電可靠性而聞名，其20kV花瓣型配電網中性點選擇小電阻接地，接地電阻為6.5W。

3.2 國內選擇現狀

率先采用20kV作為配電電壓的是蘇州工業園區，中性點接地方式采取經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配電網均宜選擇中性點經小電阻接地方式，對于城市新建的20kV配電網，可以考慮中性點經消弧線圈接地方式。遼寧本溪的南芬由于是負荷小、密度低、供電半徑大的農村地區，采用全架空線路，中性點接地方式，選擇經消弧線圈接地。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，選擇中性點經5W小電阻接地。但不管怎樣選擇，20kV配電網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 結論

本文探討了20kV配電網的優越性，分析對比了多種中性點接地方式的原理、優缺點及應用于20kV配電網需要考慮的技術問題，總結了國內外20kV配電網中性點接地方式的現狀及趨勢，得出以下結論：

1）20kV配電網相比10kV有諸多優越性，且改造原有的10kV配電網是可行的，是我國中壓配電網發展的必然趨勢。

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

3）20kV配電網中性點接地方式與電網結構、負荷需求、技術條件等密切相關，其關系到繼電保護、設備選型、供電安全等系列問題。鑒于電纜的廣泛應用，中性點運行方式已逐步趨向于經小電阻接地或靈活接地方式。

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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-），碩士研究生學歷，講師，主要從事電力系統方面教學、培訓及研究工作。