中性點靈活接地技術(shù)在桐鄉(xiāng)電網(wǎng)20 kV改造中的應(yīng)用

曾振源

（國網(wǎng)桐鄉(xiāng)供電公司,浙江 桐鄉(xiāng) 314500）

0 引言

按技術(shù)原理、使用場合的差異，配電網(wǎng)中性點接地方式一般可劃分為3類[1-2]，如圖1所示。浙江桐鄉(xiāng)自2010年起全域開展20 kV改造工作。為盡量利用原有10 kV設(shè)備國網(wǎng)桐鄉(xiāng)市供電公司嘗試對10 kV設(shè)備的升壓改造（即進行局部加強后直接運行20 kV電壓）。很明顯，升壓改造設(shè)備與真正的20 kV設(shè)備必然存在差距[3]。為保證配電網(wǎng)運行安全，在20 kV改造伊始，國網(wǎng)桐鄉(xiāng)市供電公司規(guī)定20 kV電網(wǎng)的中性點接地方式統(tǒng)一采用經(jīng)小電阻接地。而由圖1可知，小電阻接地方式對單相接地故障非常敏感。據(jù)統(tǒng)計，2012年—2013年期間，桐鄉(xiāng)電網(wǎng)20 kV線路累計跳閘430條次，其中因單相接地引發(fā)的占78.9%。雖然饋線保護配置有重合閘功能，大多數(shù)單相接地引發(fā)的跳閘是能夠重合成功的，但桐鄉(xiāng)地區(qū)有許多變頻用戶，即使只是短暫失電，也會給用戶帶來生產(chǎn)上的較大損失。因此，變革20 kV配網(wǎng)中性點接地方式顯得尤為迫切。

1 靈活接地技術(shù)的原理

1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

20 kV電壓等級最早應(yīng)用于歐洲（以逐步推進的方式達成普及），所采用的設(shè)備無升壓改造類型，因此其20 kV配網(wǎng)中性點接地方式非經(jīng)小電阻接地[4]。

就國內(nèi)來說，20 kV電壓試點工作其實開展也有10來年，主要情形是兩種[5-6]。

a）20 kV網(wǎng)絡(luò)全部是電纜形式（如深圳），則其配網(wǎng)中性點接地方式為經(jīng)小電阻接地。

b）20 kV網(wǎng)絡(luò)為電纜—架空混合形式（如蘇州工業(yè)園），但入網(wǎng)設(shè)備均為20 kV新設(shè)備，具有較高耐壓水平，則其配網(wǎng)中性點接地方式為經(jīng)消弧線圈接地。

目前，國內(nèi)外應(yīng)用尚沒有可解決桐鄉(xiāng)20 kV線路高跳閘率的應(yīng)對措施。然而，10 kV層面已有關(guān)于靈活接地的相關(guān)研究，就是以消弧線圈并接小電阻進行接地，但小電阻是否投入需滿足一定條件（主要是單相接地故障的持續(xù)時間長短），目的是極大程度過濾瞬時接地引起的線路跳閘。顯然，這種技術(shù)比較契合當(dāng)前桐鄉(xiāng)20 kV電網(wǎng)面臨困境的解決。

1.2 原理及架構(gòu)

根據(jù)10 kV層面靈活接地技術(shù)的相關(guān)思路，結(jié)合安全、可靠之期盼，設(shè)計以下可用于20 kV層面的靈活接地技術(shù)框架。

a）當(dāng)配網(wǎng)處于正常態(tài)勢，接地系統(tǒng)應(yīng)為單一的經(jīng)消弧線圈接地。

b）當(dāng)配網(wǎng)出現(xiàn)單相接地異常，消弧線圈首先進行自動補償。

c）過了設(shè)定時間，若異常依然存在，則投入小電阻，即將故障處理由消弧線圈模式轉(zhuǎn)為小電阻接地模式。

圖2所示為實現(xiàn)原理和運行流程。

圖2用于20 kV配網(wǎng)的中性點靈活接地系統(tǒng)技術(shù)原理和運行流程

消弧線圈是始終掛網(wǎng)運行的，其不會對正常態(tài)配網(wǎng)產(chǎn)生影響；單相接地發(fā)生伊始（“t1”時段），由于配網(wǎng)中性點經(jīng)消弧線圈接地，因此非故障相電壓將抬升至正常值的倍，但只要將“t1”設(shè)置合理，就不會有長時間過電壓危險（指對那些經(jīng)由10 kV升壓改造的設(shè)備）；過了“t1”時段，若接地點電弧依然存在，則判定線路發(fā)生的是永久性接地故障（瞬時故障時可通過消弧線圈的自動輸出予以消除），因此觸發(fā)時序邏輯來投入小電阻（消弧線圈被近似短路）；“t2”時段用來保證小電阻接地方式下饋線保護能完成跳閘、重合、重合后加速等一系列動作，目的是實現(xiàn)對接地故障的正確處置；過了“t2”時段，因配網(wǎng)回歸正常（理論上原有故障已被隔離或消除），則退出小電阻，繼續(xù)保持單一的經(jīng)消弧線圈接地方式，依次循環(huán)。

2 靈活接地技術(shù)在桐鄉(xiāng)20 kV電網(wǎng)改造

2.1 雙重化配置和后備保護

鑒于桐鄉(xiāng)20 kV推廣的特點之一是經(jīng)由“升壓改造”，為100%保證絕緣安全，小電阻能否按照設(shè)定作可靠投入以及投入失敗后的應(yīng)急補救成了本次應(yīng)用研究的關(guān)鍵所在[7]。

圖3所示為確保小電阻能可靠投、切而作的雙重化配置設(shè)計。在系統(tǒng)一次上，小電阻投、切通道有2個，即斷路器和接觸器，它們的時序邏輯一般無二（同時執(zhí)行分/合操作）。在系統(tǒng)二次上，斷路器控制回路與接觸器控制回路是相互獨立的，彼此互不干擾。

圖3 投退小電阻回路的雙重化配置示意圖

由于采用雙重化設(shè)計小電阻投退的成功率已經(jīng)非常高了，但是，還應(yīng)考慮最嚴重情形——2個通道都發(fā)生故障。此時，因大量“升壓改造”設(shè)備不能長時間承受倍過電壓（小電阻不投入相當(dāng)于系統(tǒng)以消弧線圈接地方式運行），將形成大范圍的絕緣損壞事件。為規(guī)避這種極端情況發(fā)生，還應(yīng)考慮后備保護——當(dāng)20 kV母線零序電壓3U0（U0是單相零序電壓）越過設(shè)定值一段時間，且投切小電阻雙通道的相關(guān)接點均沒有動作，則經(jīng)由主變壓器非電氣量保護來跳開主變壓器各側(cè)開關(guān)來強行消除接地故障。

2.2 控制電路設(shè)計

中性點靈活接地應(yīng)用技術(shù)控制電路設(shè)計研究的控制電路主要分為3部分。

2.2.1 斷路器支路

該支路的控制依托消弧線圈集成控制器(RCS9705C)和外部繼電器的“合作”：前者負責(zé)斷路器“投入/切除”邏輯的輸出，后者負責(zé)執(zhí)行。相關(guān)回路如圖 4所示，圖 4中“DZ”、“SJ”、“ZJ”、“DY”等表示的是相關(guān)繼電器的線圈或輔助節(jié)點。

圖4 斷路器支路的控制電路

斷路器“合”的邏輯設(shè)置：中性點零序電壓（并聯(lián)于消弧線圈側(cè)壓變采樣）→觸發(fā)消弧線圈控制器內(nèi)相關(guān)集成回路→觸發(fā)外部中間繼電器1DZ→促使斷路器機構(gòu)動作。

斷路器“分”的邏輯設(shè)置：消弧線圈控制器內(nèi)計時回路→觸發(fā)外部中間繼電器2DZ→促使斷路器機構(gòu)動作。

2.2.2 接觸器支路

接觸器支路的控制依托繼電器搭接，如圖5所示。

接觸器“合”的邏輯設(shè)置：20 kV母線零序電壓 (為保險起見，由兩組電壓繼電器并聯(lián)提供)→觸發(fā)外部中間繼電器3DZ→觸發(fā)外部時間繼電器SJ1→觸發(fā)外部中間繼電器3ZJ→促使接觸器機構(gòu)動作。

接觸器“分”的邏輯設(shè)置：接觸器機構(gòu)位置(合)→觸發(fā)外部時間繼電器SJ2(延時動作)→觸發(fā)外部中間繼電器3ZJ失電→促使接觸器機構(gòu)分。

2.2.3 遠后備部分

圖5 接觸器支路的控制電路

遠后備動作關(guān)系到主變壓器失電，必須嚴格校核。按照“2.1”小節(jié)思路，結(jié)合前面相關(guān)控制回路設(shè)計，設(shè)定以下“與”邏輯條件：中性點零序電壓達到動作值，20 kV母線零序電壓達到動作值，中性點無零序電流。以上3條件均滿足與小電阻未投入是對應(yīng)的，因此，可基于此觸發(fā)遠后備計時回路。當(dāng)計時至指定值后，若中性點零壓仍處動作區(qū)間，則切主變壓器各側(cè)開關(guān)，否則應(yīng)返回。以上敘述輔之以圖6說明。

圖6小電阻投入失敗的遠后備補救

2.3 定值設(shè)定

要使靈活接地裝置在桐鄉(xiāng)20 kV配網(wǎng)發(fā)揮效益，除科學(xué)設(shè)計外，還應(yīng)確定各環(huán)節(jié)定值。參照文獻 [8-10]，結(jié)合規(guī)范和桐鄉(xiāng)電網(wǎng)實際運行工況，制定定值體系如圖7所示。

3 應(yīng)用于20 kV配網(wǎng)的中性點靈活接地系統(tǒng)的效果實證

桐鄉(xiāng)20 kV電網(wǎng)于2015年3月開始吸納靈活接地技術(shù)，到2016年初實現(xiàn)對2個變電站的技術(shù)改造。表1所示為技改成效。

圖7 桐鄉(xiāng)20 kV配電網(wǎng)中性點靈活接地系統(tǒng)相關(guān)定值整定及要求說明

表1吸納靈活接地技術(shù)前后的跳閘情況統(tǒng)計

2014年，以2個變電所為電源的饋線已經(jīng)全部實現(xiàn)20 kV運行，變電所內(nèi)主變壓器20 kV側(cè)中性點接地方式為經(jīng)小電阻接地。由統(tǒng)計可知，因單相接地導(dǎo)致的線路跳閘率超過了80%，佐證了單一經(jīng)小電阻接地方式的缺憾 (針對當(dāng)前桐鄉(xiāng)20 kV網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成分析)。2015年，線路規(guī)模與2014年持平，由于變電所內(nèi)技術(shù)改造致使外部20 kV饋線多次停運，所以總的單相接地次數(shù)有了下降 (割接停電期間不受單相接地影響)，但因單相接地引發(fā)的饋線跳閘占比仍徘徊在80%左右。2016年，盡管供電范圍有所擴大 (新增或延長了饋線)、總的單相接地次數(shù)有所增加，但因靈活接地技術(shù)的運用，大量瞬時性單相接地故障被過濾，因單相接地引發(fā)的線路跳閘率下降至8.3%，可謂成效顯著。

4 結(jié)論

靈活接地技術(shù)既發(fā)揚了小電阻接地方式所特有的隔離故障快、準(zhǔn)確性高的優(yōu)勢，又能精準(zhǔn)補償配電網(wǎng)中突發(fā)的瞬時性接地異常，對于大幅降低20 kV線路跳閘率作用明顯。隨著該項技術(shù)在桐鄉(xiāng)地區(qū)的推廣，將大大促進20 kV電壓序列優(yōu)化工作的進展。