10k V改進中性點接地方式的探討

朱熊益 劉 鳴 呂 鋮

（中國鐵路上海局集團有限公司杭州供電段）

0 引言

電力系統發展初期，容量較小，10kV系統主要以不接地方式為主。電力系統發展中期，單相接地故障時電弧不能熄滅，產生弧光過電壓對系統的危害性及對通信的干擾等缺點，國內外開始選用中性點經消弧線圈（諧振）接地、經低電阻接地和經電抗等接地方式，近期有些地區采用的消弧線圈并小電阻的接地方式和中性點電力電子柔性接地方式，對接地電流全補償消弧、人身安全、過電壓抑制和保護等方面有較大的創新。

10kV系統大量采取中性點非有效接地方式運行，單相接地故障時，故障電流低于保護動作閾值，使得故障持續存在且故障電流遠超人體安全標準，嚴重威脅人身安全。為了緩解這一嚴重安全隱患，目前10kV系統主要通過配置消弧線圈降低故障電流，并配合人工拉路及巡線的方式逐一排查故障，但該方式效率偏低，且在10kV系統容量增大、非線性負荷大量接入的形勢下［1－3］，傳統的配置方法已無法滿足10kV系統安全需求。

本文對于上述的問題，針對現階段運行的10kV線路以自動化運維為關鍵指標，采用新型的接地運行方式，配以中性點并聯接地電阻，對電力電纜線路進行容性電流經行補償和中性點電阻釋放線路殘余電荷的優點，限制暫態過電壓，實現單相接地故障處置的功能。本文重點探討改進的中性點接地方式的應用與實效。

1 國內外10kV系統其他中性點接地方式分析

10kV系統大量采取中性點非有效接地方式運行，現階段主要為單相接地故障，故障電流低于保護動作閾值，而常規故障排查的手段仍以人工手動為主，因此10kV線路故障往往會持續存在，進而使得瞬時性故障惡化為永久性故障，永久性故障則進一步惡化為嚴重的短路故障。此外，在故障持續及惡化過程中，會產生巨大的放電電弧與故障電流，電弧的影響尤為明顯，嚴重威脅生命及財產安全［4－7］；接地故障電流則會在故障點產生跨步電壓，尤其在雨天等惡劣天氣下，10kV系統發生故障的概率升高，而人體又處于水汽環境中，人體自身電阻的保護能力大幅下降，一旦人體接近故障點，跨步電壓會瞬間將人體麻痹乃至引發死亡，造成難以挽回的人身安全事故。

可見，單相接地故障仍然是10kV系統中難以根除又不容忽視的嚴重問題，與此同時，隨著10kV線路自動化改革的逐漸突破，10kV系統也開始進入更深層次的多元化建設和發展，系統容量增大，有功及諧波增多，接地故障的危害會再次加重，故障電流引起的跨步電壓危險區域也相應擴大，故障的長時間存在會成為嚴重的安全隱患，可以預見，未來已建設完備的大容量10kV系統將會時刻處于頻繁接地故障的巨大威脅中。

因此，在當下10kV系統大力發展和建設的進程中，彌補自動調諧消弧線圈裝置的不足，實現接地殘流補償，達到快速熄弧；單相接地后實現單相接地故障處置的功能，能夠同時兼顧供電可靠性和消除故障點安全隱患的中性點技術，使10kV系統的安全性得到真正的提升和改善。

2 中性點經消弧線圈并聯電阻接地方式組成

中性點經消弧線圈并聯電阻接地裝置由接地變壓器、調匝式消弧線圈、檔位調節有載開關、微機控制器、中性點接地電阻器以及相應的檢測元件等組成。圖1為中性點經消弧線圈并聯電阻接地裝置示意圖。

圖1 為中性點經消弧線圈并聯電阻接地裝置示意圖

10kV系統中性點由接地變壓器引出，消弧線圈與電阻并聯，二者協調工作，實現過電壓抑制以及單相接地故障處置等功能，電阻器的阻值根據電網的實際情況按照一定的策略進行選擇，電阻的投切及信號的選擇靠控制器配合工作。能夠實現電力電纜線路容性電流的消除又能實現瞬時性故障的自動選擇和投切工作，此類中性點運行方式能夠實現中性接點接地方式的靈活轉換，保證線路安全運行的同時實現了設備的穩定運營。

3 改進的中性點接地方運行原理及方案

3.1 單相接地故障的處置能力

圖2為改進的中性點在系統發生單相接地時接地原理簡化圖。

圖2 改進的中性點在系統發生單相接地時接地原理簡化圖

其中，C∑為全網的對地等效電容，L為消弧線圈電感，Rb為中性點接地電阻器，Rg為接地點過渡電阻，EA為電網A相等值電勢。

電網中性點接入電阻Rb后，零序電壓Uo降低，其表達式為：

由于采用改進的中性點接地方式，系統中短路電路無功分量相比傳統的接地方式要小得多，由于改進的中性點中存在電阻的原因，導致系統發生接地時存在相當大的一部分有功分量，因此接地點故障電流的表達式為：

L1為非故障線路，則其線路的零序電流表達式為：

在電網單相接地故障的情況下，由于中性點存在電阻，因此等效電路中存在有功分量，則對于故障線路Ln其零序電流的表達式為：

圖3為改進的中性點接地方式中去除了電阻時仿真波形圖。

圖3 改進的中性點接地方式中去除了電阻時仿真波形圖

由圖3可以看出，并聯電阻投入后，系統零序電壓降低，故障線路L1零序電流增加，非故障線路Ln零序電流降低。則可以利用零序有功電流的增量進行單相接地故障處置，其改進方法簡單，同時系統運行方便。

3.2 消弧線圈并電阻接地系統接地保護

中性點通過電阻接地時，可以使系統在發生短路接地時，系統中的短路電流減小很多，對于線路以及設備都具有相當重要的保護意義，針對永久性接地故障時，消弧線圈具有保證系統的穩定性的作用，對于瞬時接地故障，由于消弧線圈的作用，系統又能夠很好地得到補償，從而保證了系統的穩定運行。圖4為改進的中性點在系統發生單相接地時的保護原理圖。

圖4 改進的中性點在系統發生單相接地時的保護原理圖

4 中性點經消弧線圈并聯電阻接地方式成效對比分析

采用消弧線圈并聯小電阻的接地方式，下表為10kV系統消弧線圈并電阻接地系統與其他類似產品性能對比。

表 10k V系統消弧線圈并電阻接地系統與其他類似產品性能對比

5 結束語

中性點經改進的方式運行，可實現線路的自動調諧，配以中性點并聯電阻，可實現消弧線圈補償系統中容性電流和中性點電阻釋放線路殘余電荷的優點，同時抑制系統的暫態過電壓，實現系統的單相接地故障處理的功能。

針對瞬時性故障，不投入小電阻，消弧線圈能夠實現補償殘流從而達到消弧的目的，保證供電可靠性；針對間歇性接地故障和永久性故障，投入小電阻，增大故障殘流，快速切除故障，保證供電安全性。

對于電網電容電流大于10A的系統，采用改進的中性點運行方式可以實現電容電流自動補償、過電壓抑制、單相接地故障選線、故障區段定位及隔離功能。

消弧線圈并電阻接地系統技術逐步趨于成熟和穩定，相信在未來的10kV系統自動化建設中會得到更加廣泛的應用，也會在今后10kV自動化系統運行以及升級中發揮越來越重要的作用。