20 kV配电网中性点接地方式切换仿真实验研究

韩 笑， 赵张磊， 周灵江， 刘 曦(.南京工程学院 配电网智能技术与装备江苏省协同创新中心，江苏 南京 000；.浙江临海市供电公司,浙江 临海 7000； .浙江温州市供电公司，浙江 温州 5000)



20 kV配电网中性点接地方式切换仿真实验研究

韩 笑1， 赵张磊1， 周灵江2， 刘 曦3
(1.南京工程学院 配电网智能技术与装备江苏省协同创新中心，江苏 南京 210003；2.浙江临海市供电公司,浙江 临海 317000； 3.浙江温州市供电公司，浙江 温州 325000)

基于某地区20 kV配电网运行参数，结合该地区电网发展规划,采用PSCAD软件建立相应仿真实验模型。重点研究采用小电阻接地和消弧线圈接地两种不同中性点接地方式下配电网发生单相接地故障时的关键节点电气数据，通过分析实验结果得到其对相关设备和继电保护的影响。为实际电网中性点采用两种接地方式短时切换的可行性提供理论依据。

配电网； 中性点； 接地方式； 切换； 仿真

0 引 言

根据我国实际情况，20 kV电压等级的技术可行性和经济优越性已经得到论证[1-3]。在20 kV配电网的运行与改造中，中性点接地方式的合理选择是影响电力网络结构与布局，电力设备设计制造，电力系统运行管理，继电保护配置，供电可靠性的关键技术问题。在新建的20 kV配电网和10 kV升压改造的20 kV配电网实际运行中存在以下问题。由于大量电缆的应用和线路长度的不断增加，导致发生永久性单相接地故障时对地电容电流过大。采用消弧线圈接地方式时，对电容电流补偿困难加大，故障选线难，非故障相的过电压水平高，易对部分原10 kV升压设备造成绝缘损坏。现20 kV配电网多为大用电负荷企业用户供电，其对电能质量要求高，在采用小电阻接地方式下发生单相接地故障即线路保护动作跳闸。因配电网架构相对薄弱，备用电源不足，故障跳闸所造成的停电将会导致企业较大的经济损失[4-6]。

对于以上问题，国内外专家学者提出的中性点经消弧线圈并联电阻的灵活接地方式，可通过两种接地方式短时切换解决单一接地方式存在的问题[7-10]。本文对中性点经小电阻接地、经消弧线圈接地和前两者短时切换接地分别进行仿真实验研究，以期获得关键电气节点的仿真数据，从而为中性点接地方式选择、设备选型、接地故障选线等提供参考依据。

1 20 kV配电网系统模型

1.1 建模依据

1.1.1 研究对象

以东部沿海某新兴城市的20 kV配电网为研究对象进行仿真建模分析，其一次简图如图1所示。该20 kV变电站拥有两条110 kV进线，两台容量为80 MVA的110/20 kV的主变，接线方式为Y，d11。变电站采用内桥接线，日常运行时母联断路器断开两母线分列运行。20 kV侧共有8条出线，其中部分出线为新建的20 kV线路，部分则由原10 kV配电网线路升压改造而来。两台接地变压器与各自母线相连，为20 kV侧提供接地点。

图1 某20 kV配电网一次简图

1.1.2 主要设备参数

电网电容电流值由接入的线路总长度确定，因此可通过对20 kV出线的导线类型及其长度的统计对电容电流值进行估算。该20 kV配电网共8条出线，主要采用JKLYJ-20/240型架空绝缘导线和YJLV22-18/20-3*400型电缆。其实际长度统计结果为I段母线II段母线各有JKLYJ-20/240型架空绝缘导线23.9 km，YJLV22-18/20-3*400型电缆5.9 km，各馈线均为典型架空线—电缆混合出线。该两类导线相关电气参数如表1所示。

表1 导线电气参数表

根据导线统计结果，可计算出系统等效对地电容。根据式(1)，可对线路总的电容电流进行估算。计算结果为56.2 A。依此可通过式(2)对消弧线圈的容量进行计算， 得到其容量为1 000 kVA，电感值为0.65 H。

(1)

式中:Ic为导线对地电容电流(A)；Ul为额定线电压(V)；C0为单相对地电容(F/km)；L为线路长度(km)。

(2)

式中:Q为消弧线圈补偿容量(kVA)；K为系数(过补偿取1.35，装在电网变压器中性点的消弧线圈采用过补偿方式)；UN为电网额定线电压(kV)。

1.2 实验模型建立与参数设置

利用PSCAD软件进行该配电网仿真实验模型的搭建。此模型分为电源模块、双绕组变压器模块、π型线路模块、接地变压器模块、故障模块和测量模块。其中使用三相电压源模型模拟两变电站110 kV进线，使用上述双绕组变压器模型模拟主变，使用π型等值模型对20 kV出线的线路参数进行设置，建立仿真模型如图2所示，模型中的参数按表2。设置(I段母线和II段母线的主变与接地变参数相同)。对系统在不同接地方式下，两段母线并列运行与分列运行分别进行单相接地故障仿真。

图2 仿真模型图

参数数值电源电压值/kV110电源等效阻抗值/H0．037741#主变容量/MVA801#主变变比/kV/kV110/211#主变短路电压百分数/%12．81#主变接线方式Y，d111#接地变容量/MVA1．21#接地变短路电压百分数%6．9

2 小电阻接地方式故障仿真

小电阻接地方式仿真模型，即在20 kV配电网侧接入接地变压器，并在接地变压器中性点接入一个小电阻，从而加入一个有效的接地点，在发生单相接地故障时，应保证使零序过流保护可靠动作。

2.1 两母线分列运行仿真

系统采用20 Ω小电阻接地，模型中变电站I段母线II段母线分列运行且两台接地变压器均投入，其参数按表2设置，对母线发生单相接地故障进行仿真。故障时的主变低压侧的电压如图3所示。小电阻接地方式下，发生A相接地故障时故障相电压降为1.1 kV，非故障相电压峰峰值上升至24 kV。

图3 三相电压波形图

中性点电流和电压如图4所示，中性点电压值由正常时接近于0上升至12.8 kV，流过中性点的故障电流峰峰值约为560 A。

图4 中性点电压电流波形图

以上仿真结果说明，由于故障所导致三相电压不平衡，中性点电压将上升至额定相电压的50%以上。该特征量的显著变化可作为电网是否发生故障的判据使用。流过中性点的故障电流约为560 A，能够保证零序电流保护启动切除故障。

对馈线1～4的末端发生单相接地短路进行仿真，对流经馈线保护安装处的零序电流进行采集与统计如下：馈线1为502.4 A，馈线2为503.2 A，馈线3为495.1 A，馈线4为438.5 A。其检测到的故障电流均为500 A左右，能够满足相关设备的耐流要求和继电保护设备的动作要求。对于系统选择20 Ω小电阻接地能够保证零序保护可靠动作于单相接地故障。部分10 kV设备能够满足该接地方式的运行要求。

2.2 两段母线并列运行说明

针对电网实际运行中可能存在的变电站两条母线并列运行且接地变压器均投入的极端情况，对该情况下发生单相接地故障进行软件仿真。三相电压波形与图3相近，中性点电流如图5所示。此时发生单相接地故障，流过两台接地变中性点电流相加即故障电流峰峰值将达到810 A。

图5 中性点电流波形图

以上仿真结果说明，由于故障时系统中存在两个接地点，系统等效接地电阻变为原来的一半为10 Ω，馈线保护处检测到的故障电流约为原来的两倍。过大的故障电流将会对继电保护设备造成影响。按照《浙江电网 20 kV系统继电保护配置及整定运行规范》和江苏省电力公司《20 kV配电系统技术导则》规定小电阻接地方式运行时，两段母线不能并列运行。

3 消弧线圈接地的故障仿真

系统采用消弧线圈接地方式运行，消弧线圈电感值为0.65 H，接地变压器容量选择为1 200 kVA，其他参数按表2设置。在电网发生单相接地故障时，消弧线圈应能够补偿电网中电容电流，将故障残流控制在10 A以内。

3.1 两端母线分列运行仿真分析

两段母线分列运行各自接地变压器均投入，对馈线末端发生单相接地故障进行仿真。故障时主变低压侧的电压如图6所示，消弧线圈接地方式下，电网发生单相接地故障将导致故障相电压降低至0.1 kV，非故障相电压峰峰值将到达26 kV。

图6 三相电压波形图

中性点电流和电压如图7所示。故障将导致中性点电压升高至12.1 kV，而流过中性点的故障电流仅为2.6 A。

图7 中性点电压电流波形图

以上仿真结果说明，由于消弧线圈的补偿作用导致故障残流大幅降低，但同时也将会对馈线保护可靠动作造成影响。无法切除故障导致的非故障相过电压，从而将对原部分10 kV升压改造设备造成绝缘安全隐患。

3.2 对相关设备的影响

现变电站中使用的集合式并联电容器绝缘耐压水平为42/75 kV，ABB三工位开关额定短时耐受电流为25 kA，ABB气体绝缘金属封闭开关设备额定短时工频耐压为65 kV，耐流为25 kA，LMZ6-0.5/250型电流互感器短时耐受热电流为25/4 kA/s，耐受动稳定电流为63 kA，均能满足消弧线圈接地方式运行下的耐压耐流要求。但是针对部分仍在使用的10 kV电缆，由于其是按照10 kV电压等级要求进行设计，存在绝缘薄弱环节被击穿，发展成为相间短路使事故扩大的隐患。根据仿真数据，中性点故障残流为2.6 A，现阶段使用的1 200 kVA容量的接地变压器能够满足电容电流补偿要求。

对于小电阻接地方式中对接地类型故障配置的主保护(零序电流保护)，在消弧线圈接地方式中由于故障残流小，将使原有的保护失效，需重新配置小电流接地系统选线保护装置。

4 两接地方式短时切换仿真

针对上述仿真分析，对于现阶段的20 kV配电网，采用小电阻接地方式，发生故障即保护动作造成线路短时停电，供电可靠性低；但采用消弧线圈接地方式，由于现有技术暂无法实现准确快速的故障选线与定位，若长时间带故障运行，部分原10 kV升压改造设备无法满足绝缘要求。本节对采用两种接地方式短时切换的系统进行仿真，即电网正常运行时，采用消弧线圈接地方式，若发生瞬时性接地故障，系统可通过消弧线圈补偿故障电流接地电弧自行熄灭，保证电网连续可靠供电；若发生永久性接地故障，可通过切换至小电阻接地方式，保证保护动作隔离故障线路。

在PSCAD软件中将模型20 kV侧母线连上接地变压器，变压器中采用消弧线圈并联电阻的接地方式，即在发生接地故障后的一段时间内，短时投入并联电阻。消弧线圈和并联电阻的参数采用谐振接地的消弧线圈电感值和小电阻接地中电阻值。软件仿真系统在0.2 s时发生永久性故障，0.3时投入并联的电阻，0.4 s时断开该电阻。电网流经中性点故障电流见图8。在系统为消弧线圈接地期间流过中性点的故障电流约为2.5 A，在0.2～0.3 s短时切换为小电阻接地时流过中性点的故障电流峰峰值将达到510 A。

图8 中性点电流波形图

以上仿真结果说明，在电网发生永久性接地故障时，切换接地方式为小电阻接地，可使故障电流达到较大值从而保证继电保护装置可靠动作切除故障。

5 结 语

本文对20 kV配电网中性点经消弧线圈、经小电阻以及两者短时切换接地进行单相接地故障仿真实验。仿真结果表明，故障将导致非故障相电压大幅上升。小电阻接地方式下两端母线分列运行，故障电流约为500 A，故障残流大，保护装置能够可靠动作隔离故障。但存在一有故障即跳闸，无法区分瞬时性故障与永久性故障，对于架构相对薄弱备用电源不足的新建20 kV配电网无法保证供电可靠性。消弧线圈接地方式可带故障运行，但故障残流低，故障线路无法准确选择，存在绝缘击穿事故扩大的隐患。通过两种接地方式短时切换的故障仿真实验，验证该方式能够通过短时切换电阻接地增大故障电流，解决上述两种单一接地方式的不足。本文的实验研究为两种接地方式短时切换提供了理论依据，对20 kV电压等级的城镇配电网和工业园区配电网的中性点接地方式选择具有借鉴和参考作用。

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Experiment of 20 kV Distribution Network Neutral Grounding Mode Switching Simulation

HANXiao1,ZHAOZhang-lei1,ZHOULing-jiang2,LIUXi3
(1.Jiangsu Collaborative Innovation Center of Smart Distribution Network, Nanjing Institute of Technology，Nanjing 210003, China; 2. Zhejiang Linhai Power Supply Company, Linhai 317000，China; 3. Zhejiang Wenzhou Power Supply Company，Wenzhou 325000，China)

This paper uses PSCAD software to establish the corresponding simulation model based on a regional 20 kV distribution network operating parameters and the region's power grid development plan. This paper highlights electrical data in key nodes when low resistance grounding system and arc suppression coil grounding system occur and lead to single-phase ground fault. This paper also analyzes the impact of related equipment and relay protection, and provide the theoretical basis of short-term switching grounding mode.

distribution network； the neutral point; grounding mode; switching; simulation

2014-06-29

韩 笑(1969-)，男，江苏扬州人，硕士，教授，主要研究方向：电力系统保护与控制，配网自动化。E-mail：hxslqc@sina.com

TM 711

A

1006-7167(2015)02-0088-04