20kV配电网中性点经低电阻接地方式及设备的选择

摘 要：本文对我国低压配电网中性点的接地方式进行探讨，包含中性点不接地的方式、中性点采用消弧线圈接地方式和中性点采用低电阻接地方式，分析和研究了每种方式各自的特点及应用场合；对于配电网电容电流的计算，本文简化其计算方法，还详细讨论了20kV 配电网中性点采用低电阻接地的电流及接地变压器的参数选择问题。最后结合工程实例，为低电阻接地及设备的选择提供了比较合理的计算方法。

关键词：低压配电网；电容电流；接地变压器

0 前言

随着我国GDP总量的不断攀升，用电量的需求大大增强，对用户供电的配电网要求也在提高，配电网的输送能力亟待增强。相比传统的10kV配电网，更高电压等级的配电网优势明显。在相同导体截面、输送相同负载功率时，20kV 供电距离是10kV的4倍，能有效地增大线路输电能力，减少线路上功率的损耗，提高线路的供电半径。

20kV配电网在我国的运行时间不长、经验不足，若能对其设计及运行经验进行总结分析、加以探讨，会有利于我国配电网输送水平的发展。本文对配电网中三种中性点接地方式的特点和范围进行比较分析，考虑了将配电网电容电流进行简化计算的方法，重点研究20kV 配电网采用中性点低电阻接地方式下的接地电流大小及接地设备参数的选择，为低电阻接地设备选择提供一种比较合理的计算方法。

1 中性点接地的基本方式

目前我国10 kV-35 kV配电网中，中性点基本接地方式有以下3种：中性点采用不接地方式、中性点采用低电阻接地方式和中性点采用消弧线圈接地，每种方式有其各自的应用优势及适宜场合。

1.1 中性点采用不接地方式

当单相接地故障发生在中性点不接地系统时，该线路的电压仍对称，基本不影响用户的供电，但要求在2小时内尽快切除故障。因为发生单相接地故障时，可能会产生较高的工频过电压、电弧接地过电压，长时间运行会烧毁设备。

10 kV-35 kV配电网中，当单相接地电容电流不超过10A时，应采用中性点不接地方式[5]。

1.2 中性点采用消弧线圈接地

当单相接地故障发生在中性点经消弧线圈接地的配电网时，系统中的容性接地电流会与消弧线圈产生的感性电流相消，大大减小了单相接地故障电流，可有效避免接地电弧的出现。在发生单相接地故障情况下，允许工作2小时，使得配电网供电有更高的可靠性；但单相接地保护装置动作情况复杂，寻找故障点较难，由单相接地故障引起的工频过电压对设备的绝缘水平要求较高。

10 kV、20kV配电网中，当单相接地电容电流可能出现大于10A的情况时，小于100-150A时；35kV配电网，当单相接地电容电流超过10A，小于100A时；宜采用中性点采用消弧线圈接地[5]。

1.3 中性点采用低电阻接地

中性点经低电阻接地方式，可以有效地消除各种PT谐振过电压、限制工频过电压和接地故障电弧过电压。发生单相接地故障时，健全相电压变化较小，其对设备绝缘等级要求相对较低，可节约投资；而且零序过流保护能立即动作，可靠地保护线路及设备。但增加了停电次数和停电时间，供电的可靠性有所降低。

10 kV、20kV配电网中，当单相接地电容电流超过100A-150A或为全电缆网时；35 kV配电网，单相接地电容电流超过100A-150A或为全电缆网时，中性点宜采用经低电阻接地方式[5]。

2 电容电流的简化计算

对配电网中性点接地方式进行选择时，主要考虑其配电网电容电流的大小。电容电流由下列电气连接元件产生，包括配电网中的架空线路，配电网中的电缆线路，以及供给该配电网的发电机、变压器及母线，它们的电容电流可按以下公式计算[4]：

（1）架空线路，电容电流可按式（1）估算。

Ic=（2.7～3.3）Ue·L×10-3 （1）

（2）电缆线路，电容电流可按式（2）估算：

Ic=0.1Ue·L （2）

（3）在变电站增加部分见表1。

3 配电网中性点低电阻接地方式

根据城市规划和发展，越来越多的配电网需要采用电缆供电方式，电缆的数量大增，使配电网中的电容电流出现过大的现象。为解决该问题，工程中采用了中性点经低电阻接地的运行方式，下面本文将详细讨论这种接地方式的参数选择问题。

3.1 采用中性点经低电阻接地时的接地电流

目前国内外工程，在配电网经低电阻接地情况下，对于接地电流的大小要求不同，实际选择设备时范围的变化较大。

在IEEE143标准中，对于工业设施的配电网而言，当15kV及以下的配电网接地故障发生时，其故障电流应小于400A的电流。在我国有着不同的要求，如在广州10kV配电网中，要求其零序电流小于400A，而在上海35kV配电网中，要求零序电流小于1kA或2kA。

在不同的国家，情况各异。美国的配电网主要由中性点经低电阻接地方式构成，单相接地电流控制在500A左右，或者1000A左右。

在我国，不同的规范或规定要求也不一致。国家标准GB50613-2010《城市配电网规划设计规范》中，第5.6条规定：“当单相接地电流超过100A-150A，或为全电缆网时，宜采用低电阻接地方式，其接地电阻宜按单相接地电流200A-1000A、接地故障瞬时跳闸方式选择”；在南方电网主编的电力行业标准DL5449-2012《20 kV配电设计技术规定》中，第3.5条规定：“20 kV配电系统中性点接地方式，当单相接地电容电流超过100A-150A时，可采用低电阻接地方式，接地电流宜控制在500-1000A范围内”；在国家电网企业标准Q/GDW156- 2006《城市电力网规划设计导则》中，第4.5条规定：“对于35kV、20kV、10kV电压等级的中性点经低电阻接地系统，在发生单相接地故障时，20kV、10kV接地电流宜控制在150-500A范围内。”endprint

从以上给出的国内外经验和标准来看，针对低电阻接地系统的故障电流的取值，各标准是采用“一般”或“宜”给出取值的上下限，其推荐的取值范围是不同的，特别是南方电网主编的《20 kV配电设计技术规定》和国家电网的《城市电力网规划设计导则》中，对20 kV中性点经低电阻接地的接地电流推荐的控制范围差异很大，其重合部分只有500A。

因此，本文认为，配电网低电阻接地时，应综合考虑过电压、继电保护、通信干扰等方面的问题，在不同的国家和地区，可以有不同的接地电流选择。

3.2 接地变压器的设置

由于常规变电站的主变压器都采用Yd或YNynd联接组别，10kV或20kV配电网系统一般均无中性点引出，为实现低电阻接地，需要采用接地变压器。

该变压器采用了Z型（或称曲折形）的绕组接法，其中性点可加电阻R或消弧线圈，还可根据需要，设置一个400V的次级绕组，供站用电。

4 工程实例

本文作者设计的东南亚某150 kV/20 kV变电站，其20 kV是向当地原有配电网供电，设计时考虑维持原有配电网设备的绝缘水平，采用了原配电网一样的接地方式，低电阻接地方式，接地电阻为40Ω，单相接地时保护动作于跳闸。该变电站的主变压器采用星三角的联接方式，在20kV侧上，没有中性点引出。因采用中性点经过低电阻接地的方式，该站使用了Z型接线的干式接地变压器，即在接地变压器的中性点上将低电阻接入。

4.1 20 kV接地电阻的参数选择

当选定接地电阻为40Ω时，单相接地时，流过20kV接地变压器中性点及电阻的接地电流为：

（3）

式中Un为系统电压，取21kV；R为接地电阻。

接地电阻的额定电压的计算公式为：

（4）

接地电阻的消耗功率的计算公式为：

Pr=Id×UR≥303×12.73=3857kW （5）

单相接地故障出现在该系统时，保护柜发出保护跳闸信号，为满足系统可靠性稳定性的相关要求，此时设置接地电流持续时间最多为10 s。

4.2 20 kV接地变压器的参数选择

对Z型接线三相接地变压器，若中性点带电阻，接地变压器的容量为：

SN≥Pr （6）

式中Pr为额定容量，仅限接地电阻。

按照《导体和设备选择设计技术规定》规范条文中的说明：接地变压器的型式以选择干式配电变压器为宜。在确定其容量时，利用接地变压器的过载能力进行考虑，设置接地保护动作于跳闸时间。当现场的厂家资料缺乏时，采取表2所列数据。

表中所列过载持续时间最少都是5min，没有10 s时变压器的过载能力，国内其它的规范和接地变压器厂家资料中也未标明该参数，如果直接用5min的过载能力来计算，其接地变压器容量选择较大，不经济。

可以参照IEEE-C62.92.3标准，它对过载系数有着明确的规定，即持续容量采取变压器短时容量，具体换算方式如表3所示。

从表2和表3中的数据对照可看出，IEEE标准的过载能力要求更高。

结合作者实际经验，需要与国内接地变压器生产厂家协商，只要订货时提出明确要求，厂家是能保证达到IEEE标准的， 即保证10s，10-10.5倍的过载能力。在实际计算时，过载持续时间取10 s，当接地电阻采用40Ω时，其需要接地变压器的短时容量为：

SN（10 s）≥Pr =3857kVA （公式5的计算值）

折算到接地变压器的持续容量为：

SN≥386 kVA （按10 s，过载倍数10考虑）

另外考虑了接地变压器的低压侧带站用电，低压侧为容量200 kAV，因此计算干式接地变压器高压侧容量还应包括站用电部分。实际选用的干式接地变压器的额定容量：高压侧/低压侧为630/200 kAV，电压：21±2*2.5%/0.4 kV，联接组别：ZNyn11。该变电站已投运4年，至今运行良好。

5 结论

中压配电网中性点接地方式的选择讨论由来已久，但目前尚无准确定论。对于三种主要的中性点接地方式，有其各自的应用优势及适宜场合。本文对配电网的中性点接地方式的选择上进行了相应探讨，重点研究了20kV 配电网中性点采用低电阻接地的电流及接地变压器的参数选择问题。

参考文献：

[1]钱云，王洋.发展中压20kV电压等级必要性的探讨[J].安徽电力，2006，23（03）：17-19.

[2]汲亚飞，侯义明.20kV配电网中性点接地方式选择的研究[J].供用电，2008，25（05）：9-12.

[3]孙西骅.城市电网改造和推广20kV电压的问题[J].供用电，1996，13（03）：17-19.

[4]西北电力设计院.电力工程电气设计手册[S].中国电力出版社，1991.

[5]GB50613-2010，城市配电网规划设计规范[S].

[6]DL5222-200582，导体和电器选择设计技术规定[S].

作者简介：朱玲（1963-），女，高级工程师，电气工程师，主要从事：发电厂及变电站工程的电气设计工作。endprint