广州电网20 kV配电网中性点接地方式的研究与探讨

广州电网20 kV配电网中性点接地方式的研究与探讨

南方电网广州供电局公司 莫文雄 方健 王劲 王勇 栾乐 黄慧红 覃煜 李盛楠

本文通过理论分析和仿真验证相结合的方式，发现20 kV中压配电网中小电阻接地方式对抑制工频过电压水平发生概率的能力优于消弧线圈接地方式，且具有较大的故障电流，有利于继电保护装置动作和提高系统运行的可靠性，对于电容电流较大的20 kV配电网接地方式推荐采用中性点经小电阻接地。

20kV配电网；中性点接地方式；过电压；EMTP-ATP；绝缘配合；

0 引言

20世纪70年代以来，我国采用的电压等级主要为750 kV、500 kV、330 kV、220 kV、110 kV、66 kV、35 kV、10 kV。大部分城市主要采用220 kV、110 kV、35 kV、10 kV、0.4 kV电压等级序列，其中35 kV及35kV以上电压等级归为高压电网，中压配电网的各项工作都集中统一在10 kV[1][2]。近年来，随着国民经济的快速发展，城市用电负荷猛增，尤其在一些经济发达地区，城市中心负荷密度高达20～30 MW/km2，而10 kV线路的正常送电功率只有3000 kW左右，供电半径只有1～1.5 km，难以满足城市发展的需求。并且10 kV电压等级在设备投资、节能降损、线路走廊等方面还存在着困难。从我国中压配电网电网长远发展来看，经济发达地区中压配电网发展20 kV电压等级是十分有必要的。

1 中性点接地方式、内过电压与绝缘配合的关系

各级电网均需根据过电压水平来分析其应采取的绝缘配合策略。其中内过电压水平主要取决于系统自身参数配置和中性点接地方式。本文主要研究中性点接地方式对20 kV电压等级内过电压水平的影响，进而分析20 kV电压等级应采取的绝缘配合策略[3]，三者的关系如图1所示。

2 中压配电网中性点接地方式的特点

中压配电网中性点主要的接地方式有不接地、直接接地、消弧线圈接地和电阻接地方式。电阻接地方式根据接地电阻的大小可以分为大电阻接地方式和小电阻接地方式两种（亦有分大、中、小三种电阻接地方式的）。根据国外经验与我国其它电压等级的运行实践，中压配电网各接地方式有如下所述的基本特点。

2.1 不接地方式特点

中性点不接地方式不需要任何接地设备，是一种最为简单的电网地方式。不接地方式系统发生单相接地障时，故障电流以线路对地电容的容性电流分量为主，适合架空线为主的电网。较小的故障电流对电力设备、通讯线路和人生安全造成的危害较小。10 kV电压等采用中性地方式，主要为了保障系统的供电可靠性。

但20 kV电压等级采用中性点不接地方式，可能面临两个方面的问题，一方面20 kV电压等级电压水平上升，系统多采用电缆线路，对地电容大，容性电流分量远大于10 kV电压等级，不接地方式系统单相故障电流可能高达数百安培。另一方面，20 kV电压等级电缆线路单相接地故障大多为单相永久性故障，带故障运行会对系统设备和线路的绝缘造成长时间冲击，加快线路绝缘老化，影响设备使用寿命。且系统长时间单相故障容易发展成为多重故障，造成事故扩大化。

图1 中性点接地方式、内过电压与绝缘配合关系图

2.2 直接接地方式特点

中性点直接接地方式主要的优点在于发生单相接地故障时，非故障相电压升幅不大，对设备绝缘要求低。且单相故障电流大，继电保护装置动作迅速灵敏，基本不会使故障发展成为多重故障。我国110 kV及以上电压等级大多采用中性点直接接地方式。中性点直接接地方式的缺点主要是，配电系统中出现单相接地故障时，短路电流非常大，可能会破坏电气设备，中性点直接接地方式若不能快速切除故障线路，系统弧光接地过电压等级较高。

综合考虑系统限制短路电流、保障人身安全，降低绝缘水平、提高经济效益和我国当前中压配电网的运行情况等因素，中性点直接接地方式也不适合于我国20 kV配电网。

2.3 消弧线圈接地方式特点

中性点经消弧线圈接地的主要优点有：

（1）消弧线圈产生的感性电流与系统对地电容产生的容性电流互相抵消，系统单相接地故障电流减小，故障点电弧可以自熄。

（2）消弧线圈接地方式可以减少弧光接地过电压发生的概率。

因此，消弧线圈接地方式是20 kV电压等级可供选择的一种接地方式。

2.4 小电阻接地方式特点

中性点经小电阻接地方式的主要特点[4]：

（1）中性点电阻是耗能元件，也是阻尼元件（而消弧线圈是谐振元件），有利于防止系统谐振过电压。

（2）适当选择中性点电阻，可以降低系统工频过电压水平，单相接地故障时非故障相电压水平低，持续时间短，有利于无间隙金属氧化物避雷器的推广。

（3）提高系统安全水平、降低人身伤亡事故概率。

（4）接地装置简单、可靠，使用寿命长。

2.5 小结

故小电阻接地方式也是20 kV电压等级可供选择的一种接地方式。

由上述分析，结合我国《交流电气装置过电压保护和绝缘配合》DL/T620-1997行业标准[5]的规定，10 kV以上电压等级不宜采用不接地方式。

通过分析中压配电网常见的几种中性点接地方式及其特点，结合我国配电网接地方式的传统和20 kV配电网的特点，可以得出关于20 kV配电网中性点接地方式选取的几点初步结论：

（1）我国中性点不接地方式主要用于城市10 kV配网和农村配电网中，对于需要开展20 kV配电网建设工作的地区并不适用。

（2）我国110 kV及以上电压等级多采用直接接地方式。对于中压配电网，中性点直接接地方式故障电流过大，会危及人身安全，且对通信线路的干扰大。我国20 kV配电网不宜采用直接接地方式。

（3）20 kV配电网在电容电流较小时，原则上可以采用经消弧线圈接地。但我国需要开展升压工作的配电网都是经济发达地区，很多地区都已有大量电缆线路，而新建20 kV配电网大多采用电缆线路为主，两者电容电流均较大。考虑到地区电网今后的发展，20 kV配电网中性点经消弧线圈接地方式面临挑战。

（4）从限制过电压、提高系统稳定性方面考虑，20 kV配电网经小电阻接地是可供考虑的一种接地方式。

3 工频过电压下消弧线圈与小电阻接地方式的比较

本节研究20 kV电压等级中性点经消弧线圈和小电阻接地方式对抑制系统工频过电压的作用。电力系统中工频过电电压倍数一般小于2.0 p.u.，对于配电网正常绝缘的电气设备危害较小，但工频过电压的水平是决定系统保护装置工作条件的重要依据，且工频过电压持续时间长，易与操作过电压联合作用，从而对电气设备的绝缘与运行造成危害，应予以足够的重视。

工频过电压按产生的原因可以分为：空载长线路电容效应引起的过电压、不对称短路引起的过电压和甩负荷引起的过电压。本文讨论最为严重的情况，即电网空载情况下，不对称短路引起的工频过电压。

3.1 不对称短路的基本理论

系统中不对称短路情况是配网输电线路中最常见的故障形式，包括单相接地和两相接地故障。在特殊情况下的两相短路接地故障也会出现较高的工频过电压，但两相接地故障发生的可能性非常小，电力系统中比较常见的接地故障多为单相接地故障。且10 kV电压等级若存在大量架空线，单相接地故障是以暂时性的接地故障居多；而20 kV电压等级以电缆出线为主，则单相接地故障是以永久性的接地故障居多，对系统的威胁更为严重。理论分析表明，系统发生单相金属接地短路故障时，单相接地故障系数（健全相对地最高工频电压有效值与无故障时相对地最高工频电压有效值的比值）[6][7]可以表示为式（3-1）：

其中α为单相接地故障系数，k为从故障点看去的零序阻抗和正序阻抗的比值。即有k=X0/X1。α与k的函数关系图如图2所示。

图2α与k的函数关系曲线图

经恒等变换，α的表达式（3-1）可以改写为式（3-2）：

由式（3-2）可知：

（1）当k∈（-∞，-2）时，α随k的增大而递增；（2）当k∈（-2，0）时，α随k的增大而递减；

（3）当k∈（0，+∞）时，α随k的增大而递增；

由以上分析可以得出以下结论：

3.2 20 kV配电网单相接地故障仿真研究

本文将通过仿真分析20kV配电网经消弧线圈和小电阻两种不同方式接地时系统发生单相短路所引起的过电压。由上述的理论分析中可以初步看出，相比中性点经消弧线圈接地，中性点经小电阻接地能更为有效的抑制系统因不对称短路引起的过电压，在节约系统的绝缘保护成本上具有优势。

3.2.1 仿真算例建模

本文仿真使用的系统模型原型为某市试点规划的20 kV配电网。该市近年电力负荷高速增长。2005年最高负荷为324 MW，2006年最高负荷为530 MW，2010年最高负荷为1100 MW，2015年达到1700 MW。为满足负荷发展和安全可靠供电的要求，该市将作为20 kV电压等级升压改造试点区域。

在设计变压器高压侧等值电路时，考虑到电力系统在遭受扰动之后（如单相接地故障等），会产生一系列的动态过程，按照发生先后的时间段来划分，先产生电磁暂态过程，时间常数通常小于秒级，接着是机电暂态过程，时间常数通常为数秒至数十秒。在电磁暂态过程的初期为电压波和电流波的传播过程，时间常数通常为微秒或毫秒级。本文仿真主要是针对系统内过电压研究，研究的是系统电磁暂态过程中波的传播过程，此时间段内发电机的电磁暂态过程还未开始动作，所以在用EMTP-ATP进行仿真中，可以采用理想三相电压源等值变压器高压侧。系统负荷采用RLC串联模型，在仿真计算时，一般考虑最严重的情况，故通常只考虑系统空载时的过电压水平。该市20 kV出线规模为3×13回，均为纯电缆线路，每回电缆线路长5.4 km。图3为EMTPATP仿真系统接线图。

图3中元件参数如下所示。

图3 ATP仿真接线图

（1）线路模型均采用分布参数模型，线路参数为：

Z1=0.107+j0.103(Ω·km-1)；

Z0=0.821+j1.697(Ω·km-1)；

b1=0.286(μF·km-1)；

b0=0.286(μF·km-1)。

可以算得变压器各绕组参数为：

RT1=0.370Ω，XT1=43.6Ω；

RT2=0.0822Ω，XT2=-5.75Ω；

RT3=0.0168Ω，XT1=1.26Ω。

（3）本文仿真中消弧线圈采用等效电感处理，消弧线圈应采用过补偿。谐振补偿时RL的计算结果为：

我国电力行业规程规定，中性点经消弧线圈接地系统，脱谐度不超过10%。按8%脱谐度计算可知过补偿时RL=48.645Ω。

3.2.2 算例分析及结果

本文仿真20 kV系统单相接地故障时，EMTP-ATP仿真网络接线图在图3的基础上加入故障接地线路，图4所示。考虑最为严重的情况下单相接地故障，即所有线路均空载运行，负荷开关在仿真中均不闭合。

（1）中性点经消弧线圈接地系统故障仿真

图4 单相接地故障系统ATP接线图

中性点经消弧线圈接地时，系统正常运行0.02 s（一个周期）后，第13回出线3 km处发生单相永久性金属接地故障(Rd=0.001Ω)，系统故障处的故障电压波形、故障电流波形分别如图5、图6所示。

系统发生单相接地故障时，因为消弧线圈对故障电流的补偿作用，故障电流迅速减小。故障电流的衰减时间受很多因素影响，主要与故障点实际情况、系统运行参数和消弧线圈脱谐度等有关。本文中性点经消弧线圈接地系统仿真中故障电流波形如图6所示，0.02 s时系统发生单相故障，系统故障运行2个周期后，到0.06 s时故障点电流基本衰减趋于零。通常情况下中性点采用消弧线圈接地方式，系统发生单相故障时，接地电弧能自行熄灭。

（2）中性点经小电阻接地系统故障仿真

中性点经小电阻接地时，中性点接地电阻暂取为18 Ω（根据经验，验证后取18 Ω较为合理性）[10][11]。系统第13回出线3 km处发生单相永久性金属接地故障，系统故障电压波形、故障电流波形分别如图7、图8所示。

图5 中性点经消弧线圈接地系统故障时故障电压波形

图6 中性点经消弧线圈接地系统故障时故障电流波形

图7 中性点经小电阻接地系统故障时电压波形

图8 中性点经小电阻接地系统故障时电流波形

中性点经消弧线圈接地系统故障仿真结果表明该方式下系统工频过电压等级高，非故障相过电压水平达到了1.18倍线电压。消弧线圈接地方式系统故障电流衰减快，仅2个周期后便衰减为零。中性点经小电阻接地系统故障仿真中系统工频过电压等级较低，非故障相过电压水平为0.876倍线电压，且系统故障电流较大。与3.1中的理论分析相吻合。

4 结论

本文通过对工频过电压，主要是空载运行方式下单相接地故障过电压的形成机理进行理论分析，并采用EMTP-ATP软件对20 kV配电网中性点采取经消弧线圈接地和经小电阻接地两种接地方式进行了仿真，对仿真结果进行分析比较，结果表明20 kV配电网经小电阻接地方式在抑制工频过电压升高的作用上优于经消弧线圈接地。

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