配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式的仿真研究

賀棟棟 張桂懷 楊潤(rùn)田

（1.渭南供電局，陜西 渭南 714000；2.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院 呼和浩特 010020）

隨著城市電網(wǎng)的發(fā)展以及配網(wǎng)自動(dòng)化水平的提高、電力電纜的大量使用，逐漸形成了以電纜為主，架空線為輔的供電模式。由于電力系統(tǒng)不斷地?cái)U(kuò)充供電容量以及大量的電纜線路的應(yīng)用，使得系統(tǒng)的電容電流亦呈逐漸增大之勢(shì)，加之某些地區(qū)不結(jié)合自身的實(shí)際運(yùn)行情況，不做全面的分析，就盲目的選擇不適合當(dāng)?shù)貙?shí)情的接地方式，引起許多嚴(yán)重的問題，如過電壓、繼電保護(hù)、電網(wǎng)電容電流過大、燒毀設(shè)備，電網(wǎng)的大面積停電等。隨著電力工業(yè)的迅猛發(fā)展，人們對(duì)供電質(zhì)量的要求越來越高，電網(wǎng)接地方式的選擇就顯得尤為重要。

我國(guó)中壓電網(wǎng)的接地方式一般使用中性點(diǎn)電阻接地、中性點(diǎn)不接地和中性點(diǎn)消弧線圈接地等方式，所以有必要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

1 中壓電網(wǎng)的接地方式

1.1 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)屬于非有效接地系統(tǒng)的一種，這種接地方式很容易實(shí)現(xiàn)，在電源中性點(diǎn)處不加任何附加裝置，結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單，單相接地時(shí)，其線電壓依然平衡，可以繼續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間。在架空線為主的電網(wǎng)中實(shí)際運(yùn)行時(shí)，流過故障點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)電流是單相對(duì)地電容電流，一般比較小，但是在接地的暫態(tài)過程中，也會(huì)產(chǎn)生過電流；而在電纜為主的電網(wǎng)中，流過故障點(diǎn)的電流較架空線的大很多，過電流也很大。這種接地方式下，也有可能發(fā)生弧光接地，產(chǎn)生很高的過電壓，并且會(huì)作用于全網(wǎng)。

1.2 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地

該方式就是在電網(wǎng)中性點(diǎn)和地中間加入了一個(gè)電感線圈，使電網(wǎng)單相接地時(shí)的電容電流得到了感性電流的補(bǔ)償，使其殘流減小，致使電弧自行熄滅，它的特點(diǎn)是在線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，電網(wǎng)可以帶故障運(yùn)行2h，相對(duì)于中壓電網(wǎng)來說，由于其接地電流得到了補(bǔ)償，單相故障發(fā)展成相間短路故障的可能性很小，所以中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的方式大大提高了供電可靠性，此接地系統(tǒng)又叫補(bǔ)償系統(tǒng)。

這種接地方式有全補(bǔ)償、過補(bǔ)償和欠補(bǔ)償三種運(yùn)行方式，但是不論欠補(bǔ)償或過補(bǔ)償，原則上都不滿足諧振條件，都可以達(dá)到降低正常運(yùn)行時(shí)中性點(diǎn)位移電壓的目的。但實(shí)際上消弧裝置往往采用過補(bǔ)償運(yùn)行方式，這是因?yàn)椴捎们费a(bǔ)償時(shí)，一旦電網(wǎng)部分線路因故障或其他原因斷開時(shí)，對(duì)地電容減小，容抗增大，即可能接近或變成全補(bǔ)償方式，從而使中性點(diǎn)出現(xiàn)不允許的過電壓；欠補(bǔ)償接地電流接近零時(shí)，可能不會(huì)使接地保護(hù)可靠動(dòng)作；在電網(wǎng)發(fā)展，對(duì)地電容增大時(shí)，容抗減小，采用欠補(bǔ)償方式時(shí)必須立即增加補(bǔ)償容量。

1.3 中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地

隨著城市配網(wǎng)的迅猛發(fā)展，大量使用電纜線路，系統(tǒng)的電容電流迅速增加，發(fā)生故障時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的過電壓，燒毀變電站設(shè)備，人們考慮采用電阻接地方式，以達(dá)到降低其過電壓的水平，使相間故障發(fā)生的可能性減小，如果發(fā)生故障就立刻跳閘來減小損失。

這種方式就是在中性點(diǎn)處串聯(lián)接入一個(gè)定值電阻，由于電阻是阻尼元件，具有泄放電荷的作用，系統(tǒng)的對(duì)地電容與其形成并聯(lián)回路，使中性點(diǎn)的電位減小，健全相的恢復(fù)電壓上升速度也相應(yīng)減慢，有助于限制弧光過電壓和諧振等過電壓。中性點(diǎn)的電阻值一般取為幾十歐姆，泄放電荷的能力比較好，但是故障電流卻很大，一般使其限制在500A左右，其他地方也有1000A左右的，達(dá)到接地保護(hù)的起動(dòng)電流時(shí)，接地保護(hù)會(huì)可靠地動(dòng)作，以便及時(shí)的將故障線路切除。

2 仿真模型的建立

本文采用 ATP-EMTP電磁暫態(tài)程序中的圖形預(yù)處理程序ATP-Draw建立某35kV電網(wǎng)的仿真模型，電網(wǎng)的簡(jiǎn)化接線圖見圖 1。為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)，將220kV以前的部分等效為帶內(nèi)阻抗的理想電壓源，而變壓器則采用一個(gè)理想的等效變壓器，變比為220/38.5kV，接線方式為YN-yn。

圖1 電網(wǎng)簡(jiǎn)化接線圖

本文中架空線和電纜都采用Bergeron的分布參數(shù)模型，負(fù)荷側(cè)采用星型接線方式。該系統(tǒng)共6條出線，由4條電纜出線和2條架空線組成，電纜總長(zhǎng)18km，架空線總長(zhǎng)度20km，系統(tǒng)總的電容電流約為112A，各線路參數(shù)見表1。

表1 線路參數(shù)

表中，R的單位為?/km，L的單位為mH/km，C的單位為μF/km。

假定電纜線路1上距母線2km處發(fā)生單相接地故障（假定A相接地），設(shè)置合適的參數(shù)之后仿真該電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，在不同的中性點(diǎn)接地方式下系統(tǒng)的各相電壓，故障電流以及中性點(diǎn)電壓的變化情況。

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)

圖2 不接地系統(tǒng)單相金屬性故障的三相電壓波形圖

圖3 不接地系統(tǒng)單相金屬性故障的中性點(diǎn)電壓波形圖

圖4 不接地系統(tǒng)單相金屬性故障的故障電流波形圖

3.2 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地

中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中消弧線圈的電感值可以根據(jù)系統(tǒng)總的電容電流和消弧線圈的補(bǔ)償度計(jì)算得到（仿真中采用過補(bǔ)償5%）。

圖5 消弧線圈接地系統(tǒng)單相金屬性故障的三相電壓波形圖

圖6 消弧線圈接地系統(tǒng)單相金屬性故障的中性點(diǎn)電壓波形圖

圖7 消弧線圈接地系統(tǒng)單相金屬性故障的故障電流波形圖

3.3 中性點(diǎn)經(jīng)10?電阻接地

圖8 電阻接地系統(tǒng)單相金屬性故障三相電壓波形圖

圖9 電阻接地系統(tǒng)單相金屬性故障中性點(diǎn)電壓波形圖

圖10 電阻接地單相金屬性故障的故障電流波形圖

在仿真的過程中，可以得到以下數(shù)據(jù)：

表2 金屬性接地故障時(shí)不同接地方式的過電壓倍數(shù)

1）從圖2到圖10的波形圖可以看出，隨著中性點(diǎn)接地方式和故障時(shí)刻的不同，故障現(xiàn)象也不盡相同。故障現(xiàn)象隨故障相電壓相位的不同而不同，故障相電壓越接近峰值，故障暫態(tài)的高頻分量越嚴(yán)重并且暫態(tài)過程較長(zhǎng)，故障相電壓越接近零值，暫態(tài)高頻分量就越小，所以在故障相電壓處于峰值和零值時(shí)發(fā)生故障的故障現(xiàn)象最為典型，其他時(shí)刻的現(xiàn)象只是這兩者之間的過渡。

表3 不同過渡電阻接地時(shí)的過電壓倍數(shù)和暫態(tài)故障電流幅值

表4 中性點(diǎn)經(jīng)不同電阻接地時(shí)過電壓倍數(shù)和故障穩(wěn)態(tài)電流幅值

2）從中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的仿真圖形中可以看出，在故障相相位為 90度時(shí)，由于故障發(fā)生在電纜線路上，而電纜線路單位長(zhǎng)度的電容比架空線大許多，所以發(fā)生故障時(shí)故障起始時(shí)的沖擊電流相當(dāng)大。由于沖擊電流主要是由線路對(duì)地電容的快速放電產(chǎn)生的，是一個(gè)頻率很高的快速瞬變過程，在這當(dāng)中，其感抗大到接近于開路，而且消弧線圈的感性電流不能跳變，所以消弧線圈只是起到了補(bǔ)償穩(wěn)態(tài)電容電流的作用，使其殘流很小，但是其對(duì)故障起始時(shí)的沖擊電流卻沒有顯著的影響，其大小也不依據(jù)消弧線圈的變化而發(fā)生變化；而中性點(diǎn)電阻接地具有泄放電荷的能力，從波形圖上可以看出其對(duì)沖擊電流具有很好的抑制作用，暫態(tài)過程較短，但是其故障電流值較大。

3）從表2到表4可以看出，中性點(diǎn)不接地和消弧線圈接地的工頻過電壓值相當(dāng)，而電阻接地的工頻過電壓值明顯較小。在過渡電阻相同時(shí)，中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地對(duì)非故障相電壓和中性點(diǎn)電壓具有很好的抑制作用，但是隨著中性點(diǎn)電阻值的增大，非故障相電壓和中性點(diǎn)電壓不斷升高，故障電流卻不斷減小，當(dāng)中性點(diǎn)電阻增大到一定程度的時(shí)候，接近于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)；由于過渡電阻的阻尼作用，隨著過渡電阻的增大，各種接地方式下的非故障相電壓，中性點(diǎn)電壓和故障電流均減小。

4 結(jié)論

中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地方式相對(duì)于不接地、消弧線圈接地來說，其對(duì)于電網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展和電流變化的適應(yīng)范圍相當(dāng)廣，接地電流水平變化相對(duì)于系統(tǒng)容性電流的變化，其反應(yīng)不是很明顯，并且由于電纜的非自恢復(fù)絕緣特性，當(dāng)單相接地時(shí)，絕大多數(shù)是永久性故障，因而電纜故障時(shí)，最好立即將故障切除?？梢钥闯鼋?jīng)電阻接地的接地方式在電纜上發(fā)生故障時(shí)并不會(huì)使線路的跳閘頻次無端的增加,也并不會(huì)無端的影響供電可靠性。所以對(duì)于35kv及以下電網(wǎng)，系統(tǒng)經(jīng)電阻接地、經(jīng)消弧線圈接地以及不接地各有利弊，但是對(duì)于電纜線路大量采用，系統(tǒng)電容電流急劇增加，以及自動(dòng)化水平的提高，一旦發(fā)生故障，可以立即跳閘的配電網(wǎng)，經(jīng)電阻接地方式體現(xiàn)出了一定的優(yōu)越性，所以對(duì)于以電纜為主的中壓電網(wǎng)采用中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地方式是合適的。

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