配電網(wǎng)混合接地運(yùn)行分析

張志文，申建強(qiáng)，楊 俊，許加柱，羅隆福

（1.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410082；2.長(zhǎng)沙電業(yè)局，長(zhǎng)沙410015）

隨著城市配電網(wǎng)的不斷擴(kuò)大，對(duì)供電可靠性和電能質(zhì)量的要求越來(lái)越高。一方面城市配電網(wǎng)采用環(huán)網(wǎng)供電、多電源供電方式；另一方面由于城市電網(wǎng)規(guī)模不斷地?cái)U(kuò)建和延伸，受城區(qū)規(guī)劃、環(huán)保和場(chǎng)地等條件制約，城市配電網(wǎng)開始采用以電纜出線為主、架空出線為輔的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)模式［1］；10kV系統(tǒng)對(duì)地電容電流大幅增加。不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，接地相的接地電流是非故障相對(duì)地電容電流之和；當(dāng)電容電流超過10A，此時(shí)接地電弧不能可靠熄滅，就會(huì)產(chǎn)生弧光接地過電壓、相間短路、鐵磁諧振過電壓等不良后果。當(dāng)前配網(wǎng)大多采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的方式運(yùn)行［1］，利用消弧線圈的感性電流可對(duì)系統(tǒng)對(duì)地電容電流進(jìn)行補(bǔ)償，從而使接地處的電流降為最低。由于接地故障電流較小，線路可不立即跳閘，配電網(wǎng)可帶故障運(yùn)行一段時(shí)間。但對(duì)于以電纜供電為主的10kV配電網(wǎng)，消弧線圈接地方式暴露出諸多缺點(diǎn)，例如單相接地故障后較高的內(nèi)部過電壓對(duì)設(shè)備絕緣的破壞；電容電流的增大將不斷增大消弧線圈的容量；電纜線路故障大多為永久性故障，不允許帶故障運(yùn)行；發(fā)生故障時(shí)選線困難等。經(jīng)國(guó)內(nèi)外研究中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)更適合以電纜線路為主的電網(wǎng)［3～6］，采用電阻接地有利于繼電保護(hù)裝置可迅速可靠切除故障回路，電阻接地還可改善系統(tǒng)參數(shù)，降低接地故障時(shí)的內(nèi)部過電壓值。城市配電網(wǎng)正陸續(xù)用小電阻接地系統(tǒng)取代消弧線圈接地系統(tǒng)，因此接地方式改造過程中，這樣兩種不同接地方式運(yùn)行的系統(tǒng)會(huì)面臨混合運(yùn)行的情況，這種情況必將長(zhǎng)期存在。同時(shí)為了供電的可靠性與經(jīng)濟(jì)性，10kV配電網(wǎng)帶電倒負(fù)荷操作頻繁，因此兩種不同接地方式系統(tǒng)合環(huán)后，一旦發(fā)生故障特別是單相接地故障時(shí)所產(chǎn)生的現(xiàn)象以及對(duì)繼電保護(hù)的影響成為本文研究的重點(diǎn)，具有很高的工程應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1 理論分析

針對(duì)單相接地故障是發(fā)生機(jī)率最高的故障，首先對(duì)單相接地故障進(jìn)行一些理論分析。

設(shè)定故障點(diǎn)電阻為Rf，當(dāng)Rf值很小情況下為金屬性接地，配電網(wǎng)中性點(diǎn)的電壓Un，線路的零序電壓U0，由對(duì)稱分量法得

由于EA、EB、EC三相對(duì)稱，和為零。因此從上式可以得到：

經(jīng)電網(wǎng)零序電容C0流入大地的電流為

經(jīng)小電阻或消弧線圈流入大地的電流為

由于經(jīng)電網(wǎng)零序電容流入大地的電流和經(jīng)小電阻或消弧線圈流入大地的電流都要從故障點(diǎn)流回電網(wǎng)，因此故障點(diǎn)的電流為

得到故障相對(duì)地電壓UA

將式（3）、（4）代入式（5）、（6）得：

對(duì)于小電阻接地系統(tǒng)，考慮正序阻抗和負(fù)序阻抗相對(duì)于零序阻抗小的多，小電阻接地方式相當(dāng)于電網(wǎng)單相接地時(shí)在電網(wǎng)集中對(duì)地容抗回路并聯(lián)一個(gè)等值零序電阻3RN，即：

可得到單相接地時(shí)的等值電路如圖1所示。

圖1 小電阻接地單相等值電路Fig.1 Small resistance grounding single－phase equivalent circuit

對(duì)于消弧線圈接地系統(tǒng).消弧線圈接地方式相當(dāng)于電網(wǎng)單相接地時(shí)在電網(wǎng)集中對(duì)地容抗回路并聯(lián)一個(gè)等值零序感抗j wL，即

消弧線圈的作用是補(bǔ)償單相接地故障時(shí)的經(jīng)電網(wǎng)零序電容電流。

當(dāng)完全補(bǔ)償時(shí)有

此時(shí)：

實(shí)際運(yùn)用中一般采用過補(bǔ)償方式，即

其等值電路圖類似于小電阻接地等值電路圖，如圖2所示。

圖2 消弧線圈接地等值電路Fig.2 Arc extinction coil grounding equivalent circuit

根據(jù)單相接地故障等值電路可得到中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地網(wǎng)絡(luò)的零序電壓

同理可得到中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的零序電壓為

單相接地故障時(shí)，小電阻接地系統(tǒng)流過中性點(diǎn)電流較大，而消弧線圈接地時(shí)流過中性點(diǎn)電流較小。需要說(shuō)明的是.以上理論分析結(jié)果均是假設(shè)系統(tǒng)是處于穩(wěn)定狀態(tài)計(jì)算得到的。

對(duì)于混合運(yùn)行即小電阻接地系統(tǒng)引入消弧線圈系統(tǒng)，在混合運(yùn)行情況下，即小電阻接地系統(tǒng)和消弧線圈接地系統(tǒng)合環(huán)后并列運(yùn)行情況下，發(fā)生單相接地故障時(shí)的等值電路如圖3，邊界條件相同，運(yùn)用對(duì)稱分量法計(jì)算混合系統(tǒng)下的零序電壓為

從等值電路看到，對(duì)于消弧線圈接地系統(tǒng)，消弧線圈的作用是補(bǔ)償單相接地故障時(shí)的電網(wǎng)零序電容電流，一般單獨(dú)消弧線圈接地系統(tǒng)采用過補(bǔ)償?shù)姆绞剑虼嘶旌舷到y(tǒng)中消弧線圈將補(bǔ)償一部分小電阻接地系統(tǒng)的零序電容電流。不過此部分的補(bǔ)償對(duì)小電阻接地系統(tǒng)的影響不大，原因是小電阻接地系統(tǒng)流過故障點(diǎn)的總短路電流為通過中性點(diǎn)有效接地回路形成的包含零序電流分量在內(nèi)的短路電流和由線路上相對(duì)地等效電容引起的電容電流［13］，電容電流相對(duì)短路電流很小，并沒有影響到小電阻接地系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。

圖3 混合運(yùn)行時(shí)的等值電路圖Fig.3 Mixed runtime equivalent circuit

2 仿真分析研究

下面結(jié)合長(zhǎng)沙羅家嘴變電站改造項(xiàng)目，將原有的消弧線圈接地系統(tǒng)改造成小電阻接地系統(tǒng)，根據(jù)長(zhǎng)沙電業(yè)局提供的羅家嘴及其鄰站桃花變電站實(shí)際相關(guān)參數(shù)及線路參數(shù)，運(yùn)用電力系統(tǒng)仿真軟件建立混合接地模型，進(jìn)行仿真研究對(duì)單獨(dú)接地方式和混合接地方式下發(fā)生單相接地故障時(shí)所產(chǎn)生的現(xiàn)象進(jìn)行研究。

羅家嘴變電站與桃花變電站仿真系統(tǒng)連接模塊如圖4所示。

圖4 混合接地系統(tǒng)仿真圖Fig.4 Hybrid grounding system simulation diagram

羅家嘴變電站50MVA主變兩臺(tái)，高壓側(cè)為擴(kuò)大內(nèi)橋接線方式，低壓側(cè)為單母分段接線方式，兩段母線分別帶有一組接地變經(jīng)小電阻接地［7］，考慮各方面因素選取小電阻阻值為10Ω，每段母線帶兩條饋線，分別是中大新區(qū)1回、陽(yáng)光1回、陽(yáng)光2回和靳江線。

桃花變電站為消弧線圈接地系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)與羅家嘴變電站基本相同。桃花變電站漁場(chǎng)線饋線與陽(yáng)光1回陽(yáng)光100一號(hào)開關(guān)站二母309開關(guān)相連，桃花變豐順線饋線與陽(yáng)光二回陽(yáng)光100一號(hào)開關(guān)站一母301開關(guān)相連。連接后兩種不同接地系統(tǒng)混合運(yùn)行。

此次仿真研究在一條出線設(shè)立四處故障點(diǎn)，從母線到最底層饋線依次發(fā)生單相接地故障

（1）小電阻接地系統(tǒng)羅家嘴變電站陽(yáng)光1回線路依次發(fā)生單相接地故障四次，單獨(dú)運(yùn)行與混合運(yùn)行時(shí)中性點(diǎn)電流對(duì)比圖如圖5、圖6。圖5和圖6為陽(yáng)光1回出線依次發(fā)生四次單相接地故障時(shí)的中性點(diǎn)電流波形。

圖5 獨(dú)立接地系統(tǒng)中性點(diǎn)電流Fig.5 Neutral current of independent grounding system

圖6 混合接地系統(tǒng)時(shí)的中性點(diǎn)電流Fig.6 Neutral current of hybrid grounding system

從表1的數(shù)據(jù)對(duì)比中發(fā)現(xiàn)：①單相接地故障點(diǎn)離母線越遠(yuǎn)，其中性點(diǎn)電流也越小，這主要是因?yàn)榘l(fā)生單相接地故障時(shí)系統(tǒng)的線路零序阻抗的增大所引起的；②兩種接地方式系統(tǒng)通過饋線連通后，小電阻接地系統(tǒng)中性點(diǎn)電流稍有變化，變化的值較小，由此可以得出結(jié)論，在混合運(yùn)行情況下，當(dāng)小電阻接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，其零序保護(hù)仍然適用，一般不需要做調(diào)整。此時(shí)經(jīng)仿真發(fā)現(xiàn)雖然消弧線圈系統(tǒng)中性點(diǎn)也出現(xiàn)電流，但小電阻接地系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)故障后會(huì)立即切除故障線路，所以不會(huì)對(duì)消弧線圈系統(tǒng)的保護(hù)造成影響。

表1 中性點(diǎn)電流數(shù)據(jù)（1）Tab.1 Neutral current data（1）

（2）消弧線圈接地系統(tǒng)桃花變電站漁場(chǎng)線出線依次發(fā)生四次單相接地故障時(shí)，與羅家嘴變陽(yáng)光1回饋線連通情況下，羅家嘴變小電阻接地中性點(diǎn)電流，及漁場(chǎng)線依次發(fā)生四次單相接地故障，混合運(yùn)行時(shí)，羅家嘴變小電阻接地方式中性點(diǎn)電流，如圖7所示。

圖7 小電阻接地系統(tǒng)的中性點(diǎn)電流Fig.7 Neutral current of low resistance grounding system

由表2可得知，饋線連通后即混合運(yùn)行時(shí)，當(dāng)桃花變線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，羅家嘴變電站中性點(diǎn)也出現(xiàn)了較大的中性點(diǎn)電流，這勢(shì)必會(huì)啟動(dòng)小電阻接地系統(tǒng)的零序保護(hù)，所以需要在饋線連通線路上加裝帶方向元件的線路零序保護(hù)，當(dāng)消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，立即斷開連接線路，從而不影響小電阻接地系統(tǒng)的其他線路的正常運(yùn)行。

表2 中性點(diǎn)電流數(shù)據(jù)（2）Tab.2 Neutral current data（2）

3 保護(hù)方案分析及配置

總結(jié)羅家嘴變電站采用小電阻接地后的保護(hù)設(shè)置方案：

1）單相接地故障發(fā)生時(shí)，非故障線路中流過本線路產(chǎn)生的電容電流，故障線路流過的故障電流為單相接地電流與各線路電容電流的向量和，其值比非故障線路的電流大得多，所以采用零序電流互感器與電流繼電器、時(shí)間繼電器組成零序電流保護(hù)，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)線路單相故障的保護(hù)。根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的要求可設(shè)置為一段式過流保護(hù)或兩段式過流保護(hù)［8～10］。

2）由于單相接地時(shí)故障電流大，必須切除故障線路，故其保護(hù)配置可為：限時(shí)（瞬時(shí)）電流速斷保護(hù)、低電壓閉鎖過流保護(hù)和兩段式零序保護(hù)，所有保護(hù)均作用于跳閘。對(duì)于架空輸電線路，應(yīng)配置一二次（或多次）自動(dòng)重合閘，使得瞬時(shí)性故障后可盡快恢復(fù)供電［8～12］。同時(shí)在永久性故障時(shí)，加速繼電保護(hù)動(dòng)作于跳閘。對(duì)于電纜輸電線路，考慮到它的故障必是永久性故障（或永久性故障所占故障比例很大），故不必設(shè)置自動(dòng)重合閘。

3）為保證可靠地切除故障線路，保護(hù)一次設(shè)備的安全，考慮到故障線路的保護(hù)或開關(guān)存在拒動(dòng)的可能，所以應(yīng)在中性點(diǎn)接地電阻回路中加裝TA，接入零序后備保護(hù)或稱接地電阻零序保護(hù)，加適當(dāng)延時(shí)后，作用于跳開變壓器低壓側(cè)開關(guān)。接地變壓器設(shè)有零序電流保護(hù)，作為中壓系統(tǒng)母線，接地變壓器引線的接地故障保護(hù)作為饋線零序電流保護(hù)的后備保護(hù)。

4）當(dāng)小電阻系統(tǒng)和消弧線圈系統(tǒng)混合運(yùn)行時(shí)，小電阻測(cè)發(fā)生故障時(shí)，不需要對(duì)其保護(hù)做任何的調(diào)整，當(dāng)消弧線圈測(cè)發(fā)生單相接地故障時(shí)，有必要在饋線連接處裝設(shè)線路零序電流保護(hù)，帶方向元件，及時(shí)跳開連接線路，這樣能保證消弧線圈測(cè)故障不影響小電阻系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以長(zhǎng)沙市羅家嘴10kV變電站的改造為現(xiàn)實(shí)背景，由原來(lái)的消弧線圈接地改造為小電阻接地，采用羅家嘴變電站線路和臨站桃花變電站線路的實(shí)際參數(shù)，運(yùn)用PSCAD軟件建立詳細(xì)的仿真模型，對(duì)單獨(dú)接地方式和混合接地方式下發(fā)生單相接地故障時(shí)所產(chǎn)生的現(xiàn)象進(jìn)行分析研究，得出兩種不同接地方式系統(tǒng)存在相互影響；混合運(yùn)行情況下需要對(duì)保護(hù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，小電阻接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障一般不會(huì)對(duì)系統(tǒng)零序保護(hù)產(chǎn)生影響；若消弧線圈接地系統(tǒng)側(cè)發(fā)生單相接地故障，需在兩個(gè)接地系統(tǒng)連接處增加帶方向元件的零序電流保護(hù)，來(lái)躲避消弧線圈接地系統(tǒng)側(cè)故障對(duì)小電阻接地系統(tǒng)帶來(lái)的不利影響；為了保證供電可靠性，現(xiàn)實(shí)運(yùn)行中應(yīng)減少混合運(yùn)行情況。

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