小電阻接地系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)及應(yīng)用

楊 俊，許加柱，車紅衛(wèi)，羅隆福，張志文

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

20世紀(jì)80年代以前，中國(guó)的城市配電網(wǎng)是以架空線路為主的放射型結(jié)構(gòu)電網(wǎng)，10kV城市配電網(wǎng)多采用中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的運(yùn)行方式［1－3］.但隨著城市配電網(wǎng)的不斷擴(kuò)大和發(fā)展，傳統(tǒng)不接地系統(tǒng)已無(wú)法滿足發(fā)展需求，中國(guó)大部分城市配電網(wǎng)廣泛采用了中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈的接地系統(tǒng)［4－5］.近年來(lái)，隨著城市化進(jìn)程的加速，受城區(qū)美化、環(huán)保和場(chǎng)地等的約束，城市配電網(wǎng)大量采用以電力電纜為主、架空線路為輔的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障、容性電流超過(guò)10A時(shí)，無(wú)法熄滅接地電弧，給配電網(wǎng)及人身安全帶來(lái)嚴(yán)重威脅.因此，在北京、上海、廣州、深圳等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)已廣泛采用小電阻接地系統(tǒng)，以取代消弧線圈接地系統(tǒng)［6－7］.目前，長(zhǎng)沙市10 kV配電網(wǎng)中大部分采用消弧線圈接地系統(tǒng)，由于部分變電站的電力電纜出線增多，接地變壓器及消弧線圈的容量面臨不足，迫切需要進(jìn)行改造［8］.

針對(duì)上述現(xiàn)狀，對(duì)小電阻接地系統(tǒng)與消弧線圈接地系統(tǒng)進(jìn)行比較，筆者以長(zhǎng)沙市羅家嘴變電站為研究對(duì)象，對(duì)該站10kV系統(tǒng)的小電阻接地系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，對(duì)小電阻的阻值選取和接地變壓器容量的計(jì)算進(jìn)行分析，對(duì)該站現(xiàn)有的消弧線圈接地系統(tǒng)進(jìn)行改造，并重點(diǎn)對(duì)小電阻接地系統(tǒng)單相接地故障情況下故障點(diǎn)的跨步電壓進(jìn)行實(shí)測(cè)和計(jì)算分析，為小電阻接地系統(tǒng)在長(zhǎng)沙市10kV配電網(wǎng)中的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ).

1 2種接地系統(tǒng)的對(duì)比

小電阻接地系統(tǒng)與消弧線圈接地系統(tǒng)的優(yōu)、缺點(diǎn)對(duì)比如表1所示.小電阻接地系統(tǒng)更適用于大量采用電力電纜的變電站，且同時(shí)可有效降低單相接地故障的過(guò)電壓水平.

表1 電阻接地方式與傳統(tǒng)消弧線圈接方式優(yōu)、缺點(diǎn)對(duì)比Table 1 Disadvantages and advantages of low resistance grounding system and arc suppression coil grounding system

2 羅家嘴變電站小電阻接地系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)

2.1 羅家嘴變電站的概況

新建的羅家嘴110kV變電站的10kV系統(tǒng)采用單母線分段接線，10kV母線共24回出線，目前只有4回出線帶負(fù)荷運(yùn)行，其余備用.現(xiàn)階段每段母線容性電流不大，若24回電力電纜出線均投入運(yùn)行，則系統(tǒng)的容性電流將十分可觀.根據(jù)現(xiàn)有4回容性電流估算，24回電力電纜出線均投運(yùn)后，系統(tǒng)總?cè)菪噪娏鱅C≈100A.接地系統(tǒng)改造前，接地變壓器的容量為630kV·A.

2.2 小電阻的阻值選取

采用中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地時(shí)，電阻值的選取必須根據(jù)電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況，綜合考慮限制弧光過(guò)電壓倍數(shù)、保護(hù)靈敏度及人身安全等因素.

1）限制弧光過(guò)電壓倍數(shù).

中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地可以有效降低配電系統(tǒng)弧光接地的過(guò)電壓水平，從而保證配電系統(tǒng)電力設(shè)備的安全運(yùn)行.根據(jù)過(guò)電壓模擬試驗(yàn)及實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明［9］，弧光過(guò)電壓水平與電阻的額定通流IR及系統(tǒng)容性電流IC的關(guān)系為

①當(dāng)IR≈IC時(shí)，過(guò)電壓水平降到2.5p.u.；

②當(dāng)IR≈2IC時(shí)，過(guò)電壓水平降到2.2p.u.；

③當(dāng)IR≈4IC時(shí)，過(guò)電壓水平降到2.0p.u.；

④當(dāng)IR＞4IC時(shí)，降低過(guò)電壓水平的效果不明顯.

綜合限制弧光過(guò)電壓水平和設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性，羅家嘴變電站的接地電阻通流水平選擇：IR＝4IC＝400A，接地電阻終選取15Ω，額定通流時(shí)間按10s考慮，可將單相接地故障的弧光過(guò)電壓水平限制在2.0p.u.范圍內(nèi)，滿足系統(tǒng)對(duì)過(guò)電壓水平的要求.

2）保護(hù)靈敏度.

當(dāng)10kV配電網(wǎng)某一相發(fā)生單相接地故障時(shí)，求得接地故障電流：

式中 I0為故障相電纜的容性電流.由于I0相比總的容性電流IC可忽略不計(jì)，因此，式（1）可簡(jiǎn)化為

結(jié)合上述接地電阻的選擇和式（2），接地故障可高達(dá)400多安培，完全滿足保護(hù)靈敏度的要求.目前，城市配電網(wǎng)變電站的微機(jī)保護(hù)都有零序保護(hù)功能，且啟動(dòng)電流值比較小，單相接地故障電流遠(yuǎn)大于每條線路對(duì)地容性電流，一般都能滿足零序保護(hù)的靈敏度要求.

3）人身安全.

從人身安全角度考慮，中性點(diǎn)接地電阻的通流越小越安全.當(dāng)采用小電阻接地系統(tǒng)后，發(fā)生單相接地故障時(shí)，必然使得故障點(diǎn)的接地短路電流很大，故障點(diǎn)電位升高，極有可能造成跨步電壓超過(guò)允許值，對(duì)人身安全構(gòu)成威脅.因此，采用小電阻接地系統(tǒng)時(shí)，對(duì)跨步電壓的分析計(jì)算還待進(jìn)一步開展研究.目前，中國(guó)現(xiàn)有采用小電阻接地系統(tǒng)的城市中，還未出現(xiàn)因跨步電壓和接觸電勢(shì)過(guò)高引起人身傷亡報(bào)告.

2.3 接地變壓器的容量計(jì)算

對(duì)于城市110kV變電站的主變壓器多采用110kV/10.5kV，Yd1或Yd11聯(lián)接組，10kV側(cè)采用三角形接線，沒有中性點(diǎn)，必須人為構(gòu)造一個(gè)中性點(diǎn)，一般多采用Z型接線的接地變壓器，其接線方案如圖1所示，小電阻RN接入接地變壓器的中性點(diǎn).Z型接地變壓器對(duì)正、負(fù)序電流呈現(xiàn)高阻抗特性，相當(dāng)于激磁阻抗，而對(duì)零序電流，由于同一心柱上2個(gè)繞組的零序磁通相互抵消，相當(dāng)于漏抗，呈現(xiàn)低阻抗特性，因此，通過(guò)接地電阻的電流即為零序電流分量.

圖1 接地變壓器接線示意Figure 1 Grounding transformer connecting diagram

依據(jù)IEEE－C62.92.3標(biāo)準(zhǔn)［10］，接地變壓器的10s允許過(guò)載系數(shù)為額定容量的10.5倍，因此，首先需要計(jì)算出10s情況下接地變壓器的額定容量.結(jié)合羅家嘴變電站的現(xiàn)狀及上述有關(guān)小電阻技術(shù)參數(shù)的選取，求得接地變壓器額定容量：

式中 接地變壓器的額定相電壓U2φN＝6.06kV，IR＝400A.可計(jì)算求得10s短時(shí)運(yùn)行的額定容量為2 424kV·A，再將其折算至連續(xù)運(yùn)行時(shí)的額定容量SN＝S10.5/10.5＝231kV·A.因此，羅家嘴變電站10kV系統(tǒng)選取額定容量為231kV·A的接地變壓器即可滿足系統(tǒng)的要求，改造前630kV·A的接地變壓器容量無(wú)需更換.

2.4 運(yùn)行現(xiàn)狀

目前，羅家嘴變電站的小電阻接地系統(tǒng)已運(yùn)行6個(gè)多月，運(yùn)行狀態(tài)良好，改造后的接地電阻和接地變壓器示意分別如圖2，3所示.

圖2 接地小電阻Figure 2 Low grounding resistance

圖3 接地變壓器Figure 3 Grounding transformer

3 羅家嘴變電站小電阻接地系統(tǒng)應(yīng)用研究

3.1 小電阻接地系統(tǒng)單相接地故障試驗(yàn)方案

為了解小電阻接地系統(tǒng)中單相接地故障發(fā)生時(shí)的跨步電壓情況，考慮在羅家嘴變電站10kV出線上人為設(shè)置單相接地故障，采用HIOKI多功能質(zhì)量分析儀及時(shí)采集以故障點(diǎn)為圓心的電勢(shì)分布情況，從而計(jì)算接地故障點(diǎn)的跨步電位差.

單相故障點(diǎn)分別設(shè)置在羅家嘴變電站10kV靳江線（架空線為主）的負(fù)荷首端009＃桿、負(fù)荷末端037＃桿，每處模擬單相對(duì)橫擔(dān)和單相對(duì)地短路2種故障類型，短路點(diǎn)測(cè)試示意如圖4，5所示.測(cè)試主要儀器設(shè)備為HIOKI多功能質(zhì)量分析儀.

3.2 小電阻接地系統(tǒng)單相接地故障跨步電壓數(shù)據(jù)分析

由HIOKI3196電能測(cè)量分析儀對(duì)短路二次側(cè)電壓進(jìn)行錄波，對(duì)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到跨步電壓的實(shí)測(cè)值，如表2所示.

對(duì)比表2中數(shù)據(jù)可知，發(fā)生單相接地故障時(shí)故障點(diǎn)周圍跨步電壓較大，而且對(duì)地直接短路的跨步電壓遠(yuǎn)大于單相對(duì)橫擔(dān)短路的跨步電壓.這是由于單相對(duì)地直接短路的故障相電壓較大造成的.而故障相電壓的大小為過(guò)渡電阻與接地電流的乘積，其值與諸多因素有關(guān).對(duì)于羅家嘴變電站小電阻接地系統(tǒng)，單相接地故障點(diǎn)4m以外的跨步電壓已經(jīng)處于人身安全電壓范圍之內(nèi)，4m以內(nèi)還需要采取防范措施，防止單相接地故障跨步電壓過(guò)大造成人身傷害.可考慮在塔桿裝設(shè)接地極或在塔桿周圍土壤中添加增阻劑，使跨步電壓快速下降，或設(shè)置一定的安全距離，以防出現(xiàn)人身安全問(wèn)題.

圖4 單相對(duì)橫擔(dān)短路點(diǎn)測(cè)試示意Figure 4 Single－phase grounding fault test diagram

圖5 單相對(duì)地短路點(diǎn)測(cè)試示意Figure 5 Single－phase grounding fault test diagram

表2 單相短路故障時(shí)的跨步電位差實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Table 2 Step potential testing data of single phase fault V

4 結(jié)語(yǔ)

隨著中國(guó)城市化進(jìn)程的加速，城市配電網(wǎng)中廣泛采用電力電纜，使得系統(tǒng)中的容性電流急劇增加，傳統(tǒng)采用消弧線圈接地系統(tǒng)的補(bǔ)償容量已無(wú)法滿足系統(tǒng)要求.筆者通過(guò)對(duì)比小電阻接地系統(tǒng)和消弧線圈接地系統(tǒng)各自的優(yōu)、缺點(diǎn)，結(jié)合羅家嘴變電站的實(shí)際狀況，對(duì)現(xiàn)有的消弧線圈接地系統(tǒng)進(jìn)行改造，采用小電阻接地系統(tǒng)；對(duì)小電阻接地系統(tǒng)的總體方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，并在變電站改造完成后進(jìn)行了分析.

1）接地小電阻的選型，須從限制弧光過(guò)電壓、繼電保護(hù)的靈敏度及人身安全多個(gè)角度進(jìn)行綜合考慮，隨著系統(tǒng)容性電流的不斷增大，小電阻的阻值將會(huì)不斷下降，通流能力要求越高，必然會(huì)對(duì)小電阻的材質(zhì)提出更高的要求.

2）采用小電阻接地系統(tǒng)后，相比傳統(tǒng)的消弧線圈接地系統(tǒng)，接地變壓器連續(xù)運(yùn)行的額定容量將大大降低，有利于節(jié)約成本，對(duì)于改造項(xiàng)目無(wú)需另外增加接地變壓器.

3）采用小電阻接地系統(tǒng)后，母線單相接地保護(hù)的整定值及動(dòng)作時(shí)間需與各饋線零序保護(hù)相配合.

4）采用小電阻接地系統(tǒng)后，發(fā)生單相接地故障時(shí)故障點(diǎn)周圍跨步電壓較大，而且對(duì)地直接短路的跨步電壓遠(yuǎn)大于單相對(duì)橫擔(dān)短路的跨步電壓.對(duì)于羅家嘴變電站小電阻接地系統(tǒng)，4m以外的跨步電壓已經(jīng)處于人身安全電壓范圍之內(nèi).

5）采用小電阻接地系統(tǒng)后，可考慮在塔桿裝設(shè)接地極或在塔桿周圍土壤中添加增阻劑，使跨步電壓快速下降，或設(shè)置一定的安全距離，以防出現(xiàn)人身安全問(wèn)題.

［1］霍琤，彭敏放，譚享波.中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障定位新方法［J］.繼電器，2005，33（24）：16－19.HUO Cheng，PENG Min－fang，TAN Xiang－bo.New method of fault location for single－phase grounding in networks with ungrounded neutral［J］.Relay，2005，33（24）：16－19.

［2］費(fèi)萬(wàn)民，張艷莉，孟照娟，等.基于自關(guān)斷器件的三相不接地系統(tǒng)短路限流器及其實(shí)驗(yàn)研究［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，22（5）：64－70.FEI Wan－min，ZHANG Yan－li，MENG Zhao－juan，et al.Fault current limiter based on self－turn－off devices for three－phase ungrounded power systems ［J］.Transactions of China Eelctrotechnical Society，2007，22（5）：64－70.

［3］張波，王越.中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)同一點(diǎn)兩相接地短路故障分析［J］.繼電器，2007，35（15）：59－61.ZHANG Bo，WANG Yue.Analysis of two－phase grounding fault of isolated neutral system［J］.Relay，2007，35（15）：59－61.

［4］江渝，冉立，劉和平，等.可調(diào)節(jié)消弧線圈接地系統(tǒng)單相接地故障的辨識(shí)和選線［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，22（8）：101－107.JIANG Yu，RAN Li，LIU He－ping，et al.Judgement of the grounding fault and fault line selection for resonant network with adjustable arc suppression coil ［J］.Transactions of China Eelctrotechnical Society，2007，22（8）：101－107.

［5］孫海新，甄利，謝達(dá).10kV消弧線圈補(bǔ)償系統(tǒng)線路耦合諧振分析［J］.高壓電器，2007，43（1）：65－67.SUN Hai－xin，ZHEN Li，XIE Da.Analysis of couplingresonance in Petersen－coil compensated 10kV networks［J］.High Voltage Apparatus，2007，43（1）：65－67.

［6］李有鋮，廖建平.10kV小電阻接地系統(tǒng)運(yùn)行分析與評(píng)價(jià)［J］.中國(guó)電力，2003，36（5）：7－8.LI You－chen，LIAO Jian－ping.Operational analysis and evaluation of the 10kV grounding system via low resistance［J］.Electric Power，2003，36（5）：7－8.

［7］李林，馮勇，鄭劍飛.中性點(diǎn)采用兩種接地方式的配電網(wǎng)單相接地故障的比較［J］.高壓電器，2008，44（30）：239－242.LI Lin，F(xiàn)ENG Yong，ZHENG Jian－fei.Comparison of single－phase－to－ground faults in distribution network with two kinds of grounding methods［J］.High Voltage Apparatus，2008，44（30）：239－242.

［8］周永明，彭東飛，劉柯.長(zhǎng)沙地區(qū)配電網(wǎng)接地方式現(xiàn)狀及改造［J］.電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，23（2）：85－89.ZHOU Yong－ming，PENG Dong－fei，LIU Ke.Status and conversion of neutral grounding model in distribution network in Changsha［J］.Journal of Electric Power Science and Technology，2008，23（2）：85－89.

［9］金恩淑，楊明芳，李衛(wèi)剛，等.基于 MODELS的工頻弧光接地過(guò)電壓的仿真［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37（13）：24－28.JIN En－shu，YANG Ming－fang，LI Wei－gang，et al.Simulation of PFC arc grounding over－voltage based on MODELS［J］.Power System Protection and Control，2009，37（13）：24－28.

［10］IEEE Std C62.92.3－1993.IEEE Guide for the application of neutral grounding in electrical utility systems，PartⅢ－Generator auxiliary systems［S］.