中壓配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式研究

王春林 浙江嘉興電力局 （314001）

王春林（1980年~），男，碩士，工程師。研究方向：10kV、20kV電網(wǎng)建設(shè)及配電工程技術(shù)。

0 引言

近年來，我國城鄉(xiāng)中壓配電網(wǎng)發(fā)展迅速，不僅需要延伸原有配電網(wǎng)絡(luò)，使其負(fù)荷更高，結(jié)構(gòu)更加龐大復(fù)雜，對過于老化的電網(wǎng)線路系統(tǒng)還需要適當(dāng)?shù)母脑旄?。在此過程中，中性點(diǎn)接地方式的選擇不可避免。從20世紀(jì)50年代開始，我國大部分城區(qū)中壓電網(wǎng)（3kV到35kV不等）的中性點(diǎn)接地都是沿用的前蘇聯(lián)的手動(dòng)消弧線圈接地方式，也有局部地區(qū)因地制宜，發(fā)展出了小電流或者低電阻接地方式等。在80年代左右，由于認(rèn)識(shí)不足，我國部分地區(qū)大批進(jìn)口了國外的一批低絕緣水平的電網(wǎng)配套設(shè)施，為與當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)負(fù)荷和過電壓水平相適應(yīng)，摒棄了消弧線圈接地方式，轉(zhuǎn)而出現(xiàn)了以低電阻接地為主的狀態(tài)[1]。而電網(wǎng)中性點(diǎn)接地的根本出發(fā)點(diǎn)是為了維持電網(wǎng)供電水平的穩(wěn)定性和人身安全，其方式的選擇，往往涉及到很多因素，諸如電網(wǎng)負(fù)荷水平、當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)多發(fā)故障方式和頻率、配套設(shè)施絕壓水平等。因而中性點(diǎn)接地方式的選擇需要因地制宜，多因素共同權(quán)衡。本文將在系統(tǒng)介紹小電流、低電阻和自跟蹤補(bǔ)償消弧線圈這三種主要接地方式的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，對比分析其各自適用范圍，為行業(yè)發(fā)展提供參考。

1 小電流接地

所謂的小電流接地，是指線路各相不接地或者經(jīng)過消弧線圈和高阻抗接地。當(dāng)發(fā)生單相故障接地時(shí)，以該方式中性點(diǎn)接地的回路中不能形成短路，故障相電流遠(yuǎn)小于正常負(fù)荷電流，因此稱其為小電流接地。

一般而言，這種接地方式僅僅適用于6～10kV的小負(fù)荷系統(tǒng)、主要由架空線構(gòu)成的相對簡單的電網(wǎng)以及運(yùn)行方式基本不變的電網(wǎng)等。發(fā)生單相接地故障時(shí)，斷點(diǎn)與地面之間電阻非常大，沒有接地點(diǎn)以形成短路回路，因此故障相電流很小，其相電壓降為零。但非故障相電壓升高數(shù)倍，使得三相之間的線電壓維持對稱，以確保供電負(fù)荷的穩(wěn)定。因此這種方式下的電網(wǎng)可在故障狀態(tài)下短時(shí)間運(yùn)行，這是該中性點(diǎn)接地方式的最主要的優(yōu)點(diǎn)之一，也就是對系統(tǒng)的正常運(yùn)行影響程度是各接地方式中最小的。但由于非故障相的過電壓對整個(gè)系統(tǒng)的低絕緣設(shè)備的正常運(yùn)行帶來威脅，經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)是不宜超過故障運(yùn)行2h以上。尤其是一旦接地觸點(diǎn)發(fā)生弧光放電，進(jìn)而很可能會(huì)產(chǎn)生諧振過電壓，對整個(gè)系統(tǒng)都將產(chǎn)生不利影響[2]。為確保供電系統(tǒng)穩(wěn)定和安全，實(shí)際應(yīng)用的6～10kV電網(wǎng)的小電流接地系統(tǒng)都是帶有絕緣檢測系統(tǒng)的，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，該系統(tǒng)會(huì)立刻予以指示警告，且可以通過地相電壓指示器來判斷故障類型是穩(wěn)定接地還是間歇接地。根據(jù)系統(tǒng)所發(fā)出的判斷指令及時(shí)排除故障，以避免單相接地故障衍生為相間故障，以至于影響整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)的供電質(zhì)量。

2 低電阻接地

中性點(diǎn)經(jīng)低電阻接地，結(jié)構(gòu)十分簡單，以大約10Ω左右的電阻連接中性點(diǎn)和大地，該電阻材料從熱阻穩(wěn)定性較好的鑄鐵到不銹鋼不等。相比小電流接地方式，當(dāng)發(fā)生單相故障時(shí)，可以形成短路回路，因此低電阻接地可以有效地抑制非故障相的過電壓、發(fā)生弧光放電時(shí)的接地過載，能有效避免單相故障發(fā)展成為相間故障，甚至能有效消除諧振過電壓。這是一種低成本、結(jié)構(gòu)簡單并能有效抑制過載的接地方式[3,4]。

具體阻值的計(jì)算都有成熟的理論公式，但這并不意味著低電阻接地的普適性。低電阻方式能有效抑制過電壓的前提是故障接觸電流要大于配電網(wǎng)自身的電容電流，使得短路點(diǎn)為接觸點(diǎn)，避免大電流流經(jīng)接地電阻才能達(dá)到抑制過載電壓的目的。從這個(gè)角度分析，以架空線為主要線路的中壓網(wǎng)是不適合采用這種接地方式的，會(huì)由于電流過載而引起跳閘，進(jìn)而影響線路工作的穩(wěn)定性和安全性。對于以電纜線為主的電網(wǎng)而言，其電容電流一般在150A左右，而其單相故障電流在500A以上，因而電纜配電網(wǎng)是比較適合采用低電阻接地方式的。同時(shí)，電阻材料的選取至關(guān)重要，一般而言，隨溫度升高，材料阻值也會(huì)升高，當(dāng)單相故障時(shí)間較長時(shí)，電阻材料由于過熱而導(dǎo)致其阻值大幅上升，會(huì)造成十分危險(xiǎn)的高阻接地故障，此時(shí)容易形成跨步電壓等人身安全隱患。因而，電阻材料選材及其熱阻特性研究也很值得關(guān)注。

3 自跟蹤補(bǔ)償消弧線圈接地

圖 自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償調(diào)容式接地消弧線圈功能架構(gòu)

小電流和低電阻是中性點(diǎn)與大地間連接阻值的兩個(gè)極端，小電流相當(dāng)于斷路，而小電阻相當(dāng)于短路，因而這兩種接地方式都有著嚴(yán)格的適用范圍，只能應(yīng)用于給定特點(diǎn)的配電網(wǎng)絡(luò)中。隨著配電網(wǎng)絡(luò)的迅速拓展，線路負(fù)荷越來越多變，且用戶對供電質(zhì)量的要求越來越高，傳統(tǒng)的適合單一模式下的中性點(diǎn)接地方式就很難適應(yīng)發(fā)展要求。

如圖所示的自跟蹤帶補(bǔ)償消弧線圈接地系統(tǒng)則是小電流和低電阻接地方式的結(jié)合。當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，線圈電抗趨于無窮大，其阻值相當(dāng)于無接地的小電流模式。當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，該系統(tǒng)可在很短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)補(bǔ)償線路功率，以更改消弧線圈電抗，使其利于抑制過載電壓的小電阻接地模式，使接地點(diǎn)殘流的基波無功分量降為零。該系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，相應(yīng)速度快，對于類似于樹枝摩擦這樣的瞬時(shí)短時(shí)間接地故障，可以自動(dòng)通過快速更改線圈電抗值來快速消除其影響，保證供電的連續(xù)性和穩(wěn)定性。當(dāng)帶有自動(dòng)選線系統(tǒng)時(shí)，若發(fā)生永久性接地故障時(shí)，也能選線后跳閘，并保證非故障線相在低過載下正常運(yùn)行。

在選取設(shè)備時(shí)，需要兼顧實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性，合理的選取消弧線圈容量十分關(guān)鍵。一般，可按下式來估算[5]。

上式中，左側(cè)Q為消弧線圈容量，單位一般為kVA；S為系統(tǒng)容量安全系數(shù)，經(jīng)驗(yàn)值介于1.25到1.35之間；cI為系統(tǒng)電容電流，單位為A；NU 為系統(tǒng)額定電壓，單位為kV。S值是系統(tǒng)選取的重要變量，其值的選取關(guān)系到投資規(guī)模，要因地制宜，根據(jù)當(dāng)?shù)匕l(fā)展具體情況來定，比如當(dāng)可預(yù)測在未來數(shù)年內(nèi)電網(wǎng)規(guī)模會(huì)有較大增長時(shí)，可適當(dāng)選取較大的S值，也就意味著較大的設(shè)備投資。但不是S越大越好，過高的容量儲(chǔ)備，會(huì)給系統(tǒng)自調(diào)節(jié)系統(tǒng)帶來不必要的麻煩。

4 對比分析

以上海為例，1932年曾鋪設(shè)了33kV的電纜線路，與架空線并行，由于當(dāng)時(shí)負(fù)載較低，接地電容電流較小，因而當(dāng)時(shí)的中性點(diǎn)采用了小電流接地模式，也就是不接地，運(yùn)行良好。到了1950年時(shí)，另外兩條33kV電纜與原有配電網(wǎng)構(gòu)成環(huán)網(wǎng)，接地電容電流明顯加大，而相應(yīng)的關(guān)聯(lián)設(shè)備的抗絕緣能力并隨之升級提高，設(shè)備損壞率也明顯提高，因而在兩年之后改為低電阻接地模式，之后設(shè)備損毀率明顯降低。而在35kV電網(wǎng)并入之后，采用了人工調(diào)節(jié)的消弧線圈接地模式以消除變負(fù)荷帶來的問題[6]。

貴陽電網(wǎng)采用自跟蹤補(bǔ)償消弧線圈接地方式，該市不同電站的負(fù)載不同，因而做了如下對比：系統(tǒng)內(nèi)三段并行母線，對應(yīng)三套方案：1、每套母線均有自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償消弧設(shè)備；2、其中兩套有自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償設(shè)備；3、僅其中一套有該設(shè)備。結(jié)果表明：方案1最為靈活，但投資也最高，方案3故障率最高。綜合來看，用一套控制系統(tǒng)來統(tǒng)籌多套消弧設(shè)備是最理想的選擇[7]。

上述實(shí)例說明，中壓配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式的選取取決于綜合因素的影響，與電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、負(fù)載、運(yùn)行模式、設(shè)備抗絕緣能力等直接相關(guān)，每種接地模式都有其適用范圍，選取過程還需要兼顧投資額度，因地制宜。

5 結(jié)論

本文結(jié)合實(shí)例對小電流、低電阻和自跟蹤消弧線圈接地系統(tǒng)這三種電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式的原理和特點(diǎn)進(jìn)行了概述分析，結(jié)論如下：

主要由架空線構(gòu)成的小負(fù)荷電網(wǎng)，在運(yùn)行工況相對穩(wěn)定的情況下，可采用成本最低的小電流接地方式，但對設(shè)備的抗絕緣等級要求較高。小電阻接地方式可有效抑制線路過電壓，以電纜為主的配電網(wǎng)較適合采用這種接地方式，但小電阻接地對瞬態(tài)接地故障的消除能力有限。帶自動(dòng)選線的自跟蹤自補(bǔ)償消弧線圈接地系統(tǒng)相對完善，是小電阻和小電流兩種方式的有機(jī)結(jié)合，在參數(shù)選取合理的前提下，具有較寬的適用范圍和較好的發(fā)展前景。

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[7] 趙興勇,王紅艷.消弧線圈與低電阻接地方式比較[J].電力學(xué)報(bào),2000,15(03):198-201.