中壓配電網(wǎng)中性點接地方式研究

文/浙江嘉興電力局 王春林

0 前言

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，使其負荷更高，結構更加龐大復雜，對過于老化的電網(wǎng)線路系統(tǒng)還需要適當?shù)母脑旄?。在此過程中，中性點接地方式的選擇不可避免。從50年代開始，我國大部分城區(qū)中壓電網(wǎng)（3kv～35kv不等）的中性點接地都是沿用前蘇聯(lián)的手動消弧線圈接地方式，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，由于認識不足，我國部分地區(qū)大批進口了國外的一批低絕緣水平的電網(wǎng)配套設施，為與當?shù)仉娋W(wǎng)負荷和過電壓水平相適應，摒棄了消弧線圈接地方式，轉而掀起了以低電阻接地為主的風潮[1]。而電網(wǎng)中性點接地的根本出發(fā)點是為了維持電網(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)負荷水平、當?shù)仉娋W(wǎng)多發(fā)故障方式和頻率、配套設施絕壓水平等等。因而接中性點地方式的選擇需要因地制宜，多因素共同權衡。本文將在系統(tǒng)介紹小電流、低電阻和自跟蹤補償消弧線圈這三種主要接地方式的基礎上，結合實際應用案例，對比分析其各自適用范圍，為行業(yè)發(fā)展提供借鑒參考。

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。當發(fā)生單相故障接地時，以該方式中性點接地的回路中不能形成短路，故障相電流遠小于正常負荷電流，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的小負荷系統(tǒng)、主要由架空線構成的相對簡單的電網(wǎng)以及運行方式基本不變的電網(wǎng)等。發(fā)生單相接地故障時，斷點與地面之間電阻非常大，沒有接地點以形成短路回路，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，以確保供電負荷的穩(wěn)定。因此該種方式下的電網(wǎng)可在故障狀態(tài)下短時間運行，這是該中性點接地方式的最主要的優(yōu)點之一，也就是對系統(tǒng)的正常運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系統(tǒng)的低絕緣設備的正常運行帶來威脅，經(jīng)驗數(shù)據(jù)是不宜超過故障運行2個小時以上。尤其是一旦接地觸點發(fā)生弧光放電，進而很可能會產(chǎn)生諧振過電壓，對整個系統(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，實際應用的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，當發(fā)生單相接地故障時，該系統(tǒng)會立刻予以指示警告，且可以通過地相電壓指示器來判斷是故障類型是穩(wěn)定接地還是間歇接地。根據(jù)該系統(tǒng)所發(fā)出的判斷指令及時排除故障，以避免單相接地故障衍生為相間故障，以至于影響整個電網(wǎng)系統(tǒng)的供電質量。

2 低電阻接地

中性點經(jīng)低電阻接地，結構十分簡單，以大約10歐姆左右的電阻連接中性點和大地，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，當發(fā)生單相故障時，可以形成短路回路，因此低電阻接地可以有效的抑制非故障相的過電壓、發(fā)生弧光放電時的接地過載，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。是一種低成本、結構簡單并能有效抑制過載的接地方式[3,4]。

具體阻值的計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，使得短路點為接觸點，避免大電流流經(jīng)接地電阻才能達到抑制過載電壓的目的。從這個角度分析，以架空線為主要線路的中壓網(wǎng)是不適合采用該種接地方式的，會由于電流過載而引起跳閘，進而影響線路工作的穩(wěn)定性和安全性。而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，電阻材料的選取至關重要，一般而言，隨溫度升高，材料阻值也會升高，當單相故障時間較長時，電阻材料由于過熱而導致其阻值大幅上升，會造成十分危險的高阻接地故障，此時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值得關注。

3 自跟蹤補償消弧線圈接地

小電流和低電阻是中性點與大地間連接阻值的兩個極端，小電流相當于斷路，而小電阻相當于短路，因而這兩種接地方式都有著嚴格的適用范圍，只能應用于給定特點的配電網(wǎng)絡中。隨著配電網(wǎng)絡的迅速拓展，線路負荷越來越多變，且客戶對供電質量的要求越來越高，傳統(tǒng)的值適合于單一模式下的中性點接地方式就很難適應發(fā)展要求。

而圖1所示的自跟蹤帶補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合。當系統(tǒng)正常工作時，線圈電抗趨于無窮大，其阻值相當于無接地的小電流模式。當發(fā)生單相接地故障時，該系統(tǒng)可在很短時間內實現(xiàn)自動調節(jié)補償線路功率，以更改消弧線圈電抗，使其相當于利于抑制過載電壓的小電阻接地模式，使接地點殘流的基波無功分量降為零。該系統(tǒng)自動化程度高，相應速度快，對于類似于樹枝摩擦這樣的瞬時短時間接地故障，可以自動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。當帶有自動選線系統(tǒng)時，當發(fā)生永久性接地故障時，也能選線后跳閘，并保證非故障線相在低過載下正常運行。

在選取設備時，需要兼顧實用性和經(jīng)濟性，合理的選取消弧線圈容量十分關鍵。一般，可按式1來估算[5]。

圖1 自動跟蹤補償調容式接地消弧線圈功能架構

式1中，左側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)驗值介于1.25到1.35之間；為系統(tǒng)電容電流，單位為A；UN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，其值的選取關系到投資規(guī)模，要因地制宜，根據(jù)當?shù)匕l(fā)展具體情況來定，比如當可預測在未來數(shù)年內電網(wǎng)規(guī)模會有較大增長時，可適當選取較大的S值，也就以為著較大的設備投資。但不是S越大越好，過高的容量儲備，會給系統(tǒng)自調節(jié)系統(tǒng)帶來不必要的麻煩。

4 對比分析

以實例來分析各中性點接地方式優(yōu)劣及適用范圍。以上海為例，1932年鋪設了33kV的電纜線路，與架空線并行，由于當時負載較低，接地電容電流較小，因而當時的中性點采用了小電流接地模式，也就是不接地，運行良好。到了1950年時，另外兩條33kV電纜與原有配電網(wǎng)構成環(huán)網(wǎng)，接地電容電流明顯加大，而相應的關聯(lián)設備的抗絕緣能力并隨之升級提高，設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，之后設備損毀率明顯降低。而在35kV電網(wǎng)并入之后，采用了人工調節(jié)的消弧線圈接地模式以消除變負荷帶來的問題[6]。

再以貴陽電網(wǎng)采用的自跟蹤補償消弧線圈接地方式為例，該市不同電站的負載不同，因而做了如下對比:系統(tǒng)內三段并行母線，對應三套方案:1、每套母線均有自動跟蹤補償消弧設備；2、其中兩套有自動跟蹤補償設備；3、僅其中一套有該設備。結果表明: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)籌多套消弧設備是最理想的選擇[7]。

上述應用實例說明，中壓配電網(wǎng)中性點接地方式的選取取決于綜合因素的影響，與電網(wǎng)結構、負載、運行模式、設備抗絕緣能力等直接相關，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 結論

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

主要由架空線構成的小負荷電網(wǎng)，在運行工況相對穩(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。帶自動選線的自跟蹤自補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結合，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。

[1]戴克銘.配電系統(tǒng)中性點接地方式的分析[J].電網(wǎng)技術,2000,24(10):52-55.

[2]要煥年,曹梅月.電纜網(wǎng)絡的中性點接地方式問題[J].電網(wǎng)技術,2003,27(02):84-89.

[3]龐清樂,孫同景,穆健,等.基于神經(jīng)網(wǎng)絡的中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)故障選線方法[J].電網(wǎng)技術,2005,29(24):78-81.

[4]李孟秋,王耀南,王輝,等.小電流接地系統(tǒng)單相接地故障點探測方法的研究[J].中國電機工程學報,2001,21(10):6-9.

[5]周原,趙立進,康鵬,等.貴州省10kv城市配電網(wǎng)中性點接地方式[J].電網(wǎng)技術,2006,30(20):61-65.

[6]趙爽喜.ZBX自動跟蹤補償消弧裝置在35kv系統(tǒng)中的應用[J].電網(wǎng)技術,2001,25(05):68-70.

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