20kV配電網(wǎng)中性點(diǎn)經(jīng)低電阻接地方式及設(shè)備的選擇

摘 要：本文對我國低壓配電網(wǎng)中性點(diǎn)的接地方式進(jìn)行探討，包含中性點(diǎn)不接地的方式、中性點(diǎn)采用消弧線圈接地方式和中性點(diǎn)采用低電阻接地方式，分析和研究了每種方式各自的特點(diǎn)及應(yīng)用場合；對于配電網(wǎng)電容電流的計(jì)算，本文簡化其計(jì)算方法，還詳細(xì)討論了20kV 配電網(wǎng)中性點(diǎn)采用低電阻接地的電流及接地變壓器的參數(shù)選擇問題。最后結(jié)合工程實(shí)例，為低電阻接地及設(shè)備的選擇提供了比較合理的計(jì)算方法。

關(guān)鍵詞：低壓配電網(wǎng)；電容電流；接地變壓器

0 前言

隨著我國GDP總量的不斷攀升，用電量的需求大大增強(qiáng)，對用戶供電的配電網(wǎng)要求也在提高，配電網(wǎng)的輸送能力亟待增強(qiáng)。相比傳統(tǒng)的10kV配電網(wǎng)，更高電壓等級(jí)的配電網(wǎng)優(yōu)勢明顯。在相同導(dǎo)體截面、輸送相同負(fù)載功率時(shí)，20kV 供電距離是10kV的4倍，能有效地增大線路輸電能力，減少線路上功率的損耗，提高線路的供電半徑。

20kV配電網(wǎng)在我國的運(yùn)行時(shí)間不長、經(jīng)驗(yàn)不足，若能對其設(shè)計(jì)及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)分析、加以探討，會(huì)有利于我國配電網(wǎng)輸送水平的發(fā)展。本文對配電網(wǎng)中三種中性點(diǎn)接地方式的特點(diǎn)和范圍進(jìn)行比較分析，考慮了將配電網(wǎng)電容電流進(jìn)行簡化計(jì)算的方法，重點(diǎn)研究20kV 配電網(wǎng)采用中性點(diǎn)低電阻接地方式下的接地電流大小及接地設(shè)備參數(shù)的選擇，為低電阻接地設(shè)備選擇提供一種比較合理的計(jì)算方法。

1 中性點(diǎn)接地的基本方式

目前我國10 kV-35 kV配電網(wǎng)中，中性點(diǎn)基本接地方式有以下3種：中性點(diǎn)采用不接地方式、中性點(diǎn)采用低電阻接地方式和中性點(diǎn)采用消弧線圈接地，每種方式有其各自的應(yīng)用優(yōu)勢及適宜場合。

1.1 中性點(diǎn)采用不接地方式

當(dāng)單相接地故障發(fā)生在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)時(shí)，該線路的電壓仍對稱，基本不影響用戶的供電，但要求在2小時(shí)內(nèi)盡快切除故障。因?yàn)榘l(fā)生單相接地故障時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生較高的工頻過電壓、電弧接地過電壓，長時(shí)間運(yùn)行會(huì)燒毀設(shè)備。

10 kV-35 kV配電網(wǎng)中，當(dāng)單相接地電容電流不超過10A時(shí)，應(yīng)采用中性點(diǎn)不接地方式[5]。

1.2 中性點(diǎn)采用消弧線圈接地

當(dāng)單相接地故障發(fā)生在中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的配電網(wǎng)時(shí)，系統(tǒng)中的容性接地電流會(huì)與消弧線圈產(chǎn)生的感性電流相消，大大減小了單相接地故障電流，可有效避免接地電弧的出現(xiàn)。在發(fā)生單相接地故障情況下，允許工作2小時(shí)，使得配電網(wǎng)供電有更高的可靠性；但單相接地保護(hù)裝置動(dòng)作情況復(fù)雜，尋找故障點(diǎn)較難，由單相接地故障引起的工頻過電壓對設(shè)備的絕緣水平要求較高。

10 kV、20kV配電網(wǎng)中，當(dāng)單相接地電容電流可能出現(xiàn)大于10A的情況時(shí)，小于100-150A時(shí)；35kV配電網(wǎng)，當(dāng)單相接地電容電流超過10A，小于100A時(shí)；宜采用中性點(diǎn)采用消弧線圈接地[5]。

1.3 中性點(diǎn)采用低電阻接地

中性點(diǎn)經(jīng)低電阻接地方式，可以有效地消除各種PT諧振過電壓、限制工頻過電壓和接地故障電弧過電壓。發(fā)生單相接地故障時(shí)，健全相電壓變化較小，其對設(shè)備絕緣等級(jí)要求相對較低，可節(jié)約投資；而且零序過流保護(hù)能立即動(dòng)作，可靠地保護(hù)線路及設(shè)備。但增加了停電次數(shù)和停電時(shí)間，供電的可靠性有所降低。

10 kV、20kV配電網(wǎng)中，當(dāng)單相接地電容電流超過100A-150A或?yàn)槿娎|網(wǎng)時(shí)；35 kV配電網(wǎng)，單相接地電容電流超過100A-150A或?yàn)槿娎|網(wǎng)時(shí)，中性點(diǎn)宜采用經(jīng)低電阻接地方式[5]。

2 電容電流的簡化計(jì)算

對配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式進(jìn)行選擇時(shí)，主要考慮其配電網(wǎng)電容電流的大小。電容電流由下列電氣連接元件產(chǎn)生，包括配電網(wǎng)中的架空線路，配電網(wǎng)中的電纜線路，以及供給該配電網(wǎng)的發(fā)電機(jī)、變壓器及母線，它們的電容電流可按以下公式計(jì)算[4]：

（1）架空線路，電容電流可按式（1）估算。

Ic=（2.7～3.3）Ue·L×10-3 （1）

（2）電纜線路，電容電流可按式（2）估算：

Ic=0.1Ue·L （2）

（3）在變電站增加部分見表1。

3 配電網(wǎng)中性點(diǎn)低電阻接地方式

根據(jù)城市規(guī)劃和發(fā)展，越來越多的配電網(wǎng)需要采用電纜供電方式，電纜的數(shù)量大增，使配電網(wǎng)中的電容電流出現(xiàn)過大的現(xiàn)象。為解決該問題，工程中采用了中性點(diǎn)經(jīng)低電阻接地的運(yùn)行方式，下面本文將詳細(xì)討論這種接地方式的參數(shù)選擇問題。

3.1 采用中性點(diǎn)經(jīng)低電阻接地時(shí)的接地電流

目前國內(nèi)外工程，在配電網(wǎng)經(jīng)低電阻接地情況下，對于接地電流的大小要求不同，實(shí)際選擇設(shè)備時(shí)范圍的變化較大。

在IEEE143標(biāo)準(zhǔn)中，對于工業(yè)設(shè)施的配電網(wǎng)而言，當(dāng)15kV及以下的配電網(wǎng)接地故障發(fā)生時(shí)，其故障電流應(yīng)小于400A的電流。在我國有著不同的要求，如在廣州10kV配電網(wǎng)中，要求其零序電流小于400A，而在上海35kV配電網(wǎng)中，要求零序電流小于1kA或2kA。

在不同的國家，情況各異。美國的配電網(wǎng)主要由中性點(diǎn)經(jīng)低電阻接地方式構(gòu)成，單相接地電流控制在500A左右，或者1000A左右。

在我國，不同的規(guī)范或規(guī)定要求也不一致。國家標(biāo)準(zhǔn)GB50613-2010《城市配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)范》中，第5.6條規(guī)定：“當(dāng)單相接地電流超過100A-150A，或?yàn)槿娎|網(wǎng)時(shí)，宜采用低電阻接地方式，其接地電阻宜按單相接地電流200A-1000A、接地故障瞬時(shí)跳閘方式選擇”；在南方電網(wǎng)主編的電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL5449-2012《20 kV配電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》中，第3.5條規(guī)定：“20 kV配電系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式，當(dāng)單相接地電容電流超過100A-150A時(shí)，可采用低電阻接地方式，接地電流宜控制在500-1000A范圍內(nèi)”；在國家電網(wǎng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW156- 2006《城市電力網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)導(dǎo)則》中，第4.5條規(guī)定：“對于35kV、20kV、10kV電壓等級(jí)的中性點(diǎn)經(jīng)低電阻接地系統(tǒng)，在發(fā)生單相接地故障時(shí)，20kV、10kV接地電流宜控制在150-500A范圍內(nèi)?！眅ndprint

從以上給出的國內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)來看，針對低電阻接地系統(tǒng)的故障電流的取值，各標(biāo)準(zhǔn)是采用“一般”或“宜”給出取值的上下限，其推薦的取值范圍是不同的，特別是南方電網(wǎng)主編的《20 kV配電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》和國家電網(wǎng)的《城市電力網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)導(dǎo)則》中，對20 kV中性點(diǎn)經(jīng)低電阻接地的接地電流推薦的控制范圍差異很大，其重合部分只有500A。

因此，本文認(rèn)為，配電網(wǎng)低電阻接地時(shí)，應(yīng)綜合考慮過電壓、繼電保護(hù)、通信干擾等方面的問題，在不同的國家和地區(qū)，可以有不同的接地電流選擇。

3.2 接地變壓器的設(shè)置

由于常規(guī)變電站的主變壓器都采用Yd或YNynd聯(lián)接組別，10kV或20kV配電網(wǎng)系統(tǒng)一般均無中性點(diǎn)引出，為實(shí)現(xiàn)低電阻接地，需要采用接地變壓器。

該變壓器采用了Z型（或稱曲折形）的繞組接法，其中性點(diǎn)可加電阻R或消弧線圈，還可根據(jù)需要，設(shè)置一個(gè)400V的次級(jí)繞組，供站用電。

4 工程實(shí)例

本文作者設(shè)計(jì)的東南亞某150 kV/20 kV變電站，其20 kV是向當(dāng)?shù)卦信潆娋W(wǎng)供電，設(shè)計(jì)時(shí)考慮維持原有配電網(wǎng)設(shè)備的絕緣水平，采用了原配電網(wǎng)一樣的接地方式，低電阻接地方式，接地電阻為40Ω，單相接地時(shí)保護(hù)動(dòng)作于跳閘。該變電站的主變壓器采用星三角的聯(lián)接方式，在20kV側(cè)上，沒有中性點(diǎn)引出。因采用中性點(diǎn)經(jīng)過低電阻接地的方式，該站使用了Z型接線的干式接地變壓器，即在接地變壓器的中性點(diǎn)上將低電阻接入。

4.1 20 kV接地電阻的參數(shù)選擇

當(dāng)選定接地電阻為40Ω時(shí)，單相接地時(shí)，流過20kV接地變壓器中性點(diǎn)及電阻的接地電流為：

（3）

式中Un為系統(tǒng)電壓，取21kV；R為接地電阻。

接地電阻的額定電壓的計(jì)算公式為：

（4）

接地電阻的消耗功率的計(jì)算公式為：

Pr=Id×UR≥303×12.73=3857kW （5）

單相接地故障出現(xiàn)在該系統(tǒng)時(shí)，保護(hù)柜發(fā)出保護(hù)跳閘信號(hào)，為滿足系統(tǒng)可靠性穩(wěn)定性的相關(guān)要求，此時(shí)設(shè)置接地電流持續(xù)時(shí)間最多為10 s。

4.2 20 kV接地變壓器的參數(shù)選擇

對Z型接線三相接地變壓器，若中性點(diǎn)帶電阻，接地變壓器的容量為：

SN≥Pr （6）

式中Pr為額定容量，僅限接地電阻。

按照《導(dǎo)體和設(shè)備選擇設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》規(guī)范條文中的說明：接地變壓器的型式以選擇干式配電變壓器為宜。在確定其容量時(shí)，利用接地變壓器的過載能力進(jìn)行考慮，設(shè)置接地保護(hù)動(dòng)作于跳閘時(shí)間。當(dāng)現(xiàn)場的廠家資料缺乏時(shí)，采取表2所列數(shù)據(jù)。

表中所列過載持續(xù)時(shí)間最少都是5min，沒有10 s時(shí)變壓器的過載能力，國內(nèi)其它的規(guī)范和接地變壓器廠家資料中也未標(biāo)明該參數(shù)，如果直接用5min的過載能力來計(jì)算，其接地變壓器容量選擇較大，不經(jīng)濟(jì)。

可以參照IEEE-C62.92.3標(biāo)準(zhǔn)，它對過載系數(shù)有著明確的規(guī)定，即持續(xù)容量采取變壓器短時(shí)容量，具體換算方式如表3所示。

從表2和表3中的數(shù)據(jù)對照可看出，IEEE標(biāo)準(zhǔn)的過載能力要求更高。

結(jié)合作者實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，需要與國內(nèi)接地變壓器生產(chǎn)廠家協(xié)商，只要訂貨時(shí)提出明確要求，廠家是能保證達(dá)到IEEE標(biāo)準(zhǔn)的， 即保證10s，10-10.5倍的過載能力。在實(shí)際計(jì)算時(shí)，過載持續(xù)時(shí)間取10 s，當(dāng)接地電阻采用40Ω時(shí)，其需要接地變壓器的短時(shí)容量為：

SN（10 s）≥Pr =3857kVA （公式5的計(jì)算值）

折算到接地變壓器的持續(xù)容量為：

SN≥386 kVA （按10 s，過載倍數(shù)10考慮）

另外考慮了接地變壓器的低壓側(cè)帶站用電，低壓側(cè)為容量200 kAV，因此計(jì)算干式接地變壓器高壓側(cè)容量還應(yīng)包括站用電部分。實(shí)際選用的干式接地變壓器的額定容量：高壓側(cè)/低壓側(cè)為630/200 kAV，電壓：21±2*2.5%/0.4 kV，聯(lián)接組別：ZNyn11。該變電站已投運(yùn)4年，至今運(yùn)行良好。

5 結(jié)論

中壓配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式的選擇討論由來已久，但目前尚無準(zhǔn)確定論。對于三種主要的中性點(diǎn)接地方式，有其各自的應(yīng)用優(yōu)勢及適宜場合。本文對配電網(wǎng)的中性點(diǎn)接地方式的選擇上進(jìn)行了相應(yīng)探討，重點(diǎn)研究了20kV 配電網(wǎng)中性點(diǎn)采用低電阻接地的電流及接地變壓器的參數(shù)選擇問題。

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作者簡介：朱玲（1963-），女，高級(jí)工程師，電氣工程師，主要從事：發(fā)電廠及變電站工程的電氣設(shè)計(jì)工作。endprint