城市配電網(wǎng)中性點接地方式的適應性分析與選擇研究

楊 帆，沈 煜，周志強，楊志淳，王 珂

（1.國網(wǎng)湖北省電力公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077；2.國家電網(wǎng)公司高壓電氣設(shè)備現(xiàn)場試驗技術(shù)重點實驗室，湖北 武漢 430077）

城市配電網(wǎng)中性點接地方式的適應性分析與選擇研究

楊 帆1,2，沈 煜1,2，周志強1,2，楊志淳1,2，王 珂1

（1.國網(wǎng)湖北省電力公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077；2.國家電網(wǎng)公司高壓電氣設(shè)備現(xiàn)場試驗技術(shù)重點實驗室，湖北 武漢 430077）

中性點接地方式是涉及到技術(shù)、經(jīng)濟和安全等多個方面的綜合問題，具有理論研究與實踐經(jīng)驗密切結(jié)合的特點，也是配電網(wǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)安全與經(jīng)濟運行的基礎(chǔ)之一。從供電可靠性與設(shè)備及人身安全兩個維度對配電網(wǎng)中性點不同接地方式的影響及適應性進行了比較分析，并指出了經(jīng)消弧線圈接地及經(jīng)小電阻接地兩種方式下需重點考慮的問題，為配電網(wǎng)中性點接地方式及其相關(guān)設(shè)備的選擇提供依據(jù)和參考。

配電網(wǎng)；中性點接地方式；消弧線圈；小電阻接地；供電可靠性；設(shè)備及人身安全

0 引言

在配電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計和建設(shè)改造過程中，中性點接地方式的選擇是需要解決的基本技術(shù)問題[1]，且是與諸多因素相關(guān)的綜合問題。不同地區(qū)、設(shè)備水平、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)以及規(guī)模的配電網(wǎng)，其中性點接地方式的限制因素差異明顯。配電網(wǎng)中性點的接地方式也隨著配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)電容電流、供電可靠性要求以及保護、消弧技術(shù)的發(fā)展在不斷改進。國內(nèi)早期主要采用不接地及經(jīng)消弧線圈接地。近年來，城市電網(wǎng)電纜化率逐步提升導致系統(tǒng)電容電流不斷增長，上海、天津、廣東等地區(qū)逐步試點中性點經(jīng)小電阻接地方式的改造與建設(shè)。因此，隨著城市配電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴展，以及對設(shè)備人身安全、供電質(zhì)量和可靠性要求的不斷提高，中性點接地方式的選擇作為影響配電網(wǎng)發(fā)展的重要因素，是當前亟待研究與論證的問題。

1 不同中性點接地方式的比較

根據(jù)我國相關(guān)國家標準的規(guī)定[2]：在系統(tǒng)或指定部分的各點上，零序電抗與正序電抗之比不大于3，且零序電阻對正序電抗之比不大于1時，該系統(tǒng)或該部分是中性點有效接地方式，否則是非有效接地方式。而根據(jù)單相接地故障電流的大小，又可分為需要斷路器遮斷短路電流的大電流接地方式與接地電流可自熄弧的小電流接地方式[3]。

我國配電網(wǎng)中性點主要采用三種接地方式：中性點不接地、中性點經(jīng)消弧線圈接地和中性點經(jīng)低電阻接地。根據(jù)國網(wǎng)公司企業(yè)標準，對于10 kV配網(wǎng)中性點接地方式，當單相接地故障電容電流在10 A及以下，宜采用中性點不接地方式；超過10 A且小于100～150 A時，宜采用中性點經(jīng)消弧線圈接地方式；超過100～150 A以上，或以電纜網(wǎng)為主時，宜采用中性點經(jīng)低電阻接地方式。

圖1所示為中性點幾種典型接地方式下，單相（A相）接地故障的復合序網(wǎng)絡(luò)圖，其中，Z1、Z2、Z0分別為系統(tǒng)的正序、負序、零序阻抗，Zf為故障點的過渡電阻，Xc為系統(tǒng)總對地電容值，Rn、Ln分別為經(jīng)小電阻接地與經(jīng)消弧線圈接地方式下的電阻值與感抗值。

圖1 單相接地故障復合序網(wǎng)圖Fig.1 Compound sequence network of single-phase grounding fault

則單相接地故障電流為

故障后各相電壓為

式中，U?AN、U?RN、U?CN分別為 A、B、C 相故障前相電壓。

不同中性點接地方式的區(qū)別主要體現(xiàn)在復合序網(wǎng)中零序阻抗Z0的不同。中性點不接地系統(tǒng)，零序阻抗為系統(tǒng)本身對地電容；中性點經(jīng)消弧線圈接地，零序阻抗為消弧線圈與系統(tǒng)對地電容的并聯(lián)；中性點經(jīng)電阻接地系統(tǒng)，零序阻抗為中性點電阻與系統(tǒng)對地電容并聯(lián)。上述差異導致不同中性點接地方式下的非故障相工頻過電壓及單相接地故障電流不同。

配電網(wǎng)中性點接地方式的選擇是一項綜合性的技術(shù)問題，應從實際情況出發(fā)，根據(jù)電容電流，統(tǒng)籌考慮負荷特點、設(shè)備絕緣水平以及電纜化率、地理環(huán)境、線路故障特性等因素，綜合權(quán)衡利弊。本文從供電可靠性、設(shè)備及人身安全兩個維度對中性點經(jīng)消弧線圈接地和小電阻接地兩種接地方式的特點進行比較分析。

1.1 中性點經(jīng)消弧線圈接地方式

1.1.1 對于設(shè)備及人身安全方面的影響

在中性點經(jīng)消弧線圈接地方式下，發(fā)生單相接地故障時，消弧線圈通過產(chǎn)生零序感性電流對系統(tǒng)的零序容性電流進行補償，一方面將補償后故障點殘流減小至允許范圍之內(nèi)，降低其建弧率；另一方面通過降低故障相接地電弧兩端電壓的恢復速度來減小電弧重燃發(fā)生的概率[4]。

對于單相接地后系統(tǒng)的工頻過電壓，由前述分析可知，與接地點的過渡電阻、故障點發(fā)生的位置及中性點接地方式等因素相關(guān)，經(jīng)消弧線圈接地方式下，健全相工頻過電壓最大一般為線電壓或稍高于線電壓，因此采用此類接地方式，系統(tǒng)絕緣水平應按線電壓考慮。但健全線路若長時(2 h)運行在線電壓下，極易引發(fā)絕緣薄弱點的擊穿造成相間短路故障，且加大了因人體接近與接觸配電網(wǎng)導體或墜地導線引起的人身傷害風險。

此外，與中性點不接地系統(tǒng)相比，發(fā)生單相接地后的零序回路中，消弧線圈的感抗與電壓互感器的感抗是并聯(lián)關(guān)系，從數(shù)值而言，消弧線圈的感抗比電壓互感器的勵磁電抗小的多，因而零序回路中的總電抗取決于消弧線圈的感抗，因此可有效避免PT諧振及故障電流經(jīng)電壓互感器由故障線路向非故障線路充放電過程所造成的PT燒損。但對于因不對稱運行引起的諧振過電壓，以及由此導致的“虛幻接地”問題，其難以從根本上抑制。

1.1.2 對于供電可靠性的影響

對于瞬時性故障，經(jīng)消弧線圈接地方式下，特別是采用具有自動跟蹤補償功能的消弧線圈時，由于故障點接地殘流可控制在較低水平，大多數(shù)瞬時性電弧均能可靠熄滅，不會發(fā)展成為永久性接地故障，亦不會影響供電可靠性。因此，此類接地方式，對于提高以瞬時性接地為主的架空網(wǎng)絡(luò)供電可靠性，具有一定優(yōu)勢。

對于永久性故障，中性點經(jīng)消弧線圈接地方式下，雖然健全相對地電壓升高，但三相線電壓仍然保持對稱和幅值不變，因而可帶故障運行2 h。調(diào)度及運維人員可以在此段時間內(nèi)提前隔離故障，并轉(zhuǎn)帶負荷，理論上不影響連續(xù)供電。然而，由于小電流接地方式下，單相接地故障特征不明顯，特別是經(jīng)消弧線圈補償后，零序工頻電流穩(wěn)態(tài)量將進一步降低，選線難度較大，實際作法中往往采用人工輪切饋線的方式進行選線，準確率受隨機因素影響較大，特別當發(fā)生同一母線兩條出線同時發(fā)生單相接地時，需斷開所有出線，在一定程度上擴大了故障影響范圍。因此，從某種意義而言，缺少可靠的小電流接地故障選線及區(qū)段定位手段是制約采用此類中性點接地方式下供電可靠性提升的重要技術(shù)瓶頸。

1.2 中性點經(jīng)小電阻接地方式

1.2.1 對于設(shè)備及人身安全方面的影響

在中性點經(jīng)小電阻接地方式下，發(fā)生單相接地故障時，電阻與系統(tǒng)對地電容構(gòu)成并聯(lián)回路，電阻是耗能原件，也是零序殘余電荷的釋放元件，在電弧燃熄過程中系統(tǒng)積累的多余電荷再從電弧熄滅到重燃前的一段時間內(nèi)（半個工頻周期）通過接地電阻泄放，從而抑制電弧重燃及其引起的弧光過電壓[5]。

在經(jīng)小電阻接地方式下，系統(tǒng)工頻過電壓水平相比于經(jīng)消弧線圈接地方式更低，且保護迅速動作于跳閘，持續(xù)時間短，一次設(shè)備的絕緣水平可按相電壓選擇，對設(shè)備安全有利。

然而，相較于經(jīng)消弧線圈接地方式，由于故障點電流顯著增加，一方面增大了故障特征量，易于與保護實現(xiàn)配合，快速切除故障，但另一方面，當零序保護拒動或不及時動作，將危害故障點附近的絕緣，導致相間故障，此外，因故障電流過大引起的通信干擾及跨步電壓與接觸電勢造成的人身風險亦應綜合考慮，總體而言，應盡可能縮短故障切除時間。

1.2.2 對于供電可靠性的影響

無論是瞬時性故障還是永久性故障均會造成線路跳閘，勢必造成線路跳閘次數(shù)增多，造成線路的短時停運。與消弧線圈不同，采用此種中性點接地方式，對于瞬時性故障只能依靠重合閘投入來進行清除。

而對于架空線路而言，絕大部分接地故障由雷電、樹枝碰線以及污穢造成絕緣子閃絡(luò)等原因引起，這些故障中瞬時性占據(jù)一定比例[6]。根據(jù)廣東電網(wǎng)的統(tǒng)計結(jié)果，該轄區(qū)某110 kV變電站一年共發(fā)生159次單相接地故障，其中148次為小于10 s的瞬時性故障，占比93%[7]。因此對于以架空線路為主的配電網(wǎng)絡(luò)，采用小電阻接地方式，將對供電可靠性造成一定影響。

對于以電纜線路為主的配電網(wǎng)絡(luò)，傳統(tǒng)認為其故障類型以永久性故障為主，隨著當前城市配網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的逐步完善、配電自動化的覆蓋區(qū)域及實用化水平不斷提升，保護快速跳閘對供電可靠性的影響理論上可通過故障段的及時隔離、轉(zhuǎn)供予以保障，但對于部分電壓質(zhì)量敏感用戶，因短時供電中斷帶來的影響亦需綜合考慮，合理評估。

2 經(jīng)消弧線圈接地需考慮的問題

2.1 提高消弧線圈裝置的選型及運維水平

1）加強系統(tǒng)母線電容電流的實測，在架空線路入地改造、用戶專線電纜報裝、配電線路切改等工程實施后均要跟蹤實測母線電容電流變化，確保消弧線圈補償容量滿足將故障殘流限制在10 A以下的水平。

2）加強消弧線圈裝置的驗收與日常運維，在交接驗收階段，應進行整套調(diào)試，包括控制器模擬試驗、電容電流跟蹤校核試驗及控制器交流電壓及電流測量誤差試驗。在日常運維階段，需定期巡視檢查消弧線圈控制器是否有故障信息報出，記錄電容電流、故障點殘流、脫諧度、中性點電壓及電流，并對照后臺顯示的數(shù)值是否與控制器一致，確認消弧線圈是否運行于正常工作狀態(tài)。

2.2 提高故障選線及區(qū)段定位能力

近年來，小電流接地選線與區(qū)段定位技術(shù)已取得突破，隨著配電自動化實用化水平的不斷提升，已明確提出結(jié)合新型配電線路故障指示器的應用，采用暫態(tài)錄波法、暫態(tài)特征法、外施信號注入法等多種技術(shù)途徑解決小電流接地選線及區(qū)段定位問題，實現(xiàn)就近快速判斷和隔離永久性單相接地故障功能，以適應采用經(jīng)消弧線圈接地方式下，精準切除故障區(qū)段，及時消除接地故障的需求，避免沿用盲目“試拉”的方式擴大停電影響范圍，以及因長時帶故障運行對設(shè)備及人身安全造成的影響。

3 經(jīng)小電阻接地需考慮的問題

3.1 接地電阻的選擇

從考慮抑制間歇性弧光過電壓的角度而言，根據(jù)有關(guān)仿真計算、實際模擬以及國內(nèi)外大量應用經(jīng)驗表明表明[8]，中性點經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)的過電壓水平隨著單相接地故障情況下流過中性點電阻的額定電流IR的增加而降低。當IR≈IC時，過電壓水平降到2.5 p.u.以下;當IR≈2IC時，過電壓水平降到2.2 p.u.以下;當 IR≈4IC時，過電壓水平降到2.0 p.u.以下。當IR進一步增加時，則抑制弧光過電壓的效果不會發(fā)生太大變化。因此，中性點接地電阻的取值通常按照式（3）進行計算。

式中:R為中性點電阻值；Un為系統(tǒng)相電壓；Ic為系統(tǒng)電容電流。

接地電阻的選取還需考慮接地故障電流的大小應控制在一定范圍。從保證繼電保護靈敏度考慮，電阻值越小則接地故障電流越大，反饋到繼電保護輸入側(cè)的特征量越明顯，但接地故障電流過大會對通信線路以及人身安全帶來影響。根據(jù)國家電網(wǎng)公司企業(yè)標準的要求，對于35 kV及以下中性點經(jīng)小電阻接地的配電系統(tǒng)，故障電流應控制在1 000 A以下。因此，接地電阻的選擇要綜合考慮上述兩項因素，合理制定。

3.2 配變低壓側(cè)的接地方式

現(xiàn)有配電變壓器大多采用防雷接地、高壓系統(tǒng)金屬外殼的保護接地及低壓系統(tǒng)的工作接地三點接入共點的方式。若配電變壓器單相高壓側(cè)對外殼擊穿時，則高壓側(cè)故障電流因接地電阻產(chǎn)生的電位升高，因保護接地與工作接地共點，加之民用建筑低壓系統(tǒng)中常采用的TN-S接線方式，接地裝置上產(chǎn)生的電壓將沿低壓側(cè)中性線傳遞到用電設(shè)備的金屬外殼上。

在中性點經(jīng)消弧線圈接地方式下，由于故障電流較小，即使因低壓側(cè)接地與保護接地共用，對人身而言亦是相對安全的。在中性點經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)中，由于故障電流增大，若高壓側(cè)的故障電流未能及時切除，將導致低壓設(shè)備金屬外殼產(chǎn)生危險的對地電位。如果電氣裝置位于建筑物內(nèi)，且建筑物內(nèi)有總電位聯(lián)結(jié)時，人體在伸臂范圍的所有金屬外殼都是同一個電位，沒有電位差，理論上不會發(fā)生觸電事故。因此，采用中性點經(jīng)小電阻接地方式時，應務(wù)必做好建筑物內(nèi)保護總等電位聯(lián)接，降低人身觸電傷害風險[9]，或者將配電變壓器工作接地與保護接地分開設(shè)置，從根本上解決高壓側(cè)故障電流傳遞到低壓側(cè)所帶來的風險隱患。

3.3 電纜線路自動重合閘的投入策略

對于全電纜線路而言，一般不配置重合閘，主要考慮運行過程中電纜線路發(fā)生的故障一般為永久性故障，重合閘操作帶來的短路沖擊和操作過電壓，將對設(shè)備帶來損傷，使事故進一步擴大。但根據(jù)公開文獻[3]報道，電纜的瞬時性故障比例超過30%，其主要故障類型為電纜接頭及終端處的閃絡(luò)性高阻故障。此外，對于電纜網(wǎng)絡(luò)，與之相連接的配變、避雷器及用戶內(nèi)部設(shè)備亦可能發(fā)生瞬時性故障。因此，針對電纜線路重合閘的配置策略是否考慮“一刀切”，亦或是混聯(lián)線路中電纜線路占多大比例時應配置重合閘，是經(jīng)小電阻接地方式下需考慮與論證的問題。

3.4 消弧線圈改低電阻接地方式

若實施消弧線圈改低電阻接地方式，宜根據(jù)電容電流數(shù)值、供區(qū)發(fā)展規(guī)劃、線路類型等因素，成片進行改造，避免同一供區(qū)同時存在兩種中性點接地方式的運行方式，不利于負荷轉(zhuǎn)供。此外，實施改造時，用戶側(cè)和系統(tǒng)側(cè)應同步實施，在變電站相應的接地變、出線及開閉所（配電室）的饋線側(cè)與進線側(cè)同步配置零序保護，并同步整定與校核定值。

4 結(jié)語

1）經(jīng)消弧線圈接地方式，能夠避免因瞬時性接地故障引起的跳閘率增高問題，推薦用于以瞬時性故障為主的架空線網(wǎng)絡(luò)，可在相當程度上保障其供電可靠性。

2）小電阻接地方式，能夠有效降低單相接地故障引起的工頻過電壓、弧光過電壓，從根本上抑制PT諧振、不對稱運行引起的諧振過電壓，故障持續(xù)時間短，對于設(shè)備絕緣水平要求相對較低，且能夠在一定程度上滿足系統(tǒng)電容電流不斷增長的實際情況，推薦用于以永久性故障為主的電纜網(wǎng)絡(luò)。

3）從設(shè)備及人身安全角度出發(fā)，無論對于經(jīng)消弧線圈接地還是小電阻接地，都應結(jié)合有效判別技術(shù)，快速判斷與隔離永久性故障區(qū)段，避免長時帶故障運行擴大故障及其影響范圍。

4）中性點經(jīng)消弧線圈并聯(lián)電阻接地方式保留了經(jīng)消弧線圈接地補償故障點殘流，能夠抑制瞬時性故障的優(yōu)點，同時也繼承了經(jīng)電阻接地方式下，故障特征量突出，易于實現(xiàn)繼電保護配合及故障選線與區(qū)段定位的優(yōu)勢[10]，在我國南方地區(qū)已逐步推廣應用，并積累了大量運行經(jīng)驗，具有一定的推廣價值與前景，可應用于架空-電纜混聯(lián)線路中電纜比例不超過50%，且對供電可靠性要求較高的配電網(wǎng)絡(luò)。

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Adaptability Analysis and Selection of Neutral Grounding Mode of Urban Distribution Networks

YANG Fan1,2，SHEN Yu1,2，ZHOU Zhiqiang1,2，YANG Zhichun1,2，WANG Ke1
（1.State Grid Hubei Electric Power Research Institute,Wuhan Hubei 430077,China;2.Key Laboratory of High-Voltage Field-Test Technique of SGCC,Wuhan Hubei 430077,China）

Neutral grounding mode involves many aspects including technology,economy and safety,with the characteristics of theoretical research closely combined with practical experience,which is one of the foundation for the security and economical operation of the power distribution system.From two dimensions of the equipment and personal safety and power supply reliability of the distribution network,neutral point grounding effect and adaptability are analyzed in this pa?per,and?the problems that need to be considered in the two ways of grounding?are pointed out,which provides reference for the neutral grounding of distribution power network the way and the se?lection of related equipments.

distribution network;neutral grounding mode;arc suppression coil;small resistance grounding;power supply reliability;equipment and personal safety

TM862

A

1006-3986(2016)11-0018-05

10.19308/j.hep.2016.11.004

2016-10-08

楊 帆（1982），男，遼寧營口人，博士，高級工程師。

國網(wǎng)湖北省電力公司科技項目(52153216001F)。