配電網(wǎng)中性點接地技術(shù)研究

王倩瑜（中南電力設(shè)計院有限公司 湖北 武漢430071）

配電網(wǎng)中性點接地技術(shù)研究

王倩瑜
（中南電力設(shè)計院有限公司 湖北 武漢430071）

為了克服中壓配電網(wǎng)現(xiàn)有接地方式存在的缺陷，尋找更為可靠、合理的接地技術(shù)，分析了配電網(wǎng)中性點不接地、諧振接地等幾種傳統(tǒng)接地方式的特點，分析了其在單相接地故障情況下的各項電氣參數(shù)，并在其基礎(chǔ)上研究了一種新型的中性點柔性接地技術(shù)，通過仿真對比分析得出：與傳統(tǒng)接地方式相比，中性點柔性接地技術(shù)在抑制故障過電壓、中性點電壓、故障點電流等方面具有明顯優(yōu)勢，是一種更為可靠的接地方式，并通過仿真算例，分析了柔性接地技術(shù)的影響因素。

配電網(wǎng)；中性點；不接地；諧振接地；柔性接地

配電網(wǎng)是整個電力系統(tǒng)中最接近電能分配末端和工業(yè)用戶和民用用戶的部分，配電網(wǎng)的安全可靠運行直接關(guān)系的用戶的電能品質(zhì)[1]。由于配電網(wǎng)與用戶臨近的特點，配電網(wǎng)與主網(wǎng)、輸電網(wǎng)或者是骨干網(wǎng)架一樣，需要供電高可靠性。供電可靠要求即使配電網(wǎng)發(fā)生接地故障也要盡可能做到不停電，供電安全要求發(fā)生故障時不停電也能保證設(shè)備、人身的安全和系統(tǒng)運行的穩(wěn)定[2]。

我國配電網(wǎng)發(fā)展迅速，電網(wǎng)規(guī)模的加大與結(jié)構(gòu)的變化也給傳統(tǒng)的接地方式帶來了巨大的挑戰(zhàn)，特別是系統(tǒng)對地等效電容電流和暫態(tài)過電壓等問題的出現(xiàn)，暴露出了傳統(tǒng)接地方式的不足[3]。當傳統(tǒng)接地方式不能符合電網(wǎng)發(fā)展需要時，對其進行研究，解決相關(guān)問題就變得尤為重要。當前普遍采用的典型接地方案，主要為中性點不接地與中性點諧振接地，由于其結(jié)構(gòu)和選擇思路不同，決定了各自都有其鮮明的優(yōu)勢和缺陷[4-5]。

1 傳統(tǒng)接地系統(tǒng)分析

1.1 中性點不接地系統(tǒng)

配電網(wǎng)中性點不接地方式是指配網(wǎng)系統(tǒng)的中性點與大地之間不存在任何電氣連接，此方式在電容電流小于10安培的配網(wǎng)，尤其是在農(nóng)網(wǎng)或多架空線而少電纜線路的配網(wǎng)當中應用非常廣泛[6]。此種接地方法運行簡單，結(jié)構(gòu)也不復雜，相比其他接地方式來說其資金投入也最少。其結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示（A相接地）。

圖1中性點不接地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

單相接地發(fā)生時，對于不接地系統(tǒng)來說，接地點處接地電流If應為接地點處加單相電勢時三相電容電流之和。即：

其中，C11、C22、C33分別為A、B、C三相對地電容，C12、C23、C13為相間電容。若三相對稱，令C11=C22=C33= C0，此時單相接地電流值為：

這樣的情況下，電容電流數(shù)值較小。其數(shù)值將不足以引起斷路器動作跳閘。又由于單相接地時非故障相對地電壓數(shù)值，在理想情況下，會升至線電壓數(shù)值附近，線電壓三角形維持原來的數(shù)值，這就決定了不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時并不妨礙向用戶的正常電能供應，故而在相關(guān)規(guī)程中，指出可以繼續(xù)帶故障運行一百二十分鐘，保證了較高可靠性[7]。

不接地系統(tǒng)的物理構(gòu)成簡潔，不需要在中性點之外加裝構(gòu)件。而且故障電流幅值不大，產(chǎn)生的電磁干擾很小，容易實現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定的電力供應。然而出現(xiàn)間歇電弧的概率很大，將導致接地弧光不能自熄而產(chǎn)生弧光過電壓，弧光接地過電壓水平較高，可能達到相電壓值3.5倍以上，當系統(tǒng)存在絕緣弱點時，可能發(fā)生擊穿，對電力系統(tǒng)的安全運行造成巨大影響。此外，發(fā)生故障時不接地系統(tǒng)有引發(fā)鐵磁諧振的可能，對配電電力網(wǎng)的安全帶來隱患[8]。

1.2 中性點諧振接地系統(tǒng)

中性點諧振接地方式是將一個消弧線圈接入到中性點與大地中間，由于電感線圈對電容電流的補償作用，故障產(chǎn)生的電容電流將能夠得到很好的補償[9]。這種接地方案，能有效降低減少故障點的殘余電流。在弧光接地故障中，可抑制電弧重燃，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示（A相接地）。

圖2中性點諧振接地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

諧振接地系統(tǒng)發(fā)生單相故障時，故障點處的故障電流由兩部分疊加而成。分別是消弧線圈提供的感性電流外與整個系統(tǒng)的電容電流。電感電流與電容電流的向量在相位上相差180°，當脫諧度選擇適當時，故障電容電流恰好被補償?shù)?，使得電流過零點時電弧迅速熄滅。這種接地方式能夠有效限制故障相電壓的恢復。因此，有效降低了重新燃弧的可能性。但諧振接地方式故障特征不明顯，在故障點定位方面存在困難，也很難達到繼保裝置靈敏度的需要[10]。

設(shè)系統(tǒng)容性電流為IC，電感線圈的感性電流為IL。則系統(tǒng)對容性電流的補償狀態(tài)可用如下公式表示：

其中：ν為脫諧度；IC=3ωC0UΦ；IL=；UΦ為系統(tǒng)相電壓。

若IC=IL，則ν=0。這種狀態(tài)叫做消全補償狀態(tài)，這時故障點殘余電流的數(shù)值達到最小。但系統(tǒng)正常運行時，則存在串聯(lián)諧振的問題，中性點位移電壓可能達到極高的數(shù)值，對系統(tǒng)運行不利。在調(diào)諧過程中，應盡量回避出現(xiàn)這種全補償運行方式。

若IC＞IL，則ν＞0。這種狀態(tài)叫欠補償狀態(tài)。某些特殊情況下比如線路跳閘、斷線，線路的電容電流會比正常值偏小。當變小的電容電流數(shù)值接近電感電流時，會使電網(wǎng)處于第一種補償狀態(tài)，對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行不利。因此在實際工程應用上一般不采用這種方式。

若IC＜IL時，ν＜0。這種狀態(tài)叫做消弧線圈的過補償。這種方式在傳統(tǒng)配網(wǎng)中使用較多。這種被廣泛采用的補償方式能夠有效限制故障電流的幅值，另一方面也使得故障線路與非故障線路的零序電流與零序電壓的相位關(guān)系相近，幅值差別也由于存在這種有效的補償機制而明顯減小，造成了選線的困難[11]。

2 柔性接地技術(shù)分析

2.1 柔性接地技術(shù)原理

考慮到傳統(tǒng)配電網(wǎng)中性點接地方式都不可避免地存在固有缺陷，在我國部分研究機構(gòu)已經(jīng)開始提出和研究中性點柔性接地技術(shù)[12]。

中性點柔性接地技術(shù)是在傳統(tǒng)接地方式的基礎(chǔ)上，考慮在消弧線圈上串聯(lián)或并聯(lián)一些電阻，在發(fā)生故障時經(jīng)一定延時投入，以此同時汲取經(jīng)消弧線圈接地與經(jīng)電阻接地的優(yōu)勢，并互相彌補不足之處[13-14]?，F(xiàn)有研究成果表明，中性點柔性接地方式在抑制故障過電壓、提高故障選線準確率等方面都有著一定優(yōu)勢，同時又可減少線路跳閘率，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，具有較高的研究和實用價值[15]。

文中研究的中性點柔性接地的主要原理是在消弧線圈接地系統(tǒng)的基礎(chǔ)上接入并聯(lián)電阻，發(fā)生單相接地故障后將電阻投入使用，人工地使故障點零序有功電流增大，從而有利于故障選線，同時有利于抑止中性點故障暫態(tài)過電壓，充分發(fā)揮電阻接地的優(yōu)點，其結(jié)構(gòu)如圖3（a）所示。單相接地故障發(fā)生的時刻，其等值電路如圖3（b）所示（A相接地）。

圖3 中性點柔性接地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

圖3（b）中，CΣ為電網(wǎng)等效電容；ICΣ

為流經(jīng)CΣ的電流；L為消弧線圈；I˙L為流經(jīng)L的電流；Rn為中性點小電阻；I˙Rn為流經(jīng)Rn的電流；r為接地點過渡電阻；I˙D為流經(jīng)r的電流；E˙A為系統(tǒng)A相等效電勢。

投入小電阻Rn以后，系統(tǒng)中性點電壓U˙0為：

由式（4）可見，投入小電阻Rn以后，中性點電壓U˙0降低。故障點殘余電流由3部分組成，如式（5）所示：

中性點電壓U0的降低，使故障點的殘余電流中的無功部分減小，有功部分增加，總的零序電流呈增大趨勢。

接地電流成正弦趨勢變化，當其每次經(jīng)過0值的時刻，會出現(xiàn)一定程度的過電壓。這是因為恢復電壓已經(jīng)超出介質(zhì)恢復強度的允許范圍，因而產(chǎn)生了反復的擊穿過程。當消弧線圈帶并聯(lián)電阻接入系統(tǒng)后，消弧線圈內(nèi)的電感電流對于電容電流存在補償作用，單相電容電流被補償，則故障點殘流會有明顯程度地減??；此外，恢復電壓的上升速度會明顯減緩，這樣一來就有利于介質(zhì)的熄弧。此工作模式下，消弧線圈可以采用全補償?shù)墓ぷ鞣绞?，因為欠補償方式可能會產(chǎn)生工頻諧振，對系統(tǒng)造成危害。

每相電弧接地過電壓值與電網(wǎng)參數(shù)有關(guān)，在同樣條件下，若有線間電容，除個別情況外，各相過電壓均值和最大值都有所降低，說明增加線間電容有助于抑制過電壓程度。

2.2 仿真算例

根據(jù)圖1、2、3的結(jié)構(gòu)圖，建立典型的10 kV配網(wǎng)仿真模型，中性點分別采用不接地、諧振接地、柔性接地方式（并聯(lián)電阻于0.2 s投入）。其中，電壓源采用110 kV理想電源；變壓器變比為110/10.5，采用三角形-星形連接；配電網(wǎng)接有4條線路出線，均為電纜線路，線路參數(shù)如表1、表2所示；線路末端為固定負荷；在第4條線路發(fā)生單相接地故障（A相接地），故障發(fā)生點距離母線2.82 km，故障發(fā)生時間為0.1 s，為便于仿真，持續(xù)時間為0.15 s。

表1 電纜線路參數(shù)

表2 線路長度

10 kV配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障，當中性點采用不同接地方式時，主要電氣參數(shù)波形如圖4～6所示。

圖4 中性點不接地系統(tǒng)電氣參數(shù)

圖5 中性點諧振接地系統(tǒng)電氣參數(shù)

圖6 中性點柔性接地系統(tǒng)電氣參數(shù)

上圖具體仿真結(jié)果如表3所示。

由表3可知：

1）發(fā)生單相金屬性接地故障時，中性點不接地系統(tǒng)故障點電流幅值最小。這是由于系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)決定的。該系統(tǒng)中性點懸空，因此無法形成有效的故障回路。而與中性點諧振系統(tǒng)相比，采用柔性接地方式后，故障點電流會有明顯減小，在實際系統(tǒng)中，接地電流的減小將降低弧光接地過電壓的幅值，有利于電弧熄滅，避免了單相瞬時接地故障的跳閘，提高了供電可靠性；由于接地點電流的減小，還可以減輕設(shè)備的損壞程度，抑制了電弧的擴散范圍。

2）中性點柔性接地方式與另外兩種傳統(tǒng)接地方式相比，在抑制非故障相過電壓上有明顯優(yōu)勢。而過電壓倍數(shù)較高時，由于電纜和一些結(jié)構(gòu)緊湊型的高壓設(shè)備絕緣水平較低，在長時間的過電壓作用下一旦擊穿很難恢復，使得供電可靠性下降。

表3 配電網(wǎng)故障仿真結(jié)果

3）綜合對比10 kV配電網(wǎng)中性點柔性接地系統(tǒng)與中性點不接地系統(tǒng)、經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)和諧振接地系統(tǒng)，可以發(fā)現(xiàn)，在抑制過電壓和故障點暫態(tài)殘流問題上，柔性接地系統(tǒng)有明顯優(yōu)勢，避免了接地電弧重燃造成虛幻接地。同時該系統(tǒng)由于以消弧線圈為基礎(chǔ)，由提高了供電可靠性，避免了瞬時性故障時反復跳閘影響供電可靠性。因此，新型中性點柔性接地系統(tǒng)具有較高的研究和應用價值。

3 柔性接地技術(shù)的影響因素的仿真分析

通過仿真算例，分析電阻投入時刻、投入電阻阻值等因素對柔性接地技術(shù)效果的影響。配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、接地方式、故障類型均與上述仿真模型一致。

3.1 電阻投入時刻對柔性接地的影響

仿真頻率為50 Hz，則周期為0.02 s，設(shè)故障發(fā)生時A相電壓相位為0°。改變電阻投入時刻，在一個周期內(nèi)平均取10個時間點投入電阻，記錄每一時刻的故障點電壓幅值，結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同電阻投入時刻下的故障電壓幅值

由圖可知，當中性點電壓為零時并入小電阻，對系統(tǒng)影響最小，因此，這個時間點的過電壓最小。金屬性和非金屬性接地故障下中性點電壓波形近似正弦波，而弧光接地下，中性點為零的時刻較多，因此不同故障下能使系統(tǒng)過電壓最小的并入時刻差別較大。

3.2 投入電阻大小對柔性接地的影響

改變投入電阻阻值大小，分別設(shè)置柔性接地裝置部分投入電阻的阻值為2 Ω、5 Ω和10 Ω，進行仿真，其故障點電壓和中性點電壓幅值大小仿真結(jié)果如表4所示。

表4 投入電阻阻值不同情況下的故障點電壓幅值與中性點電壓幅值

分析上表可知：

1）接地裝置部分投入的電阻大小不同，故障點過電壓和中性點過電壓的幅值也會不同，其中投入電阻阻值越大，故障點過電壓越大，中性點過電壓越小。

2）過電壓幅值越小，在實際應用中越有利，因此要根據(jù)電網(wǎng)實際結(jié)構(gòu)選取適宜的投入電阻阻值。

4 結(jié) 論

與配電網(wǎng)傳統(tǒng)接地技術(shù)相比，柔性接地技術(shù)在抑制故障點電壓、中性點電壓、非故障相電壓等方面均具有明顯優(yōu)勢。此外，該系統(tǒng)以消弧線圈為基礎(chǔ)，提高了供電可靠性。因此，具有較高的研究與應用價值。通過仿真分析了電阻投入時刻、投入電阻阻值大小等因素對柔性接地技術(shù)效果的影響，為柔性接地技術(shù)的工程應用提供了基礎(chǔ)。

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Research on the grounding technology of medium voltage distribution network neutral point

WANG Qian-yu
（Central Southern China Electric Power Design Institute，Wuhan 430071，China）

This paper analyses the characteristics of the traditional grounding ways such as nongrounding system and arc suppression coil grounding system in order to overcome the defects and find out a more reliable and reasonable grounding technology.The electric parameters of the two traditional ways under the circumstances of single-phase grounding fault are analysed.Then a new neutral flexible grounding technology is discussed in this paper.The simulation results verify that the flexible grounding technology has significant advantages on the restraint of fault overvoltage，neutral point overvoltage and fault current.Therefore，the new flexible grounding technology is more reliable than traditional ways.In addition this paper analyses the influence factors by simulation examples.

distribution network；neutral point；non-grounding；arc suppression coil grounding；flexible grounding

TN9

A

1674－6236（2017）07-0139-05

2016-03-20稿件編號：201603259

王倩瑜（1991—），女，廣東韶關(guān)人，碩士，工程師。研究方向：高壓直流輸電系統(tǒng)。