低電阻接地方式的研究及應(yīng)用

侯聰聰，梁章鋒，郭潤(rùn)霖

摘 要：隨著國(guó)家建設(shè)城市化的趨勢(shì)，大部分大中型城市受城區(qū)場(chǎng)地、美化和環(huán)保等因素的要求，10kV架空線路不斷下地，電纜線路的比重逐年上升。新建10kV城市配電網(wǎng)大量采用以電力電纜為主、架空線路為輔的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，使對(duì)地電容電流大大增加。經(jīng)消弧線圈接地具有以下問(wèn)題：第一，經(jīng)濟(jì)性差：隨著電容電流的不斷加大，需要更多的消弧線圈以提供更多的補(bǔ)償容量；第二，技術(shù)不可靠：消弧線圈太多導(dǎo)致對(duì)分接頭的及時(shí)調(diào)整有困難，而且若電容電流計(jì)算值或測(cè)量值不準(zhǔn)確，接地時(shí)易出現(xiàn)諧振過(guò)電壓。所以10kV配電網(wǎng)改用中性點(diǎn)經(jīng)低電阻接地的方式運(yùn)行。文章通過(guò)對(duì)消弧線圈接地方式和低電阻接地方式對(duì)比研究，結(jié)合北京市朝陽(yáng)區(qū)多個(gè)110kV變電站低電阻接地改造工程，提出城市配電網(wǎng)低電阻接地運(yùn)行方式的正確性，并對(duì)低電阻的阻值和接地變壓器容量的計(jì)算進(jìn)行說(shuō)明。

關(guān)鍵詞：城市配電網(wǎng)；變電站；低電阻；接地方式；優(yōu)勢(shì)

中圖分類號(hào)：TM86 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）06-0138-02

Abstract： With the trend of urbanization of national construction， the proportion of cable lines in most large and medium-sized cities is increasing year by year because of the demand of urban site， beautification and environmental protection and so on. A large number of new 10kV urban distribution networks use the power cable as the main structure supplemented by overhead lines， which greatly increases the earth capacitive current. The grounding of arc-suppression coil has the following problems： first， poor economy： with the increase of capacitance current， more arc-suppression coil is needed to provide more compensation capacity； Second， the technology is unreliable： too many arc-suppression coils lead to difficulties in adjusting the tap in time， and if the capacitance current calculation value or measurement value is not accurate， the resonance overvoltage is easy to occur when grounding. So 10kV distribution network is operated by neutral point grounding with low resistance. Based on the comparative study of arc suppression coil grounding mode and low resistance grounding mode， combined with the low resistance grounding reconstruction project of 110kV substations in Chaoyang District， Beijing. The correctness of low resistance earthing operation mode in urban distribution network is put forward， and the calculation of low resistance resistance and earthing transformer capacity is explained.

Keywords： urban distribution network； substation； low resistance； grounding mode； advantage

在1980年之前， 6kV-35kV配電網(wǎng)多使用經(jīng)消弧線圈或中性點(diǎn)不接地的方式運(yùn)行。大部分線路多以架空方式架設(shè)，所以電容電流較小，因而這兩種接地方式能夠滿足當(dāng)時(shí)供電的要求。

在2014年12月1日實(shí)施的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 50064-2014）第3.1.4條規(guī)定：“6kV-35kV主要由電纜線路構(gòu)成的配電系統(tǒng)、發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電廠集電系統(tǒng)和除礦井的工業(yè)企業(yè)供電系統(tǒng)，當(dāng)單相接地故障電容電流較大時(shí)，可采用中性點(diǎn)低電阻接地方式。變壓器中性點(diǎn)電阻器的電阻，在滿足單相接地繼電保護(hù)可靠性和過(guò)電壓絕緣配合的前提下宜選較大值”[2]

1 城市配電網(wǎng)低電阻接地方式優(yōu)勢(shì)分析

1.1 以電纜線路為主的城市配電網(wǎng)特點(diǎn)

近年來(lái)，隨著我國(guó)大中型城市規(guī)模的不斷擴(kuò)張，城市配電網(wǎng)10kV出線中電纜線路所占的比重越來(lái)越大，電網(wǎng)運(yùn)行中存在以下特征：

（1）當(dāng)發(fā)生電纜線路單相接地時(shí)，對(duì)地的電容電流很大。

（2）電纜線路運(yùn)行時(shí)不易受外界影響，發(fā)生瞬時(shí)性接地故障的可能性很小，但是如果發(fā)生故障，一般多為永久性故障。

（3）當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，由于電力電纜的絕緣程度小，非故障相電壓升高到線電壓，易引起絕緣薄弱處多點(diǎn)擊穿，造成相間短路。

1.2 消弧線圈接地的問(wèn)題

消弧線圈在接地故障時(shí)，不破壞系統(tǒng)的對(duì)稱性，提高供電可靠性。但是在城市配電網(wǎng)中，這種接地方式存在以下問(wèn)題：

（1）理論的和實(shí)際的電容電流容易不一致，消弧線圈補(bǔ)償?shù)目煽啃跃筒睢?/p>

（2）以電纜線路為主的配電網(wǎng)，使用消弧線圈接地，要達(dá)到殘余電流小于10A不容易。

（3）電纜線路的增多，致使單相接地時(shí)的電容電流增大，需要更大容量的接地變壓器，這就增大了投資和占地。

1.3 低電阻接地方式的優(yōu)勢(shì)

如果發(fā)生單相接地故障，由于中性點(diǎn)接地方式采用的是電阻元件，相比于通過(guò)消弧線圈通過(guò)故障點(diǎn)的電流較大，繼電保護(hù)裝置可以將迅速切除故障線路，因此該接地方式在城市配電網(wǎng)中的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)有以下幾個(gè)方面[4]：

（1）其本身固有的阻尼作用，可消除諧振過(guò)電壓。

（2）系統(tǒng)單相接地故障時(shí)的過(guò)電壓倍數(shù)明顯降低。

（3）這種接地方式，再結(jié)合線路零序保護(hù)，使判斷出故障線路的準(zhǔn)確性更高并可迅速將其切除。

（4）由于中性點(diǎn)電阻對(duì)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的中性點(diǎn)位移電壓具有強(qiáng)大的抑制作用，所以使得中性點(diǎn)位移電壓減小。

（5）在確定接地電阻阻值以后，即便是運(yùn)行方式發(fā)生變化，或者是電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化，只需對(duì)繼電保護(hù)的定值加以調(diào)整，都不需要調(diào)整接地電阻。

2 變電站低電阻接地方式方案設(shè)計(jì)

中性點(diǎn)接地電阻阻值的選擇：

結(jié)合北京市朝陽(yáng)區(qū)三間房、咸寧、小紅門(mén)等110kV變電站低電阻接地改造工程，改造前均采用消弧線圈接地方式，根據(jù)電網(wǎng)規(guī)劃和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，小紅門(mén)變電站10kV系統(tǒng)在架空線路入地改造之后總?cè)菪噪娏鳌?00A。將從下面幾個(gè)方面考慮電阻阻值的選擇：

（1）考慮單相接地故障時(shí)限制過(guò)電壓倍數(shù)。

過(guò)電壓試驗(yàn)及實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，額定通流時(shí)間按10s考慮，當(dāng)電阻的額定電流IR是系統(tǒng)容性電流IC的2倍時(shí)，弧光過(guò)電壓水平降到2.2p.u.；在考慮弧光過(guò)電壓水平和設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性兩方面時(shí)，變電站的接地電阻通過(guò)電流的能力為：IR=2IC=600A，接地電阻最終計(jì)算得RN=■=10.1？贅，可將單相接地故障的弧光過(guò)電壓水平限制在2.2p.u.范圍內(nèi)，系統(tǒng)過(guò)電壓的程度得到了限制。

（2）考慮零序繼電保護(hù)靈敏度。

當(dāng)10kV配電網(wǎng)某一相發(fā)生單相接地故障時(shí)，求接地故障電流：

IF=■（1）

式中為故障相電纜的容性電流。由于相比總的容性電流可忽略不計(jì)，因此，式（1）可簡(jiǎn)化為：

IF=■（2）

目前，城市配電網(wǎng)變電站的微機(jī)保護(hù)都有零序保護(hù)功能，線路的零序保護(hù)是按躲過(guò)本線路的對(duì)地電容電流進(jìn)行整定的，且起動(dòng)電流比較小，每條線路對(duì)地產(chǎn)生的容性電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于單相發(fā)生接地故障時(shí)的電流，所以能保證高靈敏度的零序保護(hù)正常運(yùn)行。

（3）考慮滿足對(duì)通訊干擾。

10kV配電網(wǎng)在北京市采用IR=600A，小于有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)程規(guī)定。經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)和計(jì)算，不會(huì)對(duì)通信線路造成干擾。

（4）考慮接觸電勢(shì)和跨步電壓不超過(guò)允許值。

采用小電阻接地系統(tǒng)時(shí)，可考慮在塔桿周圍土壤或塔桿裝設(shè)接地極中添加增阻劑。從新聞上和國(guó)家電網(wǎng)的統(tǒng)計(jì)來(lái)看，我國(guó)目前還未有因接觸電勢(shì)過(guò)高和跨步電壓引起人身傷亡的事件。

3 接地變壓器容量的計(jì)算

按照IEEE-C62.92.3標(biāo)準(zhǔn)[6]的規(guī)定，在10s內(nèi)接地變壓器允許過(guò)載系數(shù)為額定容量的10.5倍。下面就首先計(jì)算出10s情況下接地變壓器的額定容量。再結(jié)合低電阻技術(shù)參數(shù)，計(jì)算接地變壓器的額定容量：

S10.5=3U2？準(zhǔn)NIR/3（3）

式中變壓器額定相電壓U2？準(zhǔn)N=6.06kV，IR=600A。求得10s短時(shí)運(yùn)行的額定容量為3637kV·A，再將其折算至連續(xù)運(yùn)行時(shí)的額定容量SN=S10.5/10.5=346kV·A?？紤]裕度，變電站10kV系統(tǒng)選取額定容量為500kV·A（標(biāo)準(zhǔn)容量）的接地變壓器可滿足系統(tǒng)的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合筆者對(duì)北京市朝陽(yáng)區(qū)多個(gè)變電站改造的實(shí)際狀況，通過(guò)對(duì)比低電阻接地方式和消弧線圈接地方式的特點(diǎn)，對(duì)低電阻接地方式的電阻阻值和接地變?nèi)萘窟M(jìn)行分析。

（1）接地電阻值的選擇須從限制弧光過(guò)電壓、繼電保護(hù)的靈敏度及人身安全多個(gè)角度考慮。

（2）采用低電阻接地后，接地變壓器連續(xù)運(yùn)行的額定容量將大大降低，對(duì)于改造項(xiàng)目無(wú)需另外增加接地變壓器，節(jié)約成本。

（3）采用低電阻接地后，母線單相接地保護(hù)的整定值及動(dòng)作時(shí)間需與各饋線零序保護(hù)相配合。

參考文獻(xiàn)：

[1]水利電力部，西北電力設(shè)計(jì)院.電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：水利電力出版社，1989.

[2]GB/T 50064-2014.交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社.

[3]GB50065-2011.交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社.

[4]李有鋮，廖建平.10kV小電阻接地系統(tǒng)運(yùn)行分析與評(píng)價(jià)[J].中國(guó)電力，2003，36（5）：7-8.

[5]李林，馮勇，鄭劍飛.中性點(diǎn)采用兩種接地方式的配電網(wǎng)單相接地故障的比較[J].高壓電器，2008，44（30）：239-242.

[6]IEEE Std C62.92.3-1993.IEEE Guide for the app li-cation of neutral grounding in electrical utility systems，PartⅢ-Generator auxiliary systems[S].