10kv电网中性点接地方式分析

国内外中性点接地系统情况世界各国城市配电网的接地方式多样， 即便同一国家的不同区域， 接线方式也不尽相同，这主要是根据各地的传统、 几十年来的运行经验，以及对未来城市发展的预留考虑来确定。美国 22 ~70kV 城市配电网 [1]，以中性点直接接地方式为主；柏林市 30kV 配网系统，由于电缆线路较长，电容电流高达 4000A ，因此采用中性点经消弧线圈的接地方式， 采用同样接地方式的还有莫斯科城市配电网； 英国 66kV 电网主要采用中性点经电阻接地方式， 33kV 及以下配网中，架空线路组成的配网多为中性点经消弧线圈接地， 而电缆为主的配网系统中， 采用中性点经低电阻接地方式； 法国起初根据区域配网电容电流的大小采用不同接地方式：系统电容电流小于 50A ，采用中性点经 120 电阻接地，对于电容电流高于 50A 的区域配网，采用在电阻旁并联补偿电抗器的方式，而后随着电抗的自动补偿调节技术不断改进，可将最大接地短路电流限制在 40A 以下，并尝试利用其中的阻性电流为零序功率继电器供电。 中性点不接地方式结构简单、 节约投资、运行方便。故障电流很小。单相接地时，故障相电压降为零，其他两相电压升高 3 倍，但并不破坏系统线电压的对称性， 对负荷的供电没有影响， 绝缘检查装置只发信号不跳闸， 系统仍可再继续运行 1~2h，便于运行人员作出处理，因此，一定程度上提高了供电的可靠性。特别适用于以架空线为主、结构简单的辐射形中压配电网 [9] 。但是这种接地方式有一个极大的缺陷，就是中性点是绝缘的。 根据电网运行经验， 中性点不接地方式应用于以架空线路为主、 电容电流小于 10A 的配电网是适宜的。当系统电容电流达到一定值，在发生单相接地故障时，接地电弧不能自行熄灭。 在间歇性弧光过电压的作用下， 导致电网设备绝缘击穿， 扩大故障范围，将使系统的安全性受到更多的威胁。此外，电网发生故障或者进行倒闸操作时 [10] ，系统的电感和电容元件容易激发谐振，在谐振时， 电压互感器呈现很小的阻抗值， 通过的电流急剧上升， 从而导致保险熔断或电压互感器的烧毁， 这种现象在各地区配网系统中普遍存在。 为此， 在配网系统中原有的中性点不接地方式已经不能适应电网的发展，已逐渐地被其他接地方式取代。2.1.2 中性点经消弧线圈接地方式消弧线圈发明于 1916 年 [10] ，并于 1917 年在德国 Pleidelshein 电厂首次投入运行，至今已经有 90 多年的历史，其广泛适用于中压电网，在世界范围有德国、前苏联、中国、瑞典等国家均长期采用此种方式，显著提高了中压电网的安全、经济、 可靠运行水平。 我国对于中性点不接地电网的的最大短路电流有明确限制， 如下表所示， 当故障电流超过下表相应数值时， 接地点的弧光不能自行熄灭， 产生间歇性电弧，随着电荷的累计，引起孤光过电压，可能对其他电力设备的绝缘造成破坏，扩大了故障范围。 为此，需要将中性点不接地方式改为经消弧线圈接地方式。表 2-1 中性点不接地电网允许的最大短路电流中性点消弧线圈装设于电网中性点与大地之间，是一种铁心带有空气间隙的电感线圈，电感线圈的电抗值可以调经消弧线圈接地， 故障线路的电流等于故障点残余电流与其本身电容电流之差， 电流值很小， 实现有选择性的灵敏接地保护比较难。 由于易发生铁磁谐振，需加消谐装置，当配电网运行方式改变时， 应及时调整消弧线圈的失谐度， 进行合理补偿， 并尽量缩短带单相接地故障运行时间。 国内上个世纪末开始研制并生产了自动跟踪式消弧装置， 为消弧线圈及时正确地补偿系统电容电流提供了较理想的设备。 但采用跟踪范围有限的自动消谐装置， 在响应时间、 机械寿命、调节限位等方面， 难以做到使系统经常处在最佳运行状态。如果接地检测装置不能自动检测出故障线路， 还必须依靠拉合有关线路来查找故障点。 而且在查找过程中会出现过补偿或欠补偿超过允许值的情况， 导致接地点发生多次弧光复燃， 出现过电压， 相邻敷设的电力电缆将被烧坏，致使事故范围扩大。当配电网回路数较多、母线接线复杂时，查找故障的时间可能很长。消弧线圈接地方式广泛应用于 10-66 kV 的中压配网。 当单相接地电容电流超过了允许值 10A 时，可以用中性点经消弧线圈接地的方法来解决。对于 20 kV 配电网，当电容电流大于 10 A 小于 150 A 时，一般采用的是消弧线圈接地方式。当中性点不接地电网单相接地故障电流超过 150A 时，其中的谐波电流分量和有功电流分量可能超过 10A ，即使采用消弧线圈接地， 这部分电流也不能被补偿， 电弧不能自行熄灭。 此时中性点应考虑采用电阻接地运行方式。电缆线路较架空线路电容电流水平较高，架空线路的平均电容电流水平为 0.02 ~0.03Akm ，电缆线路为 1. 95Akm ，是架空线路的 60 ~90 倍。随着电缆比重的逐渐增加，系统电容电流的急剧上升， 由于计算和测试系统电容电流误差， 或是自动补偿装置本身缺陷，导致补偿度偏差较大时， 当系统发生单相接地故障时， 仍会产生很高的弧光接地过电压， 这将造成系统电气设备的绝缘破坏， 电缆绝缘击穿或开关柜绝缘子闪络。 随着电力系统规模的不断发展和扩大， 电网的对地电容亦将随之增大， 现有消弧线圈不能满足容量要求， 必须更换消弧线圈，以满足过补偿的要求，防止发生谐振过电压。消弧线圈补偿度不好掌握 [13] ，目前在线实时监测系统电容电流技术仍不完善， 因此在运行中不能依据系统电容电流的变化而及时、线性地进行调节。尤其是系统电网结构比较复杂，电缆和架空线混合较多的网络，理论计算电容电流和实际电容电流相差较大， 而且电缆长度、 运行方式在不断变化， 很难及时调整消弧线圈的长度， 不能很好的起到补偿作用， 而出现电弧不能自行熄灭及弧光过电压的问题。 消弧线圈调节无法抑制线路电流中的谐波分量。 有些城市电网谐波电流占的比例甚至达到 10% ~15%， 仅谐波电流就可能远大于 10A， 难以保证消弧线圈在一定脱谐度下的过补偿运行。2.1.3 中性点经小电阻接地方式在中压电网系统中， 为了限制发生单相接地时的电弧过电压， 同时为了增大故障线路的接地电流，从而实现故障线路的保护跳闸，我们在系统中性点介入了一个阻值不大的电阻。在发生单相接地时， 可将故障电流控制在 600A 左右， 通过相应线路零序电流保护， 快速跳根据工频熄弧理论，系统单相故障时将产生间歇电弧接地过电压。故障相 A 相产生的过电压为：非故障 B、 C 两相过电压为：闸切除故障， 不致使事故范围扩大。 这种接地方式在防止谐振过电压和间歇性电弧接地过电压方面， 有一定优越性， 因为该接地电阻与系统对地电容构成并联回路， 电阻是耗能元件， 也是电容电荷的释放元件和谐振的阻压元件。 中性点经电阻接地方式的主要优点是可以抑制电弧接地时的过电压，由于人为地增加了有功电流，使得更易于实现选择性接地保护。根据中性点接地电阻的电阻值的不同， 可以将中性点经电阻接地方式分为高电阻、 中电阻和低电阻接地三种情况。 这三种方式目前在国内外电网中都有应用。 中性点经电阻接地方式的主要缺点为： 接地点的电流较大， 当零序保护动作不及时或拒动时， 将使接地点及附近的设备绝缘受到更大的威胁， 很有可能导致发生相间故障。 当发生单相接地故障时， 无论是永久性的还是非永久性的，均会使线路的跳闸次数大大增加，严重影响了向用户供电的正常性，使其供电的可靠性下降 [44-46] 中电阻接地是最为常见的一种配电网中性点阻性接地方式。 该接地方式优点为： 过电压水平低， 谐振过电压发展不起来， 电网可以采用绝缘水平较低的电气设备； 非故障相电压上升幅度较小发展成为相间短路的几率较小。 较大的接地电流， 能快速的使保护装置有选择的切除故障线路。 但是其较大的接地故障电流会形成大的接地电压和跨步电压， 对人身安全造成威胁，影响设备安全。但是， 这种低电阻接地运行方式在发生单相接地时， 其故障电流较大， 将带来一些问题：1）引起地电位升高超过安全允许值；2） 电缆线中某一点接地， 其大电流电弧有可能烧毁电缆并波及到同一电缆沟内的其他电缆，甚至酿成火灾，从而扩大事故。在低电阻接地系统中，单相接地电流较大，一般在100~400A 范围内， 所以可以按照保证继电器可靠动作来确定互感器的变比和继电器的动作电流。单相接地保护用的继电器可以选用与相间短路保护相同的电流型继电器。综上所述，中性点经低电阻接地方式的优缺点和适用条件如下 : l)中性点经低电阻接地方式的主要优点是能快速切除单相接地故障，从而限制了单相永久性故障、 两相故障甚至三相故障发展， 限制了系统内的过电压， 降低了对绝缘设备的危害。2)不会产生单相金属性接地工频过电压，降低了对设备绝缘的要求 ; 3)对于有架空线路的配电网或者全电缆配电网， 单相接地跳闸次数会增加。 如果还没有实现环网供电或者线路没有安装重合闸装置，电网停电次数将会增加，降低了供电可靠性；4)城市配电网中性点经低电阻接地方式适用条件 :选用低一级绝缘水平的电缆网络，同时该网络已经实现配网自动化。根据 DL/T620-1997 《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》 的规定， 低电阻接地系统为获得快速选择性继电保护所需的足够电流， 一般选择接地故障电流限值为 100~1000A ， 中压配电网中宜选用中性点低电阻接地方式。 2.3.2 中性点经小电阻接地改造的意义对于配电网来说， 中性点经小电阻接地的根本目的， 主要是为了形成稳定的接地电流， 防止接地电流的复燃，造成间歇接地。同时， 小电阻接地方式可以有效降低接地过电压， 从而保证配电网电气设备安全可靠的运行。 根据实际模拟以及国内外大量电阻应用经验表明，系统内部过电压水平随着 IR 增加而降低，统计数据如图 2-1 所示（ IR 为单相接地故障情况下流过中性点电阻的额定电流） 。 同时， 由于增大了故障线路的接地电流，使得故障特征量更加明显， 通过故障线路零序电流保护的故障判别， 进而实现快速准确地跳闸， 使其他非故障线路不至于因承受过电压的时间过长而导致绝缘击穿， 同时， 减少人身触电伤亡事故的发生。 中性的经小电阻接地的不足是无论永久性故障还是瞬时性故障， 保护均动作于跳闸， 使得配网线路的跳闸次数增多， 影响了对用户的正常供电。 但是根据滨海地区2011 年故障统计，由于电缆故障造成保护跳闸的故障只占整个配网故障的 5.47%，说明采用电缆供电的可靠性非常高。 并且对于配网结构健全， 具备双电源、 环网供电方式可保证供电连续性，最大程度地缩小停电范围。存在问题：近年来，北京、 上海等经济发达地区用电负荷量急剧攀升，随着城市电网高速发展，各地普遍采用了中性点经小电阻接地方式。 当发生单相接地故障时， 保护动作迅速切除故障线路，防止了故障范围的扩大。但是当线路发生经高电阻值接地故障时，根据欧姆定律可知，故障点电压很高， 但是故障电流又不大， 不能保证保护的灵敏动作， 因此这将会对人身造成较大威胁； 当线路发生断线故障时， 同样故障电流很小， 但是负荷侧的零序及负序电压会急剧升高， 对低压用户设备的正常运行造成影响甚至导致用户电力设备的烧毁。 此外， 为了对保证用户供电的连续性， 对电网结构要求较高： 需采用环网供电的方式， 备用容量充足并且对自动化程度要求较高。根据目前我国配电网的发展现状，对以上问题尚没有很好地解决，仍需进行大量的改造工作。