楊 俊，許加柱，車紅衛(wèi)，羅隆福，張志文

（1.湖南省電力公司 長(zhǎng)沙電業(yè)局，湖南 長(zhǎng)沙 410015；2.湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082）

20世紀(jì)80年代以前，中國(guó)的城市配電網(wǎng)是以架空線路為主的放射型結(jié)構(gòu)電網(wǎng)，10kV城市配電網(wǎng)多采用中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的運(yùn)行方式［1－3］.但隨著城市配電網(wǎng)的不斷擴(kuò)大和發(fā)展，傳統(tǒng)不接地系統(tǒng)已無(wú)法滿足發(fā)展需求，中國(guó)大部分城市配電網(wǎng)廣泛采用了中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈的接地系統(tǒng)［4－5］.近年來(lái)，隨著城市化進(jìn)程的加速，受城區(qū)美化、環(huán)保和場(chǎng)地等的約束，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)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障、容性電流超過(guò)10A時(shí)，無(wú)法熄滅接地電弧，給配電網(wǎng)及人身安全帶來(lái)嚴(yán)重威脅.因此，在北京、上海、廣州、深圳等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)已廣泛采用小電阻接地系統(tǒng)，以取代消弧線圈接地系統(tǒng)［6－7］.目前，長(zhǎng)沙市10 kV配電網(wǎng)中大部分采用消弧線圈接地系統(tǒng)，由于部分變電站的電力電纜出線增多，接地變壓器及消弧線圈的容量面臨不足，迫切需要進(jìn)行改造［8］.

針對(duì)上述現(xiàn)狀，對(duì)小電阻接地系統(tǒng)與消弧線圈接地系統(tǒng)進(jìn)行比較，筆者以長(zhǎng)沙市羅家嘴變電站為研究對(duì)象，對(duì)該站10kV系統(tǒng)的小電阻接地系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，對(duì)小電阻的阻值選取和接地變壓器容量的計(jì)算進(jìn)行分析，對(duì)該站現(xiàn)有的消弧線圈接地系統(tǒng)進(jìn)行改造，并重點(diǎn)對(duì)小電阻接地系統(tǒng)單相接地故障情況下故障點(diǎn)的跨步電壓進(jìn)行實(shí)測(cè)和計(jì)算分析，為小電阻接地系統(tǒng)在長(zhǎng)沙市10kV配電網(wǎng)中的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ).

1 2種接地系統(tǒng)的對(duì)比

小電阻接地系統(tǒng)與消弧線圈接地系統(tǒng)的優(yōu)、缺點(diǎn)對(duì)比如表1所示.小電阻接地系統(tǒng)更適用于大量采用電力電纜的變電站，且同時(shí)可有效降低單相接地故障的過(guò)電壓水平.

表1 電阻接地方式與傳統(tǒng)消弧線圈接方式優(yōu)、缺點(diǎn)對(duì)比Table 1 Disadvantages and advantages of low resistance grounding system and arc suppression coil grounding system

2 羅家嘴變電站小電阻接地系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)

2.1 羅家嘴變電站的概況

新建的羅家嘴110kV變電站的10kV系統(tǒng)采用單母線分段接線，10kV母線共24回出線，目前只有4回出線帶負(fù)荷運(yùn)行，其余備用.現(xiàn)階段每段母線容性電流不大，若24回電力電纜出線均投入運(yùn)行，則系統(tǒng)的容性電流將十分可觀.根據(jù)現(xiàn)有4回容性電流估算，24回電力電纜出線均投運(yùn)后，系統(tǒng)總?cè)菪噪娏鱅C≈100A.接地系統(tǒng)改造前，接地變壓器的容量為630kV·A.

2.2 小電阻的阻值選取

采用中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地時(shí)，電阻值的選取必須根據(jù)電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況，綜合考慮限制弧光過(guò)電壓倍數(shù)、保護(hù)靈敏度及人身安全等因素.

1）限制弧光過(guò)電壓倍數(shù).

中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地可以有效降低配電系統(tǒng)弧光接地的過(guò)電壓水平，從而保證配電系統(tǒng)電力設(shè)備的安全運(yùn)行.根據(jù)過(guò)電壓模擬試驗(yàn)及實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明［9］，弧光過(guò)電壓水平與電阻的額定通流IR及系統(tǒng)容性電流IC的關(guān)系為

①當(dāng)IR≈IC時(shí)，過(guò)電壓水平降到2.5p.u.；

②當(dāng)IR≈2IC時(shí)，過(guò)電壓水平降到2.2p.u.；

③當(dāng)IR≈4IC時(shí)，過(guò)電壓水平降到2.0p.u.；

④當(dāng)IR＞4IC時(shí)，降低過(guò)電壓水平的效果不明顯.

綜合限制弧光過(guò)電壓水平和設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性，羅家嘴變電站的接地電阻通流水平選擇：IR＝4IC＝400A，接地電阻終選取15Ω，額定通流時(shí)間按10s考慮，可將單相接地故障的弧光過(guò)電壓水平限制在2.0p.u.范圍內(nèi)，滿足系統(tǒng)對(duì)過(guò)電壓水平的要求.

2）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)，求得接地故障電流：

式中 I0為故障相電纜的容性電流.由于I0相比總的容性電流IC可忽略不計(jì)，因此，式（1）可簡(jiǎn)化為

結(jié)合上述接地電阻的選擇和式（2），接地故障可高達(dá)400多安培，完全滿足保護(hù)靈敏度的要求.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，且啟動(dòng)電流值比較小，單相接地故障電流遠(yuǎn)大于每條線路對(duì)地容性電流，一般都能滿足零序保護(hù)的靈敏度要求.

3）人身安全.

從人身安全角度考慮，中性點(diǎn)接地電阻的通流越小越安全.當(dāng)采用小電阻接地系統(tǒng)后，發(fā)生單相接地故障時(shí)，必然使得故障點(diǎn)的接地短路電流很大，故障點(diǎn)電位升高，極有可能造成跨步電壓超過(guò)允許值，對(duì)人身安全構(gòu)成威脅.因此，采用小電阻接地系統(tǒng)時(shí)，對(duì)跨步電壓的分析計(jì)算還待進(jìn)一步開展研究.目前，中國(guó)現(xiàn)有采用小電阻接地系統(tǒng)的城市中，還未出現(xiàn)因跨步電壓和接觸電勢(shì)過(guò)高引起人身傷亡報(bào)告.

2.3 接地變壓器的容量計(jì)算

對(duì)于城市110kV變電站的主變壓器多采用110kV/10.5kV，Yd1或Yd11聯(lián)接組，10kV側(cè)采用三角形接線，沒有中性點(diǎn)，必須人為構(gòu)造一個(gè)中性點(diǎn)，一般多采用Z型接線的接地變壓器，其接線方案如圖1所示，小電阻RN接入接地變壓器的中性點(diǎn).Z型接地變壓器對(duì)正、負(fù)序電流呈現(xiàn)高阻抗特性，相當(dāng)于激磁阻抗，而對(duì)零序電流，由于同一心柱上2個(gè)繞組的零序磁通相互抵消，相當(dāng)于漏抗，呈現(xiàn)低阻抗特性，因此，通過(guò)接地電阻的電流即為零序電流分量.

圖1 接地變壓器接線示意Figure 1 Grounding transformer connecting diagram

依據(jù)IEEE－C62.92.3標(biāo)準(zhǔn)［10］，接地變壓器的10s允許過(guò)載系數(shù)為額定容量的10.5倍，因此，首先需要計(jì)算出10s情況下接地變壓器的額定容量.結(jié)合羅家嘴變電站的現(xiàn)狀及上述有關(guān)小電阻技術(shù)參數(shù)的選取，求得接地變壓器額定容量：

式中 接地變壓器的額定相電壓U2φN＝6.06kV，IR＝400A.可計(jì)算求得10s短時(shí)運(yùn)行的額定容量為2 424kV·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＝231kV·A.因此，羅家嘴變電站10kV系統(tǒng)選取額定容量為231kV·A的接地變壓器即可滿足系統(tǒng)的要求，改造前630kV·A的接地變壓器容量無(wú)需更換.

2.4 運(yùn)行現(xiàn)狀

目前，羅家嘴變電站的小電阻接地系統(tǒng)已運(yùn)行6個(gè)多月，運(yùn)行狀態(tài)良好，改造后的接地電阻和接地變壓器示意分別如圖2，3所示.

圖2 接地小電阻Figure 2 Low grounding resistance

圖3 接地變壓器Figure 3 Grounding transformer

3 羅家嘴變電站小電阻接地系統(tǒng)應(yīng)用研究

3.1 小電阻接地系統(tǒng)單相接地故障試驗(yàn)方案

為了解小電阻接地系統(tǒng)中單相接地故障發(fā)生時(shí)的跨步電壓情況，考慮在羅家嘴變電站10kV出線上人為設(shè)置單相接地故障，采用HIOKI多功能質(zhì)量分析儀及時(shí)采集以故障點(diǎn)為圓心的電勢(shì)分布情況，從而計(jì)算接地故障點(diǎn)的跨步電位差.

單相故障點(diǎn)分別設(shè)置在羅家嘴變電站10kV靳江線（架空線為主）的負(fù)荷首端009＃桿、負(fù)荷末端037＃桿，每處模擬單相對(duì)橫擔(dān)和單相對(duì)地短路2種故障類型，短路點(diǎn)測(cè)試示意如圖4，5所示.測(cè)試主要儀器設(shè)備為HIOKI多功能質(zhì)量分析儀.

3.2 小電阻接地系統(tǒng)單相接地故障跨步電壓數(shù)據(jù)分析

由HIOKI3196電能測(cè)量分析儀對(duì)短路二次側(cè)電壓進(jìn)行錄波，對(duì)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到跨步電壓的實(shí)測(cè)值，如表2所示.

對(duì)比表2中數(shù)據(jù)可知，發(fā)生單相接地故障時(shí)故障點(diǎn)周圍跨步電壓較大，而且對(duì)地直接短路的跨步電壓遠(yuǎn)大于單相對(duì)橫擔(dān)短路的跨步電壓.這是由于單相對(duì)地直接短路的故障相電壓較大造成的.而故障相電壓的大小為過(guò)渡電阻與接地電流的乘積，其值與諸多因素有關(guān).對(duì)于羅家嘴變電站小電阻接地系統(tǒng)，單相接地故障點(diǎn)4m以外的跨步電壓已經(jīng)處于人身安全電壓范圍之內(nèi)，4m以內(nèi)還需要采取防范措施，防止單相接地故障跨步電壓過(guò)大造成人身傷害.可考慮在塔桿裝設(shè)接地極或在塔桿周圍土壤中添加增阻劑，使跨步電壓快速下降，或設(shè)置一定的安全距離，以防出現(xiàn)人身安全問(wèn)題.

圖4 單相對(duì)橫擔(dān)短路點(diǎn)測(cè)試示意Figure 4 Single－phase grounding fault test diagram

圖5 單相對(duì)地短路點(diǎn)測(cè)試示意Figure 5 Single－phase grounding fault test diagram

表2 單相短路故障時(shí)的跨步電位差實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Table 2 Step potential testing data of single phase fault V

4 結(jié)語(yǔ)

隨著中國(guó)城市化進(jìn)程的加速，城市配電網(wǎng)中廣泛采用電力電纜，使得系統(tǒng)中的容性電流急劇增加，傳統(tǒng)采用消弧線圈接地系統(tǒng)的補(bǔ)償容量已無(wú)法滿足系統(tǒng)要求.筆者通過(guò)對(duì)比小電阻接地系統(tǒng)和消弧線圈接地系統(tǒng)各自的優(yōu)、缺點(diǎn)，結(jié)合羅家嘴變電站的實(shí)際狀況，對(duì)現(xiàn)有的消弧線圈接地系統(tǒng)進(jìn)行改造，采用小電阻接地系統(tǒng)；對(duì)小電阻接地系統(tǒng)的總體方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，并在變電站改造完成后進(jìn)行了分析.

1）接地小電阻的選型，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)角度進(jìn)行綜合考慮，隨著系統(tǒng)容性電流的不斷增大，小電阻的阻值將會(huì)不斷下降，通流能力要求越高，必然會(huì)對(duì)小電阻的材質(zhì)提出更高的要求.

2）采用小電阻接地系統(tǒng)后，相比傳統(tǒng)的消弧線圈接地系統(tǒng)，接地變壓器連續(xù)運(yùn)行的額定容量將大大降低，有利于節(jié)約成本，對(duì)于改造項(xiàng)目無(wú)需另外增加接地變壓器.

3）采用小電阻接地系統(tǒng)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.

4）采用小電阻接地系統(tǒng)后，發(fā)生單相接地故障時(shí)故障點(diǎn)周圍跨步電壓較大，而且對(duì)地直接短路的跨步電壓遠(yuǎn)大于單相對(duì)橫擔(dān)短路的跨步電壓.對(duì)于羅家嘴變電站小電阻接地系統(tǒng)，4m以外的跨步電壓已經(jīng)處于人身安全電壓范圍之內(nèi).

5）采用小電阻接地系統(tǒng)后，可考慮在塔桿裝設(shè)接地極或在塔桿周圍土壤中添加增阻劑，使跨步電壓快速下降，或設(shè)置一定的安全距離，以防出現(xiàn)人身安全問(wèn)題.

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