消弧線圈并聯(lián)選線電阻接地方式的研究

梁改革，趙躍宇

(國網(wǎng)徐州供電公司，江蘇徐州221005)

消弧線圈并聯(lián)選線電阻接地方式的研究

梁改革，趙躍宇

(國網(wǎng)徐州供電公司，江蘇徐州221005)

對(duì)比分析了中性點(diǎn)不接地、經(jīng)消弧線圈接地、經(jīng)小電阻接地以及經(jīng)消弧線圈并聯(lián)選線電阻接地的特點(diǎn)和選線方法以及適用范圍。對(duì)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈并聯(lián)選線電阻接地方式的工作原理、選線電阻的選取原則以及閉鎖保護(hù)的配置原則進(jìn)行了詳細(xì)論述，該接地方式既可提高單相接地故障自恢復(fù)概率，又可實(shí)現(xiàn)單相接地故障選線，是城市配電網(wǎng)一種較為理想的接地方式。

小電流接地系統(tǒng)；接地選線；并聯(lián)選線電阻；消弧線圈

我國配電網(wǎng)發(fā)展初期是以架空線路為主的放射型結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)發(fā)生單相接地時(shí)，故障電容電流小于10 A，接地電弧可自行熄滅，10 kV系統(tǒng)多采用中性點(diǎn)不接地方式運(yùn)行[1，2]。隨著配電網(wǎng)的不斷發(fā)展，配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)逐漸由單一架空網(wǎng)絡(luò)向電纜與架空混架網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，單相接地電容電流隨之增大，接地電弧無法自行熄滅，配電網(wǎng)開始廣泛采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式運(yùn)行。隨著城市化進(jìn)程的加速，加之受城區(qū)美化、環(huán)保和場(chǎng)地的限制，配電網(wǎng)供電線路的電纜化率不斷提高，部分變電站出線逐漸實(shí)現(xiàn)全電纜化，電容電流顯著增加[3-6]，接地變壓器及消弧線圈容量面臨不足。

《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定[2]：?jiǎn)蜗嘟拥毓收想娙蓦娏鬏^大時(shí)，可采用小電阻接地方式，在蘇州、上海、廣州等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)小電阻接地方式已得到廣泛應(yīng)用，運(yùn)行效果良好[7]；此外，因具備快速準(zhǔn)確選線功能，中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈并聯(lián)選線電阻接地方式近年來受到越來越多關(guān)注[8，9]，該接地方式汲取了消弧線圈接地和小電阻接地的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，設(shè)定時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)以經(jīng)消弧線圈接地方式運(yùn)行，瞬時(shí)性故障的接地電弧可由消弧裝置熄滅，當(dāng)故障持續(xù)時(shí)間超出設(shè)定時(shí)間，判定為永久性故障，控制裝置將選線電阻短時(shí)接入，從而產(chǎn)生變化明顯的零序電流故障特征量，構(gòu)成相應(yīng)故障判據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)接地故障線路的有效辨識(shí)，是城市配電網(wǎng)一種較為理想的接地方式。

1 中性點(diǎn)不同接地方式的分析與比較

1.1 中性點(diǎn)不接地方式

1.1.1 中性點(diǎn)不接地方式特點(diǎn)

該接地方式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、發(fā)生單相接地故障仍可連續(xù)供電等優(yōu)點(diǎn)，但由于易產(chǎn)生幅值較高的電弧接地過電壓（3.5 p.u.），并可能由此引發(fā)危害整個(gè)配電網(wǎng)的鐵磁諧振過電壓，因此對(duì)設(shè)備絕緣水平要求較高[5]。

1.1.2 中性點(diǎn)不接地方式選線方法

在故障選線方面，常用的方法主要包括零序電流檢測(cè)法、零序電流方向法、首半波檢測(cè)法以及5次諧波檢測(cè)法[6]。目前，由于接地故障發(fā)展的復(fù)雜性，還不能對(duì)接地故障線路做出100%的準(zhǔn)確判斷，一般選線成功率在80%左右。

1.1.3 中性點(diǎn)不接地方式適用范圍

目前，因不具備滅弧裝置，接地電弧無法自行熄滅，因此該接地方式僅適用于電容電流小于10 A的農(nóng)村架空配電網(wǎng)。

1.2 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式

1.2.1 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式特點(diǎn)

當(dāng)發(fā)生單相接地時(shí)，消弧線圈可補(bǔ)償故障電流的容性分量，減小故障電流，使電弧電流過零后自動(dòng)熄滅。另外該接地方式可消除電弧接地過電壓及其引發(fā)的危害配電網(wǎng)的鐵磁諧振過電壓。

1.2.2 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式選線方法

在故障選線方面，常用的方法主要包括殘流增量法、暫態(tài)零序電壓電流方向原理、零序?qū)Ъ{法以及S注入法[5]，絕大多數(shù)選線裝置的選線準(zhǔn)確率在40%～50%，S注入法因額外注入分量，選線準(zhǔn)確率可以達(dá)到70%以上。

1.2.3 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式適用范圍

該接地方式主要適用于架空和電纜線路混合架設(shè)的絕大多數(shù)城市配電網(wǎng)。

1.3 中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式

1.3.1 中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式特點(diǎn)

該接地方式當(dāng)發(fā)生單相接地時(shí)，工頻過電壓和弧光接地過電壓可降低至2.5 p.u.，電氣設(shè)備、電纜在絕緣方面的投資也將減少；由于接地線路零序過電流保護(hù)動(dòng)作于跳閘，將使供電可靠性降低；另外，較大的接地電流將產(chǎn)生較高的接觸電位差和跨步電位差，威脅人身和設(shè)備安全，同時(shí)會(huì)對(duì)周圍通信造成干擾。

1.3.2 中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式選線方法

該接地方式在發(fā)生單相接地故障時(shí)，將流過故障線路較大的零序電流，線路零序保護(hù)可靠動(dòng)作，故障線路瞬時(shí)跳閘，從而將故障切除。

1.3.3 中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式適用范圍

該接地方式主要適用于由全電纜線路構(gòu)成的城市配電網(wǎng)；另外配電網(wǎng)中除絕大多數(shù)電纜線路外還有少量架空線路且單相接地故障電容電流過大，常規(guī)消弧線圈無法滿足要求時(shí)，同樣適用中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式。

1.4 消弧線圈并聯(lián)選線電阻接地方式

1.4.1 消弧線圈并聯(lián)選線電阻接地方式特點(diǎn)

該接地方式汲取了消弧線圈接地和小電阻接地的優(yōu)點(diǎn)，與經(jīng)消弧線圈接地相比，工頻過電壓和弧光接地過電壓基本相同，但故障選線能力得到了大幅提升；與經(jīng)小電阻接地相比，故障選線時(shí)零序保護(hù)可作用于信號(hào)，不進(jìn)行跳閘處理，供電可靠性可以得到提升。

1.4.2 消弧線圈并聯(lián)選線電阻接地方式選線方法

該接地方式在系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后，在中性點(diǎn)短時(shí)投切一組電阻與消弧線圈并聯(lián)，通過改變小電流接地系統(tǒng)的運(yùn)行方式，產(chǎn)生一組幅值變化明顯的零序電流故障特征量，進(jìn)而構(gòu)成相應(yīng)故障判據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)接地故障線路的有效辨識(shí)[8，9]。

1.4.3 消弧線圈并聯(lián)選線電阻接地方式適用范圍

該接地方式主要適用于電容電流較大、架空和電纜混合架設(shè)的城市配電網(wǎng)，對(duì)以電纜為主的城市配電網(wǎng)同樣具有良好的適用性。

2 消弧線圈并聯(lián)選線電阻接地方式實(shí)施方案

2.1 消弧線圈并聯(lián)選線電阻接地方式的原理

中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈并聯(lián)選線電阻接地方式的構(gòu)成框圖如圖1所示，主要由自動(dòng)調(diào)諧線圈、選線電阻、控制器和檢測(cè)元件構(gòu)成。其中，T為Z型接地變，用于提供系統(tǒng)中性點(diǎn)；R為選線電阻，實(shí)現(xiàn)接地選線的同時(shí)可以抑制過電壓；L為消弧線圈，用于補(bǔ)償容性電流；TV0為中性點(diǎn)電壓互感器，作為中性點(diǎn)位移電壓的檢測(cè)元件；TA0為中性點(diǎn)電流互感器，作為中性點(diǎn)電流的檢測(cè)元件；TV為母線電壓互感器，作為母線電壓和開口三角電壓的檢測(cè)元件；TA1，TA2，……，TAn為零序電流互感器，作為母線各出線零序電流的檢測(cè)元件。

電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，預(yù)先設(shè)定控制器脫諧度和殘流值的范圍，通過實(shí)時(shí)召測(cè)TV0，TA0的值判定脫諧度是否超出設(shè)定范圍，當(dāng)脫諧度超出設(shè)定范圍，調(diào)諧控制器向調(diào)節(jié)裝置發(fā)出調(diào)整指令，調(diào)節(jié)消弧線圈，使調(diào)整后的脫諧度和殘流值滿足要求。

圖1 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈并聯(lián)選線電阻接地方式的構(gòu)成框圖

該接地方式控制邏輯如圖2所示。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地障后，設(shè)定時(shí)間t1內(nèi)，系統(tǒng)以經(jīng)消弧線圈接地方式運(yùn)行，對(duì)于瞬時(shí)性接地故障，由于流過消弧線圈的電感性電流與流入接地點(diǎn)的電容性電流相位相反，接地弧道中所剩殘流很小，接地電弧可由消弧裝置熄滅。其中t1的確定原則是大于瞬時(shí)性單相接地故障自恢復(fù)時(shí)間t2，具體數(shù)值應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行需求靈活調(diào)整，一般調(diào)整范圍為5 s至10 min。

圖2 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈并聯(lián)選線電阻接地方式的控制邏輯

當(dāng)故障持續(xù)時(shí)間超出設(shè)定時(shí)間，判定為永久性接地故障，選線裝置控制器將與消弧線圈并聯(lián)的電阻進(jìn)行短時(shí)投入（投入時(shí)間為t3），使系統(tǒng)短時(shí)具備中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地方式的特性，產(chǎn)生幅值變化明顯的零序電流故障特征量，從而可以準(zhǔn)確辨識(shí)出接地線路，選線報(bào)文生成后，將投切開關(guān)斷開，退出并聯(lián)的選線電阻，使系統(tǒng)恢復(fù)為消弧線圈接地方式運(yùn)行。其中為降低選線電阻的功率損耗，在滿足零序保護(hù)要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量縮短選線電阻投入時(shí)間t3，一般不超過1 s。

另外，為快速隔離單相接地故障，控制系統(tǒng)也可根據(jù)需要對(duì)故障線路進(jìn)行跳閘處理，投入時(shí)間t3設(shè)定：

式（1）中：k為投入時(shí)間系數(shù)，取值范圍為2～3；t4為零序保護(hù)整定動(dòng)作時(shí)間；t5為線路斷路器分閘時(shí)間。

2.2 選線電阻的確定原則

目前，針對(duì)該接地方式選線電阻的具體選取方法還沒有相關(guān)規(guī)范出臺(tái)，現(xiàn)階段通用做法是根據(jù)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的具體情況，綜合考慮抑制接地過電壓倍數(shù)、接觸電壓、跨步電壓、保護(hù)靈敏度以及對(duì)通信線路的干擾等因素，按照綜合效果最佳的原則進(jìn)行選取[8]。

依據(jù)上述電阻選型原則，在滿足系統(tǒng)安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上，選線電阻可以考慮采用中值電阻。中值電阻的阻值應(yīng)滿足以下要求：

（1）阻性電流IR與電容電流IC應(yīng)滿足IR=（1～1.5）IC，達(dá)到抑制間隙性弧光接地過電壓倍數(shù)的目的；

（2）為確保設(shè)備、人身、通訊安全，接地電阻大于4 Ω的變電站，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障電流應(yīng)小于150 A。為此，阻性電流IR必須控制在100 A左右。

一般并聯(lián)選線電阻的阻值范圍如表1所示。

表1 并聯(lián)選線電阻阻值范圍

2.3 閉鎖保護(hù)的配備原則

（1）并聯(lián)電阻回路中裝設(shè)零序電流作為異常主保護(hù)，當(dāng)并聯(lián)電阻投入出線故障時(shí)，延時(shí)數(shù)秒后，對(duì)接地變提供保護(hù)節(jié)點(diǎn)。

（2）并聯(lián)電阻通流時(shí)間必須避開線路重合閘時(shí)間，并且在故障消除后自動(dòng)切斷。

（3）通?？扇”径文妇€電壓互感器開口三角形的零序電壓作為接地啟動(dòng)信號(hào)。

（4）針對(duì)電容電流較大的電纜線路，為防止繼電保護(hù)裝置的誤動(dòng)，應(yīng)該按躲過本段線路電容電流值進(jìn)行整定。

3 結(jié)束語

中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈并聯(lián)選線電阻接地方式，汲取了消弧線圈接地和小電阻接地的優(yōu)點(diǎn)，既充分發(fā)揮了消弧線圈補(bǔ)償電容電流、提高單相接地故障自恢復(fù)概率的作用，又利用選線電阻實(shí)現(xiàn)了單相接地故障選線，是配電網(wǎng)一種較為理想的接地方式。主要適用于電容電流較大、架空和電纜混合架設(shè)的城市配電網(wǎng)，對(duì)以電纜為主的城市配電網(wǎng)同樣具有良好的適用性。與經(jīng)消弧線圈接地相比，工頻過電壓和弧光接地過電壓基本相同，但故障選線能力得到了大幅提升；與經(jīng)小電阻接地相比，故障選線時(shí)零序保護(hù)可作用于信號(hào)，不進(jìn)行跳閘處理，可以大幅減少線路跳閘次數(shù)，供電可靠性可以得到提升。

[1]李光琦.電力系統(tǒng)暫態(tài)分析[M].北京：中國電力出版社，2006：121-130.

[2]GB/T 50064—2014交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范附條文[S].

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[8]盛 曄，朱 瑪，胡賢德，等.配電網(wǎng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈加并聯(lián)選線電阻接地方式的運(yùn)行安全可靠性探討[J].能源工程，2011 (5)：18-22．

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Research on Neutral Grounding Mode Through Arc Suppression Coil and Line-selecting Resistance in Parallel

LIANG Gaige,ZHAO Yueyu
(State Grid Xuzhou Power Supply Company,Xuzhou 221005,China)

Comparative analysis has been done on the characteristics,line selection methods and application range of different neutral grounding modes including ungrounded,grounding through arc suppression coil,grounding via small resistance and grounding through arc suppression coil and line-selecting resistance in parallel.The paper discussed in detail about the work principle,the line-selecting resistance selection principle and the lockout protection configuration principle of the last neutral grounding mode through arc suppression coil and line-selecting resistance in parallel.The neutral grounding mode through arc suppression coil and line-selecting resistance in parallel can improve the self-recovery probability from single-phase ground fault and achieve the single-phase ground fault line detection,which make it an ideal grounding mode for urban Power Distribution Networks.

small current neutral grounded system;line selection for grounded system;line-selecting resistance in parallel; arc suppression coil

TM732

B

1009-0665（2016）06-0082-03

梁改革（1988），男，江蘇徐州人，助理工程師，從事配電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行工作；

趙躍宇（1975），男，江蘇邳州人，高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行工作。

2016-07-15；

2016-08-21