丁子琪

10kV配電網(wǎng)新型中性點(diǎn)接地方式

丁子琪

電力系統(tǒng)中性點(diǎn)的接地方式一直是一個(gè)涉及技術(shù)、科學(xué)、經(jīng)濟(jì)等多方面因素的重要綜合性課題。除了幾種大眾所熟知的傳統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式以外，論述了一種新型中性點(diǎn)接地方式，該方式在使用消弧線圈降低故障電流的基礎(chǔ)上，降低了接地時(shí)刻的瞬態(tài)過電壓，并且提高了故障選線的準(zhǔn)確度。在10kV配電網(wǎng)中，兼顧了幾種傳統(tǒng)接地方式的優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的新型中性點(diǎn)接地運(yùn)行方式。從近幾年我國(guó)配電網(wǎng)發(fā)展的結(jié)果來看，為了敏銳的反映用戶在安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)等方面的需求，目前我國(guó)普遍采用10kV電壓等級(jí)向用戶供電。本文將在介紹幾種傳統(tǒng)接地方式之外，對(duì)新型中性點(diǎn)接地方式進(jìn)一步的分析研究、仿真模擬。

傳統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式的比較

小電阻接地及諧振接地的優(yōu)異性。中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式，其優(yōu)點(diǎn)主要如下：①有利于限制過電壓水平，對(duì)設(shè)備絕緣等級(jí)要求低，對(duì)設(shè)備安全有利；②單相接地時(shí)，由于故障電流較大，零序電流保護(hù)靈敏度高，易于快速檢出并隔離接地線路，防止事故擴(kuò)大。同時(shí)存在一些缺點(diǎn)：①接地故障電流較大，如果零序電流保護(hù)不及時(shí)動(dòng)作，很容易導(dǎo)致相間短路故障；②較大的短路電流會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁效應(yīng)，對(duì)附近的通訊線路干擾較大；③較大的短路電流會(huì)在故障點(diǎn)產(chǎn)生大量電離氣體，建立持續(xù)的電弧，這導(dǎo)致線路發(fā)生可恢復(fù)的瞬時(shí)性接地故障時(shí)容易跳閘，線路跳閘率較高。

中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式亦稱為諧振接地，具有以下優(yōu)點(diǎn)：①發(fā)生單相接地故時(shí)消弧線圈產(chǎn)生的感性電流補(bǔ)償電網(wǎng)產(chǎn)生的容性電流，可以使故障點(diǎn)電流接近于零，增強(qiáng)了供電可靠性；②故障電流小，可以有效阻止瞬時(shí)性接地向永久性接地故障的演變；此外，中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)還具有人身設(shè)備安全性好、電磁兼容性強(qiáng)和運(yùn)行維護(hù)工作量小等一系列優(yōu)點(diǎn)。但也存在一定的缺點(diǎn)：①對(duì)補(bǔ)償要求比較苛刻，運(yùn)行要求比較嚴(yán)格; ②為適應(yīng)不斷增長(zhǎng)的電容電流的要求，要求不斷增加消弧線圈數(shù)量以增加其補(bǔ)償容量，很不經(jīng)濟(jì);⑤發(fā)生單相接地故障時(shí)，健全相電壓升高，容易引起絕緣損壞。

對(duì)傳統(tǒng)接地方式取優(yōu)去劣的途徑。收集某地10kV配電網(wǎng)在2014年度的接地故障情況與連接在10kV系統(tǒng)上的消弧線圈動(dòng)作情況發(fā)現(xiàn)：在發(fā)生單相接地短路時(shí)，由于消弧線圈沒有完全有效抑制線路產(chǎn)生的瞬態(tài)過電壓，導(dǎo)致配電網(wǎng)絕緣薄弱處發(fā)生了閃絡(luò)或擊穿，從而使系統(tǒng)發(fā)生相間短路的概率升高。

為了解決實(shí)際運(yùn)用中消弧線圈出現(xiàn)的問題， 在中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的基礎(chǔ)上，并聯(lián)一個(gè)中值電阻抑制過電壓，經(jīng)過分析研究證明，這是一種綜合小電阻接地及傳統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式的優(yōu)秀新型中性點(diǎn)接地方式。

新型中性點(diǎn)接地方式的概述

由于傳統(tǒng)接地方式不能避免的有故障選線困難、電容電流過大、容易產(chǎn)生過電壓等弊端。隨著社會(huì)的發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)供電質(zhì)量的要求越來越高，對(duì)中性點(diǎn)接地方式的選擇愈加成為了一個(gè)經(jīng)濟(jì)與技術(shù)性兼顧的綜合類課題。一種便于故障選線以及抑制過電壓產(chǎn)生的新型的中性點(diǎn)接地方式，區(qū)域仿真模型如下圖。

如圖1所示，K、K2均為開關(guān)，r為10～100Ω的可調(diào)選線電阻，L為消弧線圈，R1為小電阻，為使其起到抑制過電壓的效果并避免故障點(diǎn)流過的電流過大，阻值設(shè)置在15Ω左右；R2為大電阻，為使消弧線圈起到完全滅弧的作用并在一定程度上避免中性點(diǎn)飄逸，阻值設(shè)置在1200Ω左右。K2設(shè)置在故障發(fā)生后的0.025s后斷開，因此在故障暫態(tài)的仿真結(jié)果中，會(huì)有兩次不同時(shí)間點(diǎn)的波形變化。

當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，中性點(diǎn)的位移電壓為：

式中，v為消弧線圈的脫諧度；U00為電網(wǎng)三相電壓不平衡在中性點(diǎn)產(chǎn)生的不對(duì)稱電壓，d為網(wǎng)絡(luò)的阻尼率，在中性點(diǎn)新型接地系統(tǒng)中，

d=d0+dR+dL

圖1 新型中性點(diǎn)接地方式

圖4零序電壓波形圖

圖2三相電流波形圖

圖3三相電壓波形圖

圖6三相電流波形圖

圖7零序電壓波形圖

圖5 三相電壓波形圖

系統(tǒng)在發(fā)生單相接地故障時(shí)，延后2.5ms開關(guān)K2斷開，此時(shí)R0=R1+R2=1215Ω，此時(shí)d值很小。而故障相恢復(fù)電壓的初速度為：式中Uphm為相電壓幅值。故障相恢復(fù)電壓的時(shí)間τ為

即較小的阻尼率d可以降低故障相電壓恢復(fù)初速度，延長(zhǎng)電壓恢復(fù)時(shí)間，降低發(fā)生間歇性電弧接地的概率。而且適當(dāng)大小的阻尼率在一定程度上可以防止中性點(diǎn)位移電壓過高。

新型中性點(diǎn)接地方式的故障仿真分析

設(shè)置架空線路在距離母線7km處，過渡電阻為2Ω時(shí)，發(fā)生C相單相接地故障。故障發(fā)生的時(shí)間區(qū)域0.095s～0.11s之間，觀察并分析仿真得到的三相電流、三相電壓與零序電壓第一次發(fā)生波動(dòng)的波形。如圖2、圖3以及圖4所示：

在C線路單相故障發(fā)生時(shí)，波形初次變化。故障電流在發(fā)生一個(gè)小故障角的短暫暫態(tài)過程后，如圖2所示的三相電流仿真波形可見，在故障點(diǎn)流過的故障電流幅值達(dá)到了1.5kA以上，同時(shí)，A、B兩相非故障相電流在故障發(fā)生前后幅值幾乎沒有變化，但周期有明顯增長(zhǎng)。

如圖3所示的三相電壓仿真波形可見，當(dāng)C相單相接地故障發(fā)生后，故障相電壓產(chǎn)生了一個(gè)小的故障角，在經(jīng)歷短暫波動(dòng)后，幅值明顯減小，降低至15kV左右，A、B兩相健全相電壓有所升高，但也不完全相同。

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，中性點(diǎn)不發(fā)生偏移，零序電壓基本為零。如圖4所示的中性點(diǎn)位移電壓仿真波形所示，在C相單相接地故障發(fā)生后，在線路故障處產(chǎn)生了零序電壓，幅值在25kV左右。

在故障發(fā)生后的0.025s時(shí)，開關(guān)K2斷開，此時(shí)線路接入阻值為1200Ω的大電阻R2，三相電流、三相電壓與零序電壓的波形第二次變化的仿真圖分別如圖5、圖6以及圖7所示。

當(dāng)系統(tǒng)投入使用這種新型接地方式，如圖5所示的三相電流仿真波形，發(fā)生了C線路單相接地故障且開關(guān)K2斷開后，觀察并分析波形發(fā)生第二次變化。故障電流在發(fā)生一個(gè)小故障角的短暫暫態(tài)過程后，幅值明顯減小了很多，但較故障前相比依然顯得略大一些，而A、B兩相健全相電流在在開關(guān)K2閉合前后的故障過程中，幅值和大小均不發(fā)生改變。

如圖6所示的三相電壓仿真波形可見，當(dāng)開關(guān)K2斷開后，即在開關(guān)閉合后的0.025s時(shí)，波形發(fā)生第二次變化。此時(shí)，故障相電壓產(chǎn)生了一個(gè)小的故障角，在產(chǎn)生短暫波動(dòng)后，幅值進(jìn)一步減小，幾乎降為零左右，而A、B兩相健全相電壓幅值基本相同。

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，中性點(diǎn)不發(fā)生偏移，零序電壓基本為零。如圖7在C相單相接地故障發(fā)生且K2斷開后后，線路故障處的零序電壓較K2斷開之前再次升高，幅值約為30kV左右。

新型中性點(diǎn)接地方式發(fā)展前景及結(jié)論

伴隨著我國(guó)電力系統(tǒng)迅速發(fā)展擴(kuò)張，如何選擇合適的中性點(diǎn)接地方式，是一個(gè)牽扯到經(jīng)濟(jì)、科學(xué)技術(shù)、安全等各項(xiàng)因素影響的綜合性問題。人們所熟知的幾十年來傳統(tǒng)的幾種接地方式以外，有許多學(xué)者也致力于新型接地方式的研究探討，希望在現(xiàn)實(shí)設(shè)備電網(wǎng)電力改造規(guī)模不過大，經(jīng)濟(jì)成本允許的情況下，探索更合理的接地方式，上述新型接地方式是一種便于故障選線以及抑制過電壓產(chǎn)生的新型的中性點(diǎn)接地方式，更合理合適、有效規(guī)避了傳統(tǒng)接線方式容易出現(xiàn)的弊端。

（作者單位：大唐寶雞熱電廠）