某地区低压电网中性点接地运行方式探讨

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- 183 -2017 年第 06期（总第 393 期）NO.06.2017 CumulativetyNO.393 某地区低压电网中性点接地运行方式探讨夏志乐（广东电网有限责任公司肇庆供电局，广东肇庆 526060）摘要文章以某地区某一次 10kV线路跳闸事件为例，对该地区低压电网目前的中性点接地运行方式进行了分析，阐述了中性点不接地或经消弧线圈接地方式的缺点，对此提出了中性点经小电阻接地运行方式，并对其风险及可行性进行了分析。关键词中性点；接地运行方式；低压电网；线路跳闸；电力系统文献标识码 A中图分类号 TM727 文章编号 1009-2374（ 2017） 06-0183-04 DOI 10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.06.092近年来某地区发生了多起两条 10kV线路同时跳闸的事件，直接影响了供电可靠性和客户满意度，对社会造成了不良影响。为有效防范低压线路接地故障引发的人身触电事故，降低线路单相接地持续运行造成的人身风险，防止再次出现因单相接地运行导致的两条 10kV线路同时跳闸从而扩大故障范围的情况，现对该地区电网35kV及 10kV接地系统运行概况进行分析和探讨。1 现状1.1 小电流接地方式的优点目前，该地区供电局所辖变电站内的变压器 35kV侧及 10kV低压侧接地方式均为小电流接地方式（不接地或经消弧线圈接地）。该接地方式的优点主要是1.1.1 单相接地故障时，暂时不构成短路回路，接地电流不大，而线电压能维持不变。1.1.2 一般情况下，当发生单相接地故障时，发出接地信号，调度及运行人员一般在 2小时内选择和排除接地故障，保证连续不间断供电。1.2 小电流接地方式的缺点实践表明小电流接地系统也存在许多问题，随着电缆出线增多， 10kV配电网络中单相接地电容电流将急剧增加，并带来一系列危害。该接地方式的缺点是1.2.1 当系统发生单相接地故障时，非故障相的工频电压将升高，引起多处绝缘薄弱的地方放电击穿和设备瞬间损坏。1.2.2 当发生弧光接地时，可能引起高达工频相电压的弧光过电压，电弧不能自灭，很可能破坏周围的绝缘，发展成相间短路，造成停电或损坏设备的事故。1.2.3 配电网的铁磁谐振过电压现象比较普遍，时常发生电压互感器烧毁事故和熔断器的频繁熔断，严重威胁着配电网的安全可靠性。1.2.4 配电网对地电容电流增大后，对架空线路来说，树线矛盾比较突出，尤其是雷雨季节，因单相接地引起的短路跳闸事故占很大比例。1.2.5 在发生接地故障后，系统最多可允许继续运行 2小时，若故障未能及时处理，对靠近接地点的人畜将造成较大的危害，同时电气设备长时间承受过电压，加速电气设备的绝缘老化。1.3 小电流接地选线装置该地区处于台风、雷雨频发区域，恶劣天气容易导致 35kV及 10kV线路接地频繁，除影响正常供电外，通常还会直接影响接地点附近人畜的安全。因此，该地区电网很早就使用了小电流接地选线装置，装置动作信息和选线结果上送调度端，为调度辅助决策、跳闸统计、配网调度拉路选线提供支持。但小电流接地选线装置的选线准确率较低，经统计， 2016年该地区装设了接地选线装置的变电站的 35kV及 10kV出线共发生故障 121次，接地选线装置共动作 84次。接地选线装置选线正确率仅有70.25。其选线准确率低的主要原因是1.3.1 接地时的电流很小，线路故障时的电流与非故障时的电流相比没有明显的区别。1.3.2 当接地故障发生时，不但故障线路对地有电容电流，而且非故障线路对地同时也有电容电流。这样不单要测量故障线路的电容电流，还要测量非故障线路的电容电流并要进行区分，难度更大。因为选线准确率低，该地区供电局所辖变电站内接地选线装置均没有投入跳闸功能，只投入了发信功能。2 10kV跳闸事件的发生2.1 事前运行方式110kV甲线110kV 2M2主变11021主变1101220kV 变电站 B110kV 1M10kV 2M10kV 1M110kV乙线110kV变电站A10kV丁线10kV丙线图 1 110kV变电站 A 10kV跳闸事件发生的事前运行方式该地区供电局所辖 110kV变电站 A由 110kV甲、 110kV乙线供电至 110kV母线； 1主变运行供 10kV 1M母线， 2- 184 -主变运行供 10kV 2M母线； 10kV丙线、 10kV丁线均挂在10kV 2M母线运行（见图 1）。2.2 事件简述2016年 3月 26日， 110kV变电站 A 10kV丙线、丁线同时跳闸。 110kV变电站 A 10kV丙线开关过流Ⅱ段保护动作，故障相为 AB相，二次侧电流为 3.42A（ CT变比600/1），一次值为 2052A； 10kV丁线开关过流Ⅱ段保护动作，故障相为 AB相，二次侧电流为 3.32A（ CT变比600/1），一次值为 1992A，线路保护正确动作，一、二次设备均正常。经检查后发现 10kV丙线 164公用电缆分接箱 C相套管绝缘击穿， 10kV丁线 220K公用电缆分接箱 601开关至 454公用配电站电缆中间头 A相接地故障。3 中性点不接地或经消弧线圈接地系统跳闸原因分析3.1 接地电流分析计算中性点不接地或经消弧线圈接地系统单相接地时，其接地电流分析计算如下3.1.1 中性点不接地系统单相接地时电流分布（见图 2）图 2 中性点不接地系统单相接地时电流分布图 3 等值回路由于故障相电流 Ia 为系统非故障相总电容电流 Iz ，幅值较小，上述线路保护不会动作（见图 3）。Ua/（ Za＋ ZC）＝ Ia ＝ Iz 。式中 Ua为 A相一次电压； Za为 A相短路处接地电阻Ra（如金属性接地约为 0Ω）和电缆阻抗 Zd之和，电缆阻抗约为每公里 0.1 Ω； ZC为系统非故障线路总电容阻抗，接近无穷大； Ia 为流过保护的 A相短路一次电流； Iz 为非故障相总电容电流。可得 Ia ＝ Iz ，约 20～ 30A。3.1.2 中性点经消弧线圈接地系统单相接地时电流分布（见图 4）图 4 中性点经消弧线圈接地系统单相接地时电流分布图 5 等值回路由于故障相电流 Ia 为消弧线圈对非故障相总电容电流过补偿后的感性电流，幅值较小，保护也不会动作（见图 5）。Ia ＝ IL － IzUa/（ Za＋ ZC）＝ IzUa/（ Za＋ ZL）＝ IL式中 Ua为 A相一次电压； Za为 A相短路处接地电阻Ra（如金属性接地约为 0Ω）和电缆阻抗 Zd之和，电缆阻抗约为每公里 0.1 Ω； ZC为系统非故障线路总电容阻抗，接近无穷大； ZL为消弧线圈总阻抗； Ia 为经补偿后流过保护的 A相短路一次电流； Iz 为系统非故障相总电容电流； IL 为消弧线圈补偿电流。可得 Ia 约 20～ 30A。3.2 中性点不接地或经消弧线圈接地系统两条线路异名相接地时电流分布中性点不接地或经消弧线圈接地系统两条线路异名相接地时电流分布（ 110kV变电站 A 10kV丙线 B相、 10kV丁线 A相同时跳闸故障）（见图 6）图 6 中性点不接地或经消弧线圈接地系统两条线路异名相接地时电流分布图 7 等值回路U/（ Za＋ ZC/Zb）＝ IaU/（ Zb＋ ZC/Za）＝ IbIa ＝ Ib式中 Ua为 A相一次电压； Za为丁线 A相短路处接地电阻 Ra（约为 2Ω）及电缆阻抗之和。其中，电缆 Zda＝0.3 Ω（电缆阻抗约为每公里 0.1 Ω）； Zb为丙线 B相短路处接地电阻 Rc（约为 2Ω）及电缆阻抗之和，其中电缆 Zdb＝ 0.4 Ω（电缆阻抗约为每公里 0.1 Ω）； ZC为非故障线路对地系统总电容阻抗，接近无穷大； Ia 为流过保护的 A相短路一次电流； Ib 为流过保护的 B相短路一次电流； Iz 为非故障相总电容电流。由以上等值电路（见图 7）可知， 10kV丁线 A相、10kV丙线 B相同时或相继发生接地时，通过大地形成回路，形成了同一电源供电的相间故障，流过保护的短路电流 Ia ＝ Ib ，方向相反。若设 U为 AB相一次电压约为 10000V，由于 Za＜ ZC、 Zb＜ ZC（等值回路中 ZC可忽略不计），大地阻抗可忽略不计，由以上可得 Ia ＝10000/ （ 2.3 ＋ 2.4 ）≈ 2100A， Ib ＝ 10000/ （ 2.4 ＋ 2.3 ）≈ 2100A。理论计算值与现场保护装置获取的短路电流相近。由于故障相一次电流 Ia 、 Ib 幅值较大，基本相等，且达到保护整定值，保护装置动作出口跳闸（ CT变比为- 185 -600/1，保护定值为 720A）。由以上分析计算可知，如 110kV变电站 A 10kV丁线或10kV丙线其中一条线路首先发生单相故障或者两条线路先后发生同名相故障，保护不会动作跳闸，但如果因为接地使非故障相绝损坏，就会在同一电源两条出线发生异名相故障，由于形成相间短路故障，短路电流较大，保护动作后两条线路均跳闸。此外，如在不同电源的两条出线发生异名相故障，由于系统阻抗较大，短路电流一般较小，所以发生此类故障同跳的几率较小。综上所述，当中性点不接地电网发生单相故障，由于故障电流很小，保护不会动作于跳闸，但由于此时会造成非故障两相的对地电压升高至正常电压的 3 倍，容易导致非故障相设备绝缘降低，故障进一步扩大，将可能发展成为两相或多相故障，造成线路跳闸。4 小电阻接地系统由于小电流接地运行方式在发生故障时产生的过电压，对设备的绝缘影响较大，且较难准确定位故障点，导致故障处理不及时，直接影响了供电质量甚至引发人身触电事故，为了改变小电流接地运行方式的不足之处，快速切除低压线路的接地故障，低压系统中性点经小电阻方式已应用在 35kV及以下低压电网。这种接地方式下，当电力系统发生单相接地时，继电保护装置通过接地电阻的电流大小来启动零序保护，将故障线路从系统中隔离。4.1 该接地方式的优点4.1.1 能够快速地确定故障位置，将故障线路进行隔离，及时遏制了谐振过电压，有效地防止了非瞬时性单相接地故障发展成相间短路故障。4.1.2 中性点经低电阻接地后，在电弧熄灭后，线路的残余电荷可通过电阻泄漏到大地，中性点的电位迅速下降，重燃过电压的幅值会降低。4.1.3 对设备绝缘性要求降低，节约了投资。4.1.4 由于设置了零序电流保护，一旦发生单相接地将立即切除故障，缩短了故障时间且灵敏度高，可大大减少人身伤亡事故。4.1.5 不再依靠允许带故障运行 2小时来保证供电的可靠性。4.2 中性点经小电阻接地系统单相接地时电流分布中性点经小电阻接地系统单相接地时电流分布见图 8图 8 中性点经小电阻接地系统单相接地时电流分布图 9 等值回路由于故障相电流 Ia 为流过中性点小电阻（一般取10Ω）的电流，幅值较大，保护能可靠动作（见图 9）。Ua/（ Za＋ ZC/Ro）＝ Ia式中 Ua为 A相一次电压； Za为 A相短路处接地电阻Ra（如金属性接地约为 0Ω）和电缆阻抗 Zd之和，电缆阻抗约为每公里 0.1 Ω； ZC为系统非故障线路总电容阻抗，接近无穷大； Ro为变压器中性点接地小电阻约为 10Ω；Ia 为流过保护的 A相短路一次电流； Iz 为非故障相总电容电流。若 Ua为 A相一次电压为 5800V，由于 Ro＜ Zc（等值回路中 ZC可忽略不计），可得 Ia ＝ Ua/（ Ra＋ Ro）＝5800/（ 0＋ 10）＝ 580A。通过以上计算，采用了小电阻接地运行方式，当低压线路发生单相接地故障时，保护装置将依靠零序电流保护，有效、快速切除单相故障，由于在正常运行和系统发生振荡时没有零序分量产生，所以零序保护有较好的灵敏度。4.3 该接地方式的缺点4.3.1 当发生单相接地故障时，不管故障是永久性的，还是瞬时性的，线路都会自动跳闸。因此，线路跳闸次数将增加数倍，影响用户的用电需求，电路送电可靠性降低。4.3.2 中性点经小电阻接地属于大电流接地，接地电流比较大，过大故障电流容易扩大事故，即当电缆发生单相接地时，强烈的电弧会危及邻相电缆酿成火灾，扩大事故。4.3.3 一旦零序保护动作不及时或断路器失灵，过大的故障电流将使接地点及附近的电气设备受到更大的危害，导致相间故障发生。4.3.4 接地故障时，数百安以上的接地电流会引起地电位升高达数千伏，该电压通过接地系统传送到低压设备上，而低压设备的绝缘只能够耐低压，所以容易导致低压设备被击穿而短路，甚至对人身安全造成影响。5 建议及措施通过以上分析、对比各种低压系统接地运行方式的优缺点，将原来采用的小电流接地方式改为中性点经小电阻接地运行方式，既可有效防止因单相接地导致的相间或多相故障的运行风险，又可降低因接地故障持续运行造成的人身触电事故。目前，由于该地区低压电网均采用小电流接地方式，为降低因单相接地故障而造成的各种运行风险，对于未完成改造的站线应做好以下四点措施（ 1）对于电缆老化及电缆中间接头等薄弱环节，需要加强对相关设备的运行维护，及早发现问题。同时要提高检测手段，通过试验方式检验薄弱点的绝缘程度，做好设备的状态评估；（ 2）加强 35kV及以下电压等级架空线路的线路巡视，尤其是树木茂盛及工程施工区域，防止外力破坏导致线路断线或者短路，威胁人身设备安全；（ 3）调度部门对于相关 10kV接地信号要及时响应，尽快做出判断，及时隔离故障，避免 10kV线路长期故障运行；（ 4）就如何提高消弧选线成功率的问题与消弧选线装置的厂家进行交流探讨，制定相应可行的方案。- 186 -2017 年第 06期（总第 393 期）NO.06.2017 CumulativetyNO.393 6 实施的可行性及风险（ 1）该地区城区低压系统多为电缆线路，而郊区低压线路多为架空线或混合线路。可在城区和郊区分别选取 1～ 2个变电站作为试点，改造为小电阻接地运行方式。其中试点的选取应优先考虑出线电缆老化问题严重、电缆分接箱绝缘隐患较多和接地故障多发的站点。但同时需考虑对重要用户和保供电用户的影响，特别是郊区架空线路，雷雨季节极易发生单相接地故障（树障或非金属性瞬时故障），势必造成站端出线开关及保护频繁动作，如发生开关或保护拒动，将会造成越级跳闸，不但影响供电可靠性还导致了故障范围的扩大；（ 2）目前，该地区电网 110kV变压器 10kV侧接线方式均为三角型接线，中性点不能直接接地，必须加装接地变压器。如加装在 10kV两段母线上，当一台主变故障，备自投动作合上母联开关后，变为两组接地电阻并联运行，接地电阻变小，容易造成接地保护的误动，应考虑增加主变联切接地变回路和定值配合问题。另外，在运行方式改变时，也应注意两组接地电阻运行方式的调整，防止发生接地保护的误动；（ 3）零序电流保护不应采用三相电流互感器组成的二次零序接线方式，防止三相电流互感器有不同程度的饱和，或因特性不平衡，使零序电流保护误动作。对试点低压线路需加装零序电流互感器来解决上述问题，同时线路保护定值需做出相应的调整；（ 4）改变 35kV及 10kV中性点接地方式涉及面广，需要对一二次设备进行改造，包括 35kV中性点及10kV母线加装接地小电阻、加装接地变压器、 10kV馈线柜零序 CT回路调试、 10kV保护定值调整、加装保护联切回路等，可考虑在新投站或者选取合适的变电站作为试点，积累运行经验；（ 5）根据交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范 GB/T 50064-2014 6～ 35kV主要由电缆线路构成的配电系统，当单相接地故障电容电流较大时，可采用中性点低电阻接地方式。因此，需要试验进行梳理，将该地区低压电网单相接地故障电容电流较大的线路进行统计，作为试点中性点经小电阻接地的依据。7 结语结合目前该地区低压电网中性点接地运行方式的情况，针对中性点不接地或经消弧线圈接地方式的不足之处，提出了采用中性点经小电阻接地运行的方案。该方案根据电缆线路的特点，提出当 10kV或 35kV线路发生故障时，可使继电保护装置迅速动作隔离故障，减轻了对设备绝缘的损害，有效降低了人身事故的风险。参考文献[1] 王强喜．浅析汾西矿井 6kV电网单相接地电容电流的防治 [J] ．中国矿业， 2008， 17（ 6）.[2] 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