浅析中压电网中性点接地方式

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第页共 8 页引言近年来随着我国经济持续快速的发展和生活质量的改善，社会现代化程度的不断提高，科学技术的不断发展，电能被广泛地应用到各个领域，电力消费水平大幅提高。电力工业已在社会主义现代化建设中占有十分重要的地位，世界上已把电力工业发展情况，作为衡量一个国家现代化水平的标志之一。大家知道，在三相系统中都有中性点，但有的中性点接地，有的不接地。这是因为电力系统除正常运行情况外，往往会出现各种故障，其中最常见的是单相接地故障。为了处理这种故障，根据不同供电系统的情况，将中性点采用不同的运行方式。目前，我国供电系统中常见的中性点运行方式有三种不接地、经消弧线圈接地和直接接地。前两种又称非直接接地。中性点采用的运行方式不同，会影响到供电系统许多方面的技术经济问题。如供电的可靠性、电气设备和线路的绝缘水平、对通讯系统的干扰、继电保护的正确动作等。因此，中性点采用什么样的运行方式，实际上又是一个涉及到供电系统许多方面的综合性技术问题。1 概述中压电网以 35KV、 10KV、 6KV三个电压等级的电压应用较为普遍，其均为中性点非接地系统，但是随着供电网络的发展，特别是采用电缆线路的用户日益增加，使得系统单相接地电容电流不断增加，导致电网内单相接地故障扩展为事故。我国电气设备设计规范中规定 35KV电网如果单相接地电容电流大于 10A， 3KV 10KV电网如果接地电容电流大于 30A，都需要采用中性点经消弧线圈接地方式，而城市电网规划设计导则（施行）第 59 条中规定“ 35KV、 10KV城网，当电缆线路较长、系统电容电流较大时，也可以采用电阻方式” 。因对中压电网中性点接地方式，世界各国也有不同的观点及运行经验，就我国而言，对此在理论界、工程界也是讨论的热点问题，在中压电网改造中，其中性点的接地方式问题，现已引起多方面的关注，面临着发展方向的决策问题。2 中性点不同的接地方式与供电的可靠性在我国中压电网的供电系统中，大部分为小电流接地系统（即中性点不接地或经消弧线圈或电阻接地系统）。在中性点不接地系统中，发生单相接地故障时，不需要立即断开故障部分，不必中断向用户供电，因而提高了供电的可靠性，这是这种系统的主要优点。但是，必须在较短的时间内，一般允许继续运行两小时，迅速发现并消除接地故障，以免由于未接地相对地电压长期升高，而发展成为多相接地短路。所以在这种系统中，电气设备和线路的对地绝缘应按能承受线电压考虑设计，而且应装设交流绝缘监察装置，当发生单相接地故障时，立即发出信号通知值班人员。当线路不长，电压不高时，接地电流数值较小，接地电弧一般均能自动熄灭，特别是在 35KV以下的系统中，绝缘方面投资增加不多，而供电可靠性较高的优点突出，中性点采用不接地运行方式较合适。但当电压高、线路长时，接地电流值较大，可能产生稳定电弧或间歇性电弧。而且电压等级较高时，整个系统绝缘方面的投资大为增加，上述优点便不复存在。目前我国中性点不接地系统的适用范围如下1 压在 500V以下的三相三线制装置；23 ～ 10KV系统当接地电流 Ic ≤ 30A时；320 ～ 60KV系统当接地电流 Ic ≤ 10A时；4 与发电机有直接电气联系的 3～ 20KV系统，如要求发电机带内部单相接地故障第页共 8 页运行，当接地电流 Ic ≤ 5A时。当中压电网不能满足以上条件时，通常采用中性点经消弧线圈接地或采用中性点经小电阻接地的运行方式。我国采用经消弧线圈接地方式已运行多年，但近几年有部分区域采用中性点经小电阻接地方式。我国规定，凡不符合采用中性点不接地运行方式的 3～60KV系统，均可采用中性点经消弧线圈接地的运行方式。对于中性点不接地系统，因其是一种过度形式，其随着电网的发展最终将发展到上述两种方式，为此本文对这两种接地方式作以分析。2.1 中性点经电阻接地方式中性点经电阻接地方式在国外从上世纪 40 年代已开始使用。世界上主要以美国为主的部分国家采用，原因是美国在历史上过高的估计了弧光接地过电压的危害性，而采用此种方式，用以泄放线路上的过剩电荷，来限制此种过电压。 1995 年华力特电气公司率先从美国 PGR 公司引进中性点接地电阻，先后在深圳，上海，北京，天津，江苏，福建等地区供电局及石化，钢铁，地铁，发电厂行业使用。电网中性经电阻接地方式，目的是限制接地故障电流。中性点经电阻器（每相零电阻 R 0 ≤ X c0 每相对地容抗）接地，可以消除中性点不接地和消弧线圈接地系统的缺点，即降低了瞬态过电压幅值，并使灵敏而有选择性的故障定位的接地保护得以实现。由于这种系统的接地电流比直接接地系统的小，故对地电位升高及对信息系统的干扰和对低压电网的反击都减弱。因此，中性点电阻器接地系统具有中性点不接地及经消弧线圈接地系统的某些优点，也多少存在这两种接地方式的某些缺点。按限制接地故障电流大小的要求不同，分高、中、低值电阻器接地系统，它们具体的优缺点亦不同。2.1.1 中性点经高值电阻的接地方式的优缺点中性点经高值电阻接地系统是限制接地故障电流水平为 10A 以下，高电阻接地系统设计应符合每相零序电阻 R 0 ≤ X c0 （每相对地容抗）准则，以限制由于间歇性电弧接地故障时产生的瞬态过电压。其优缺点如下1 可防止和阻尼谐振过电压和间歇性电弧接地过电压，在 2.5P · U 及以下；2 接地电流水平为 10A 以下，减小了对地电位升高；3 接地故障可以不立即清除，因此能带单相接地故障相运行；4 使用范围受到限制，适用于某些小型 6 ～ 10KV 配电网和发电厂厂用电系统。2.1.2 中性点经中值电阻的接地方式的优缺点采用中性点中值电阻的接地方式可以克服高值和低值电阻的接地方式的弊端。其接地故障电流控制在 50 ～ 100A ，仍保留了内过电压（含弧光过电压、谐振过电压等）水平低、对地电位升高不大、正确迅速切除接地故障线路等优点，但具有切除接地故障线路间断供电等缺点。2.1.3 中性点经低值电阻的接地方式的优点中性点经低值电阻接地系统是限制接地故障电流水平为 100 ～ 1000A，系统单相接地时，由于流过故障线路的电流较大，零序过流保护有较好的灵敏度，可以比较容易检第页共 8 页除接地线路。健全相电压不升高或升幅较小，对设备绝缘等级要求较低，其耐压水平可以按相电压来选择。2.1.4 中性点经低值电阻的接地方式的缺点由于接地点的电流较大，当零序保护动作不及时或拒动时，将使接地点及附近的绝缘受到更大的危害，导致相间故障发生。当发生单相接地故障时，无论是永久性的还是非永久性的，均作用与跳闸，使线路的跳闸次数大大增加，严重影响了用户的正常供电，使其供电的可靠性下降。2.2 中性点经消弧线圈接地方式1916 年发明了消弧线圈，并于 1917 年首台在德国 Pleidelshein 电厂投运至今，已有 84 年的历史，运行经验表明，其广泛适用于中压电网，在世界范围有德国、中国、前苏联和瑞典等国的中压电网均长期采用此种方式，显著提高了中压电网的安全经济运行水平。采用中性点经消弧线圈接地方式，在系统发生单相接地时，流过接地点的电流较小，其特点是当线路发生单相接地故障时，可不立即跳闸断开故障部分，不必中断向用户供电，按国家规程规定电网可带单相接地故障运行 2 小时。从实际运行经验和资料表明，当接地电流小于 10A时，电弧能自灭，因消弧线圈的电感的电流可抵消接地点流过的电容电流，若调节得很好时，电弧则自动熄灭。对于中压电网中日益增加的电缆馈电回路，虽接地故障的概率有上升的趋势，但因接地电流得到补偿，单相接地故障并不发展为相间故障。因此中性点经消弧线圈接地方式的供电可靠性，大大的高于中性点经电阻接地方式。2.2.1 中性点经消弧线圈接地方式存在的问题近年来，随着我国电力工业的迅速发展，城市配电网的结构变化很大，在馈电线路中电缆所占的比重越来越大，我国城市配电网中性点经消弧线圈接地运行方式的一些问题日渐暴露。随着配网电容电流的迅速增大，很难保证消弧线圈在一定脱谐度下过补偿运行。主要原因为1 消弧线圈的调节范围有限，一般为 1 2 ，不适合工程初期和终期的需要；2 消弧线圈各分接头的标称电流和实际电流误差较大，有些甚至可达 15 ，运行中就发生过由于实际电流值与铭牌数据差别而导致谐振的现象；3 计算电容电流和实际电容电流误差较大，多数变电站是电缆和架空线混合的供电网络，准确而及时的掌握配电线路的长度是很难做到的，而且电缆型号繁多，单位长度的电容电流也不尽相同；4 有些配电网在整个接地电容电流中含有一定成分的 5 次谐波电流，其比例高达 5 ～ 15 ，即使将工频接地电流计算得十分精确，但是对于 5 ～ 15 接地电容电流中的谐波电流值还是无法补偿的。电缆为主配电网的单相接地故障多为系统设备在一定条件下由于自身绝缘缺陷造成的击穿，而且接地残流较大，尤其是当接地点在电缆时，接地电弧为封闭性电弧，电弧更加不易自行熄灭（单相接地电容电流所产生的弧光能自行熄灭的数值，远小于规程所规定的数值，对交联聚乙烯电缆仅为 5A ），所以电缆配电网的单相接地故障多为永第页共 8 页久性故障。由于中性点经消弧线圈接地的系统为小电流接地系统，发生单相接地永久性故障后，接地故障点的检出困难，不能迅速检出故障点所在线路。这样，一方面使系统设备长时间承受过电压作用，对设备绝缘造成威胁，另一方面，不使用户断电的优势也将不复存在。在中性点经消弧线圈接地系统中，过电压数值较高，对设备绝缘造成威胁。单相接地故障点所在线路的检出，一般采用试拉手段。在断路器对线路试拉过程中，有时将产生幅值较高的操作过电压。中性点经消弧线圈接地系统和中性点不接地系统相比，仅能降低弧光接地过电压发生的概率，并不能降低弧光接地过电压的幅值。中性点经消弧线圈接地的系统在某些条件下，会发生谐振过电压。由于上述原因，另外由于电缆为弱绝缘设备，例如 10kV 交联聚乙烯电缆的 1 分钟工频耐压为 28kV ，比一般设备低 20 以上，所以电缆在单相接地故障在故障点检出过程中，由于工频或暂态过电压的长时间作用，常发展成相间故障，造成一线或多线跳闸。当系统发生接地时，中性点经消弧线圈接地方式虽能有效地减小单相接地故障时接地处的电流，迅速熄灭接地处电弧，防止间歇性电弧接地时所产生的过电压，但由于接地点残流很小，且根据规程要求消弧线圈必须处于过补偿状态，接地线路和非接地线路流过的零序电流方向相同，故零序过流、零序方向保护无法检测出已接地的故障线路。因目前运行在中压电网的消弧线圈大多为手动调匝的结构，必须在退出运行才能调整，也没有在线实时检测电网单相接地电容电流的设备，故在运行中不能根据电网电容电流的变化及时进行调节，所以不能很好的起到补偿作用，仍出现弧光不能自灭及过电压问题。2.2.2 中性点接地方式对供电可靠性的影响众所周知，配电网中性点经消弧线圈接地方式与中性点经小电阻接地方式相比，最大的优点是在发生单相接地故障时，如果是瞬间故障，当系统电容电流或经消弧线圈补偿后的残余电流小到自行熄灭的程度时，则故障可自行消除，如果是永久故障，该系统可带单相接地故障运行 2 小时，获得足够的时间排除故障，以保证对用户的不间断供电。但这一优点在以电缆为主的城市配电网中并不突出。电缆故障的原因，从统计情况看，主要是绝缘老化、电缆质量、外力破坏等，一般都是永久性故障，当发生接地故障时不应带故障运行。从实际运行情况看，在以电缆为主的配电网中，中性点不接地或经消弧线较圈接地方式下，单相接地故障引发的相间短路故障较多。一些实际事故表明，单相接地故障发展为相间故障，反而扩大了停电范围，尤其是当发展为母线短路故障时，相当于变压器出口短路，而由于目前一些变压器抗短路冲击能力较弱，从而可能造成变压器损坏。就城市配电网供电方式的实际情况看双电源供电方式，架空绝缘线的采用，环网布置，开环运行方式，电缆线路所占比重等因素造成了采用中性点不接地或经消弧线圈接地方式的优点不突出。从目前已改小电阻接地方式的变电站实际运行情况分析；保护配置得当，可不降低供电可靠性。综合上述分析，电缆供电为主的变电站采用中性点经小电阻接地，不会对供电可靠性造成多大影响，在某些方面对供电可靠性的提高反而有益。2.2.3 自动跟踪消弧线圈及单相接地选线装置中性点经消弧线圈接地方式存在的几大缺点，也是几大技术难题，多年来电力学者第页共 8 页致力于解决这一技术难题，随着微电子技术、检测技术的发展和应用，我国已研制生产出自动跟踪消弧线圈及单相接地选线装置，并已投入实际运行取得良好效果，现在正处在推广应用阶段。3 单相接地电容电流因中性点不接地方式在中压电网中，仅是一种短期的过渡方式，最终是要过度到经消弧线圈或小电阻接地方式，而在改造前要对电网中的电容电流进行计算和测量，以给改造提供技术数据。中压电网单相接地电容电流有以下几部分构成1 统中所有电气连接的全部线路（电缆线路、架空线路）的电容电流；2 系统中相与地之间跨接的电容器产生的电容电流；3 因变配电设备造成的电网电容电流的增值。系统中的电容电流可按下式计算Σ Ic （ Σ ic1 ＋ Σ ic2 ）（ 1＋ k％）式中 Σ ic 电网上单相接地电容电流之和Σ Ic1 线路和电缆单相接地电容电流之和Σ ic2 系统中相与地间跨接的电容器产生的电容电流之和k％配电设备造成的电网电容电流的增值。 10KV取 16％、 35KV取 13％。在对电网上单相电容电流计算的基础上，为了准确选择和合理配置消弧线圈的容量，对系统运行中单相电容电流进行实测是十分必要的，微机在线实时检测装置为实测网上单相电容电流提供了快速准确的手段，其原理是，检测系统的不平衡电压 E0，并以一定的采样周期检测线电压 UAB，中性点位移电压 U0 及中性点位移电流 I0 ，根据下式计算出单相接地电容电流。E0 U0＋ I0 Xc 式中 Xc为系统对地容抗；因 Xc（ E0 U0） / I0 则 IcU 相 / Xc U 相 I0/ E0 U0 式中 Ic 为单相接地电容电流单相电容电流的检测也可以采用偏置电容法和中性点外加电容法，在测试中，可以选用几种不同容量的 Cf（所加的偏置电容）测出几组数据，利用移动平均值获得单相接地电容电流，以减少测试中的误差。第页共 8 页4 微机控制消弧装置人工调谐的消弧线圈，因不能随着电网的运行实时调整补偿量，这样就不能保证电网始终处于过补偿状态，甚至导致系统谐振，并难以将故障发生时入地电流限制到最小。我国研制微机自动跟踪消弧装置始于 80 年代，现已不断完善形成系列产品，并配套接地自动选线环节，有效的解决了中性点经消弧线圈接地方式的电网，长期难以解决的技术问题。该装置的 Z 型结构接地变压器，具有零序阻抗小，损耗低，并可带二次负荷，其可调电抗器为无级连续可调铁芯全气隙结构，具有调节特性好、线性度高、噪声低等特点，装置采用消弧线圈串电阻接地方式，以抑制消弧线圈导致谐振的问题，其微机控制单元是实现自动跟踪检测、调节、选线的核心，系统的响应时间小于 20 s ，由过补、欠补、最小残流三种运行方式。装置在运行中计算机周期采样，以获得电网运行的适时参数，计算机对系统电容电流、残流进行计算，根据设定值与计算值的偏差自动调整电抗器的电感量，从而实现消弧线圈运行在设定值上。选线装置是通过计算机过对线路零序电流的采样，计算机根据采样电流的幅值和方向判断接地线路，可达到准确及时的检出有接地故障的线路。5 结语配电网中性点接地方式的选择是具有综合性的技术问题，中性点不接地、经消弧线圈接地、经电阻接地各有其优缺点，应结合电网具体条件，通过技术经济比较确定，也就是说，因每种中性点接地方式的系统，具有独自的优点，得到了发展。中压电网的中性点接地方式在国内也有不同的观点，并已成为电网改造中的一个热点问题，根据我国多年的运行经验及随着科学技术的进步，解决了中压电网中性点经消弧线圈接地系统长期难以解决的技术难题。自动跟踪消弧线圈及接地选线装置的不断完善和推广应用，为中压电网中性点经消弧线圈接地提供了技术保障。为此，在我国采用中性点经消弧线圈接地方式是我国中压电网的发展方向。