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摘要: 城市中压配电网主要指10 ～60 kV电压等级的电网, 其中性点通常采用不接地、经消弧线圈接地或经小电阻接地方式。 随着城网改造的深入发展, 配电网容量迅速增加, 中性点不接地方式的应用将很有限, 而采用经消弧线圈接地或小电阻接地将成为发展的趋势。本文从实际运行情况, 就中压配电网中经消弧线圈和经小电阻这两种接地方式作了进一步的分析, 并对这两种接地方式作了简单的优化。
关键词: 中压配电网中性点接地方式 消弧线圈 小电阻
1 中性点经消弧线圈和经小电阻两种接地方式的分析
1. 1 经消弧线圈的接地方式
中性点经消弧线圈接地的电力系统, 称为谐振接地系统或补偿系统。消弧线圈是一种铁心带有空气间隙的可调电感线圈, 当系统发生单相接地故障时, 消弧线圈的电感电流补偿了电网的接地电容电流, 限制了接地故障电流的破坏作用, 使得残余电流的接地电弧易于熄灭。 当残流过零熄灭后, 又能降低故障相恢复电压的初速度及其幅值, 避免接地电弧的重燃, 并使之彻底熄灭。由于接地故障电流的减小,有效地限制了接地电流和电弧的电动力、热效应和空气游离等的破坏作用, 防止或减小了在故障点形成残留性故障的概率, 使故障点介质绝缘的恢复强度很容易超过故障相电压而恢复初速度, 从而得以彻底熄灭接地电弧, 补偿电网并在瞬间恢复正常工作。现用图(1) 说明其工作原理。
图1 消弧线圈工作原理图(a) 接线图; (b) 向量图
通常补偿方式如下：
(1) 选择电抗器的电感L 值, 使IL = IC , 则两者可相互抵消, 这种工况称为全补偿, 相应的电感L值为
在实际中,不采用式(2) 所示的全补偿L 值,而采用比它稍小或稍大的数值,通常以脱谐度v 表示
(2) v > 0 ,表示电感电流小于电容电流, 电力系统为欠补偿方式运行。
(3) v < 0 ,表示电感电流大于电容电流, 电力系统为过补偿方式运行。
为使电力系统正常运行时的中性点位移电压不致过高, 应使运行点适当偏离谐振点, 即脱谐度v 的绝对值要足够大; 但过大会造成残流过大, 难以熄弧。一般,电缆电力网| v| ≈6 % , 架空电力网| v| ≈20 %。实际运行中多采用过补偿。
1. 2 经小电阻的接地方式
中性点经小电阻接地方式, 是在城网供电能力的提高及断路器持续工作能力加强等条件下采用的。在系统单相接地时, 故障电流一般在100 ～1 000 A之间, 保护装置可以实时在线监测线路的运行情况, 根据监测到的故障电流, 快速切除配电系统中的接地故障线路。
根据DL/ T620 —1997 中规定:6～35 kV 主要由电缆线路构成的送配电系统, 单相接地故障电流较大时, 可采用小电阻接地方式。城市配电网中由于考虑市容, 以电缆线路居多, 单相接地故障电流很大, 可首先考虑采用中性点经小电阻接地方式, 并加快对少量的架空线路用电缆或绝缘导线替代的改造。但要注意合理选择和人身安全密切相关的接地电阻值, 以降低故障时的跨步电压和接触电压。中性点经小电阻接地方式接地电阻的选择, 应考虑对通信线路的干扰以及保证继电保护装置能可靠动作等因素。
小电阻接地方式, 电阻值一般小于20 Ω , 与零序保护配合可快速切断单相接地故障。在电网比较完善的欧美国家, 电网一般配备有多条备用线路, 因而多采用中性点经小电阻接地, 配合快速继电保护和开关装置, 瞬间跳开故障线路, 投入备用线路,并不影响电网供电的可靠性。在以架空线路为主的配电网中, 小电阻接地因故障跳闸率较高, 使用受到了限制。但在以电缆为主的配电网中因其故障率极低, 这个问题并不突出, 并且由于使用了绝缘水平低的电缆, 为了降低过电压水平, 减小相间故障的可能性, 要求采用小电阻接地方式。
2 经消弧线圈和经小电阻两种接地方式的比较
配电网的运行特点与中性点的运行方式有密切的关系, 不同中性点接地方式的配电网有着不同的运行特性。下面从七个方面对经消弧线圈和经小电阻两种接地方式的电网运行特点进行比较。
(1) 电网绝缘水平。电网当发生单相接地故障时, 前者非故障线路对地电压上升为系统的線电压; 而后者非故障相电压在线电压和相电压之间, 比前者要小。因此, 前者要求电网的绝缘水平高, 后者要求低。
(2) 供电的连续性、可靠性和故障范围。当电网发生永久性接地故障时, 前者将接地故障电流降低到残流值后, 对永久性故障实现跳闸检修, 对瞬时性接地故障能够自动消除, 或可带故障运行几个小时, 这是因为接地电容电流得到补偿, 单相接地故障不会发展为相间故障; 后者因为是低电阻接地的电网, 接地点电流较大, 零序保护如动作不及时, 将使接地点及附近的绝缘受到更大的危害, 导致相间故障的发生, 从而使永久性及非永久性的单相接地线路的跳闸次数均明显增加。
(3) 人身安全。接地故障电流的威胁主要表现在接触电压和跨步电压两个方面。前者故障后系统可带故障运行, 且由于消弧线圈的补偿作用, 接地点接地电流很小, 其跨步电压和接触电压小, 对人身安全危险小; 小电阻接地方式的电网发生单相接地故障时, 故障电流大, 在故障点和中性点附近形成了危险的跨步电压和接触电压, 对人身安全危险大。
(4) 接地点的数目。前者接地点的数目不受限制, 可在该系统电源侧只设置一台消弧线圈接地来进行集中补偿, 也可在负荷侧公用变电站的高压侧设置多台消弧线圈来进行分散补偿, 或者两者均采用; 后者原则上一个配电网中只能有一个接地点, 否则会导致零序电流过大, 进而损坏设备或使保护失去选择性。
(5) 维修工作量。虽然两者的维修工作量都不大, 但是,当电网发生瞬时性故障时, 前者通过消弧装置补偿接地电容电流, 在电流过零时电弧熄灭, 消除了电弧并恢复供电; 后者是立即跳闸切除故障线路, 很显然增加了维修线路的工作量。因此,前者的维修工作量要小得多。
(6) 继电保护。后者虽然供电可靠性差, 但是零序过电流保护有较好的灵敏度, 实现起来比较简便, 选线工作容易实现; 前者在发生单相接地故障时故障线路残流很小, 选线工作的实现比较困难。
(7) 对通信与信号系统的干扰。输电线路造成的干扰主要通过两种途径, 一种是静电感应,一种是电磁感应。电力系统中发生单相接地故障时, 出现的零序电压和零序电流是强大的干扰源。 在经消弧线圈接地的小电流接地系统中, 其主要作用的是静电感应; 在经小电阻接地的大电流接地系统中, 则是电磁感应。静电感应可以用比较简单的方法限制, 电磁感应的消除则要困难得多。消弧线圈接地在降低对通信与信号系统的干扰方面的优越性是很明显的, 因为一旦发生单相接地故障, 感应回路中的电流在其中的分布都是受控制的, 和接地无关。而中性点经小电阻接地对通信与信号系统的干扰而言是一种不利的接地方式。
3 经消弧线圈和经小电阻两种接地方式的优化
3. 1 经消弧线圈接地技术的优化
中性点经消弧线圈接地, 在架空线路的绝缘水平比较高时, 对提高供电的可靠性、消除接地电弧及其危害的独特优点是采用小电阻接地不能取代的。当线路发生永久性故障或是电缆线路须采用消弧线圈接地来提高供电的可靠性时, 可以采用自动补偿消弧装置, 但是, 必须对自动补偿消弧装置进行技术完善。
由于经消弧线圈接地系统故障点残流很小, 无论是接地有功分量法还是五次谐波方法等, 要实现继电保护的准确动作都比较困难, 在现场中的使用效果都不好。因此, 在自动补偿消弧装置的基础上加装准确的小电流选线部分成为关键。就选线而言, 如果采用有功电流、谐波电流以及功率方向等群体比相原理以及电流信号注入法, 那么选线的成功率将大大提高。另外, 在自动补偿消弧装置串接一个负阻特性的非线性电阻也是一个不错的方法, 首先, 它可以在电网正常运行时起阻尼作用, 限制电网的谐振过电压; 其次, 在电网发生单相接地故障时, 将在故障电流中产生较大的有功分量, 这样, 自动补偿消弧装置的选线工作实现起来相对容易些。
3. 2 经小电阻接地技术的优化
中性点经小电阻接地电网在发生永久性或瞬时性故障时, 都可立即跳闸切除故障线路。正是这种运行特点, 决定了它在架空线路或是供电可靠性要求比较高的电缆线路里面应用的局限性。 如前所述,架空线路绝大部分的故障都属于瞬时性的, 采用传统的小电阻接地方式会大大降低供电的可靠性。
自动重合闸在小电阻接地系统中的应用, 直接的效果是在系统发生故障时, 立即切除故障线路, 再进行重合。当发生永久性故障时, 在经过预先设定的重合次数后, 如果重合器重合失败,那么与传统的小电阻接地保护装置效果一样, 切除故障线路。反之, 如果是瞬时性的单相接地故障, 通过重合器的重合成功, 那么也可以大大提高供电的可靠性。
4 結 论
配电网接地方式是一个涉及面非常广的综合性问题。从技术角度看, 配电网中性点接地方式与整个电力系统的供电可靠性、人身安全、设备安全、绝缘水平、继电保护以及通讯干扰和接地装置等技术问题有密切的关系。从经济角度看, 配电网中性点接地方式的选择必须与整个系统发展的现状和发展规划进行经济比较。
本文通过对配电网中性点经消弧线圈和小电阻两种接地方式进行比较, 得出了中性点接地方式的定性分析方法。
(1) 在电缆化率极高的配电网中应优先考虑小电阻接地方式, 而对于实际电网中大量存在的混合系统仍应该采用消弧线圈接地方式。
(2) 在小电阻接地技术与自动重合闸的配合及消弧线圈与精确的选线技术配合后, 不论是架空线路还是电缆多的线路, 两种方式都可以采用, 根据实际运行情况的需要。
(3) 在经济条件容许的情况下, 鉴于消弧线圈接地方式在限制电弧过电压和铁磁谐振过电压以及供电可靠性方面优点突出, 配电网中性点采用新型的自动跟踪补偿消弧线圈比小电阻接地方式更具有优越性。
参考文献:
〔1〕蓝毓俊 现代城市电网规划设计与建设改造〔M〕北京:中国电力出版社
〔2〕刘明岩 配电网中性点接地方式的选择〔J〕电网技术,2004
〔3〕要焕年 电力系统谐振接地〔M〕北京: 水利电力出版社
（作者单位：东莞市常平供电公司）
关键词: 中压配电网中性点接地方式 消弧线圈 小电阻
1 中性点经消弧线圈和经小电阻两种接地方式的分析
1. 1 经消弧线圈的接地方式
中性点经消弧线圈接地的电力系统, 称为谐振接地系统或补偿系统。消弧线圈是一种铁心带有空气间隙的可调电感线圈, 当系统发生单相接地故障时, 消弧线圈的电感电流补偿了电网的接地电容电流, 限制了接地故障电流的破坏作用, 使得残余电流的接地电弧易于熄灭。 当残流过零熄灭后, 又能降低故障相恢复电压的初速度及其幅值, 避免接地电弧的重燃, 并使之彻底熄灭。由于接地故障电流的减小,有效地限制了接地电流和电弧的电动力、热效应和空气游离等的破坏作用, 防止或减小了在故障点形成残留性故障的概率, 使故障点介质绝缘的恢复强度很容易超过故障相电压而恢复初速度, 从而得以彻底熄灭接地电弧, 补偿电网并在瞬间恢复正常工作。现用图(1) 说明其工作原理。
图1 消弧线圈工作原理图(a) 接线图; (b) 向量图
通常补偿方式如下：
(1) 选择电抗器的电感L 值, 使IL = IC , 则两者可相互抵消, 这种工况称为全补偿, 相应的电感L值为
在实际中,不采用式(2) 所示的全补偿L 值,而采用比它稍小或稍大的数值,通常以脱谐度v 表示
(2) v > 0 ,表示电感电流小于电容电流, 电力系统为欠补偿方式运行。
(3) v < 0 ,表示电感电流大于电容电流, 电力系统为过补偿方式运行。
为使电力系统正常运行时的中性点位移电压不致过高, 应使运行点适当偏离谐振点, 即脱谐度v 的绝对值要足够大; 但过大会造成残流过大, 难以熄弧。一般,电缆电力网| v| ≈6 % , 架空电力网| v| ≈20 %。实际运行中多采用过补偿。
1. 2 经小电阻的接地方式
中性点经小电阻接地方式, 是在城网供电能力的提高及断路器持续工作能力加强等条件下采用的。在系统单相接地时, 故障电流一般在100 ～1 000 A之间, 保护装置可以实时在线监测线路的运行情况, 根据监测到的故障电流, 快速切除配电系统中的接地故障线路。
根据DL/ T620 —1997 中规定:6～35 kV 主要由电缆线路构成的送配电系统, 单相接地故障电流较大时, 可采用小电阻接地方式。城市配电网中由于考虑市容, 以电缆线路居多, 单相接地故障电流很大, 可首先考虑采用中性点经小电阻接地方式, 并加快对少量的架空线路用电缆或绝缘导线替代的改造。但要注意合理选择和人身安全密切相关的接地电阻值, 以降低故障时的跨步电压和接触电压。中性点经小电阻接地方式接地电阻的选择, 应考虑对通信线路的干扰以及保证继电保护装置能可靠动作等因素。
小电阻接地方式, 电阻值一般小于20 Ω , 与零序保护配合可快速切断单相接地故障。在电网比较完善的欧美国家, 电网一般配备有多条备用线路, 因而多采用中性点经小电阻接地, 配合快速继电保护和开关装置, 瞬间跳开故障线路, 投入备用线路,并不影响电网供电的可靠性。在以架空线路为主的配电网中, 小电阻接地因故障跳闸率较高, 使用受到了限制。但在以电缆为主的配电网中因其故障率极低, 这个问题并不突出, 并且由于使用了绝缘水平低的电缆, 为了降低过电压水平, 减小相间故障的可能性, 要求采用小电阻接地方式。
2 经消弧线圈和经小电阻两种接地方式的比较
配电网的运行特点与中性点的运行方式有密切的关系, 不同中性点接地方式的配电网有着不同的运行特性。下面从七个方面对经消弧线圈和经小电阻两种接地方式的电网运行特点进行比较。
(1) 电网绝缘水平。电网当发生单相接地故障时, 前者非故障线路对地电压上升为系统的線电压; 而后者非故障相电压在线电压和相电压之间, 比前者要小。因此, 前者要求电网的绝缘水平高, 后者要求低。
(2) 供电的连续性、可靠性和故障范围。当电网发生永久性接地故障时, 前者将接地故障电流降低到残流值后, 对永久性故障实现跳闸检修, 对瞬时性接地故障能够自动消除, 或可带故障运行几个小时, 这是因为接地电容电流得到补偿, 单相接地故障不会发展为相间故障; 后者因为是低电阻接地的电网, 接地点电流较大, 零序保护如动作不及时, 将使接地点及附近的绝缘受到更大的危害, 导致相间故障的发生, 从而使永久性及非永久性的单相接地线路的跳闸次数均明显增加。
(3) 人身安全。接地故障电流的威胁主要表现在接触电压和跨步电压两个方面。前者故障后系统可带故障运行, 且由于消弧线圈的补偿作用, 接地点接地电流很小, 其跨步电压和接触电压小, 对人身安全危险小; 小电阻接地方式的电网发生单相接地故障时, 故障电流大, 在故障点和中性点附近形成了危险的跨步电压和接触电压, 对人身安全危险大。
(4) 接地点的数目。前者接地点的数目不受限制, 可在该系统电源侧只设置一台消弧线圈接地来进行集中补偿, 也可在负荷侧公用变电站的高压侧设置多台消弧线圈来进行分散补偿, 或者两者均采用; 后者原则上一个配电网中只能有一个接地点, 否则会导致零序电流过大, 进而损坏设备或使保护失去选择性。
(5) 维修工作量。虽然两者的维修工作量都不大, 但是,当电网发生瞬时性故障时, 前者通过消弧装置补偿接地电容电流, 在电流过零时电弧熄灭, 消除了电弧并恢复供电; 后者是立即跳闸切除故障线路, 很显然增加了维修线路的工作量。因此,前者的维修工作量要小得多。
(6) 继电保护。后者虽然供电可靠性差, 但是零序过电流保护有较好的灵敏度, 实现起来比较简便, 选线工作容易实现; 前者在发生单相接地故障时故障线路残流很小, 选线工作的实现比较困难。
(7) 对通信与信号系统的干扰。输电线路造成的干扰主要通过两种途径, 一种是静电感应,一种是电磁感应。电力系统中发生单相接地故障时, 出现的零序电压和零序电流是强大的干扰源。 在经消弧线圈接地的小电流接地系统中, 其主要作用的是静电感应; 在经小电阻接地的大电流接地系统中, 则是电磁感应。静电感应可以用比较简单的方法限制, 电磁感应的消除则要困难得多。消弧线圈接地在降低对通信与信号系统的干扰方面的优越性是很明显的, 因为一旦发生单相接地故障, 感应回路中的电流在其中的分布都是受控制的, 和接地无关。而中性点经小电阻接地对通信与信号系统的干扰而言是一种不利的接地方式。
3 经消弧线圈和经小电阻两种接地方式的优化
3. 1 经消弧线圈接地技术的优化
中性点经消弧线圈接地, 在架空线路的绝缘水平比较高时, 对提高供电的可靠性、消除接地电弧及其危害的独特优点是采用小电阻接地不能取代的。当线路发生永久性故障或是电缆线路须采用消弧线圈接地来提高供电的可靠性时, 可以采用自动补偿消弧装置, 但是, 必须对自动补偿消弧装置进行技术完善。
由于经消弧线圈接地系统故障点残流很小, 无论是接地有功分量法还是五次谐波方法等, 要实现继电保护的准确动作都比较困难, 在现场中的使用效果都不好。因此, 在自动补偿消弧装置的基础上加装准确的小电流选线部分成为关键。就选线而言, 如果采用有功电流、谐波电流以及功率方向等群体比相原理以及电流信号注入法, 那么选线的成功率将大大提高。另外, 在自动补偿消弧装置串接一个负阻特性的非线性电阻也是一个不错的方法, 首先, 它可以在电网正常运行时起阻尼作用, 限制电网的谐振过电压; 其次, 在电网发生单相接地故障时, 将在故障电流中产生较大的有功分量, 这样, 自动补偿消弧装置的选线工作实现起来相对容易些。
3. 2 经小电阻接地技术的优化
中性点经小电阻接地电网在发生永久性或瞬时性故障时, 都可立即跳闸切除故障线路。正是这种运行特点, 决定了它在架空线路或是供电可靠性要求比较高的电缆线路里面应用的局限性。 如前所述,架空线路绝大部分的故障都属于瞬时性的, 采用传统的小电阻接地方式会大大降低供电的可靠性。
自动重合闸在小电阻接地系统中的应用, 直接的效果是在系统发生故障时, 立即切除故障线路, 再进行重合。当发生永久性故障时, 在经过预先设定的重合次数后, 如果重合器重合失败,那么与传统的小电阻接地保护装置效果一样, 切除故障线路。反之, 如果是瞬时性的单相接地故障, 通过重合器的重合成功, 那么也可以大大提高供电的可靠性。
4 結 论
配电网接地方式是一个涉及面非常广的综合性问题。从技术角度看, 配电网中性点接地方式与整个电力系统的供电可靠性、人身安全、设备安全、绝缘水平、继电保护以及通讯干扰和接地装置等技术问题有密切的关系。从经济角度看, 配电网中性点接地方式的选择必须与整个系统发展的现状和发展规划进行经济比较。
本文通过对配电网中性点经消弧线圈和小电阻两种接地方式进行比较, 得出了中性点接地方式的定性分析方法。
(1) 在电缆化率极高的配电网中应优先考虑小电阻接地方式, 而对于实际电网中大量存在的混合系统仍应该采用消弧线圈接地方式。
(2) 在小电阻接地技术与自动重合闸的配合及消弧线圈与精确的选线技术配合后, 不论是架空线路还是电缆多的线路, 两种方式都可以采用, 根据实际运行情况的需要。
(3) 在经济条件容许的情况下, 鉴于消弧线圈接地方式在限制电弧过电压和铁磁谐振过电压以及供电可靠性方面优点突出, 配电网中性点采用新型的自动跟踪补偿消弧线圈比小电阻接地方式更具有优越性。
参考文献:
〔1〕蓝毓俊 现代城市电网规划设计与建设改造〔M〕北京:中国电力出版社
〔2〕刘明岩 配电网中性点接地方式的选择〔J〕电网技术,2004
〔3〕要焕年 电力系统谐振接地〔M〕北京: 水利电力出版社
（作者单位：东莞市常平供电公司）