谈10kA配电网中性点接地方式

核心提示：电力网的中性点接地方式是一个涉及面很广的问题。它对供电系统的供电可靠性、设备的绝缘水平、断路器等高压电器的选择，继电保护、通信干扰及系统稳定性等诸方面都会产生程度不同的影响。电力网的中性点接地方式是一个涉及面很广的问题。它对供电系统的供电可靠性、设备的绝缘水平、断路器等高压电器的选择，继电保护、通信干扰及系统稳定性等诸方面都会产生程度不同的影响。
１ 城市１０ｋＶ配电网的中性点接地方式
（１）不接地方式（小电流接地）；
　　（２）消弧线圈接地方式（小电流接地）；
　　（３）小电阻接地方式（大电流接地）。
接地故障电容电流小于１０Ａ时，采用中性点不接地系统；大于１０Ａ时，采用设消弧线圈接地或小电阻接地。目前，北京部分地区已经由中性点不接地系统或消弧线圈接地系统逐步改为小电阻接地系统。本文的目的是探讨在１０ｋＶ不同的接地系统中，特别是１０ｋＶ中性点小电阻接地系统中，１０/０．４ｋＶ变电所的设计应当注意哪些问题。
２ 城市１０ｋＶ配电网中性点不接地或经消弧线圈接地问题
（１）线路电容电流过大不能自熄，必须断电。随着北京市内用电缆代替架空线路，线路电容电流急剧上升，造成了单相接地故障发生时电容电流过大，使电网的供电可靠性下降，安全运行收到威胁。
电网的单相接地电容电流包括线路及电力设备两部分的电容电流组成。由于电力设备的电容电流远小于线路的电容电流，往往忽略不计。１０ｋＶ电缆线路的单相接地电容电流值为：
Ｉｃ＝Ｋ•Ｕｎ•Ｌ（１）
　　式（１）中：Ｋ＝９５＋１．４４ｓ/２２００＋０．２３ｓ；
　　Ｕｎ—缆线额定电压，ｋＶ；
　　Ｌ—电缆长度，ｋｍ；
　　Ｓ—电缆芯线截面，ｍｍ２．
１０ｋＶ电缆Ｉｃ约为１～１．５Ａ/ｋｍ，而架空线的电容电流仅为电缆的３％．所以电缆替代架空线形成电容电流的剧增，造成了单相接地故障的电弧电流过大。电缆的接地故障是非自复性故障，如果不切除故障点，只能使电缆损坏加大，事故扩大。所以在中性点不接地系统中，允许单相接地故障持续２ｈ的办法就不能用了。
相比之下，小电阻接地的优势就已经表现出来了。在该系统中，单相接地的故障切断一般不超过１ｓ，对防止电缆故障的扩大是相当有利的。
（２）消弧线圈抑制电容电流困难较大。为了抑制电容电流，往往采取了中性点安装消弧线圈的方法。其基本原理是利用单相接地产生的零序电压，使消弧线圈出现电感电流，与线路电容电流的相位相反，来抵消电容电流。电容电流是采用消弧线圈来补偿，使残余电流小于１０Ａ，但实际上很难做到，其原因为：
１）消弧线圈过补偿（又称脱谐度）应为１０％。例如电容电流为１５０Ａ，则１５０×１０％＝１５（Ａ），大于１０Ａ，不能熄灭。若脱谐度３％，则残余电流为１５０×３％＝４．５（Ａ），这样电流能自动熄灭。但此时，中性点位移电压超过了安全电压的１５％.
　　２）电缆长度在不断地变化，很难及时调整消弧线圈的参数以达到计算要求的配合度。
　　３）线路电容中的谐波分量无法抑制。
　　４）消弧线圈的容量越来越大，造成安装上的困难。
　　显然这种方式对电容电流也不能加以限制。
（３）过电压击穿事故频发，危及供电安全。在１０ｋＶ中性点不接地系统中，如果发生单相接地故障，会产生弧光重燃过电压。将造成 电气设备的绝缘损坏，或开关柜绝缘子闪络，电缆绝缘击穿。这种现象在北京１０ｋＶ电网中频频发生。
３　１０ｋＶ配电网中性点小电阻接地可以有效解决不接地系统问题
电力系统过电压分为暂时过电压、操作过电压和雷电过电压三大类。而引起过电压的原因有单相接地故障、铁磁谐振、操作过电压等。其中，单相接地故障的几率最大。
为了说明问题最重要的就是进行定性分析，１０ｋＶ中性点不接地、消弧线圈接地、小电阻接地三种形式的正常工作及单相接地时的工作状态。
（１）１０ｋＶ中性点不接地系统在正常状态下的电压参量如图１（ａ）、图１（ｂ）所示。当Ｌ３发生接地故障时，电压参量如图１（ｃ）、图１（ｄ）所示，并可得到如下结论。
１）正常工作状态，线间的电压值是Ｕｍ＝√２×１０ｋＶ，每相的对地电压在不考虑泄漏及对地电容电流认为基本平衡时，可认为对地为悬浮状态。
２）假设某一相发生接地故障时，其它两相的对地电压值也达到Ｕｍ，经测定，１０ｋＶ中心点不接地系统中，单相接地的过电压值可达到４．７６～８．１３Ｕｍ；在切除单相接地故障时，产生的过电压数值甚高，也超过４．１Ｕｍ.
（２）用消弧线圈补偿的接地方式。图2中Ｃ１、Ｃ２是Ｌ１、Ｌ２相的对地电容；Ｌ３对地通过Ｒ发生接地故障。图2（ａ）为示意图；图2（ｂ）为等效电路图；图2（ｃ）为相量图。消弧线圈的作用是假设其自身电抗相当大，通过它的电流滞后于加在线圈的电压相位差近于９０°.这样Ｉｎ就与Ｉｃ１、Ｉｃ２的相量和相抵触。理想结果是：Ｉｎ＋Ｉｃ１＋Ｉｃ２＝０，那么在Ｉｒ上将没有Ｃ１、Ｃ２电容电流通过，Ｉｒ将会很小。
（３）小电阻接地系统在正常状态下的电压参量如图3（ａ）、（ｂ）所示，在Ｌ３发生接地故障时的电压参量如图3（ｃ）、（ｄ）所示，从图中可简单得到如下结论。
　　１）在正常工作状态每线间的电压值是Ｕｍ，每相的对地电压为Ｕｍ；
　　２）在单相接地时，其它两相的对地电压与正常值相比不变，均为Ｕｍ.
４　１０ｋＶ配电网中性点小电阻接地系统中变电所（１０/０．４ｋＶ）设计
（１）进行电力设备耐压水平的确定。电力设备的耐压水平完全是由某电力设备所处的环境条件及其可能承受的过电压决定的。过电压水平包括正常运行的电压和内部过电压，二者都应考虑。
我国的电力行业标准《交流高压断路器订货技术条件》ＤＬ/Ｔ　４０２－１９９１规定：额定电压为１０ｋＶ的设备（现改称为１２ｋＶ，见ＤＬ/Ｔ　４０２－１９９２中４．２条），工频耐压１ｍｉｎ，干式４２ｋＶ，湿式３０ｋＶ，１．２/５０μｓ雷电冲击耐压７５ｋＶ.而国际电工委员会ＩＥＣ　６０６９４－１９９６标准中规定：额定电压为１２ｋＶ，对地工频耐压为２８ｋＶ，相间工频耐压为４２ｋＶ（ＩＥＣ的标准是按中性点为小电阻接地系统的要求制定的）。如果按额定电压为１２ｋＶ选择国外产品，在中性点不接地或用消弧线圈接地的１０ｋＶ电网中，就会产生对地工频耐压不能满足４２ｋＶ的要求。相反，如果在１０ｋＶ中性点小电阻接地系统中，设备的对地工频耐压只需大于２８ｋＶ，但要特别注意设备的相间工频耐压仍然要达到４２ｋＶ.
（２）小电阻接地系统１０/０．４ｋＶ变电所设零序保护。由于该接地系统，中性点与地之间用很小的电阻相连。显然，任何一相的完全接地故障，就会产生很大的接地电流，这个电流甚至能达到数百数千安培。必须迅速可靠地切断这个电流，但还需重视几个问题。
１）确定零序保护方式。单相接地电流是一个三相不平衡的电流，用零序电流互感器可以很方便地得到。零序电流可以用两个方法取得。这两种型式的接线不同，效果也不尽相同（图4（ａ））是通过三相每相电流互感器与零序继电器相连接，这种方式系统简单，只需在已有的电流互感器上增加一台零序继电器。图4（ｂ）是在电缆出线端上将三相电缆通过一个专用零序继电器。图4（ａ）时要考虑以下两个问题：
ａ．系统处于正常工作状态时。直流整流设备、大容量 气体放电灯、大容量调光设备、大型计算机站等用电设备工作时产生严重的零序电流。
　　ｂ．电力负荷投切过程中，产生相当强的非周期分量电流。设备正常工作时的零序电流，以及各种非周期分量中含有的零序电流通过零序继电器，造成继电器误动作。这个现象在投切大容量变压器、用电设备（电动机等）都很可能发生。采用对图３的方法效果会更好，因为非单相（或两相）的接地故障不会出现较大的动作电流，也就是说上述用电设备正常运行时产生的零序电流是不会使零序继电器动作。
２）１０ｋＶ电力网中设置接地保护系统实例。图5为在１０ｋＶ单母线分段系统中，１１０ｋＶ变电所与１０ｋＶ变电所之间采用双路供电示意。正常状态时，系统分列运行，１０１、１０２号处于断开位置。假如发生单相接地的故障点分别有两种情况：
　　ａ．在Ｑ１时，１２号断路器的零序保护动作，１１号开断，如果１０２号联络电路器合闸，必须保证１２号断路器开断。
　　ｂ．Ｑ２时，１２号断路器的零序保护动作，１２号开断，１２号、１１号断路器零序启动均延时动作，１０２号断路器闭锁。
　　ｃ．Ｑ３时，１３号断路器的零序保护动作，１３号开断，１２号、１１号断路器零序启动均延时动作，１０２号断路器闭锁。
３）接地系统分析
　　ａ．单相接地的故障电流引起的保护动作的逻辑关系与三、二相的短路电流引起的结果是基本一致的。
　　ｂ．为了不扩大事故的停电范围，各级间必须有一定的时间差，若用定时限延时，其差则选取０．５ｓ为宜。
　　ｃ．单相接地短路电流计算阻抗主要由导线的单相电抗与接地电阻决定，但接地电阻是最关键的因素。为了确保系统动作的可靠性，北京地区推荐接地极的工频接地电阻为０．５Ω.
ｄ．零序保护的起动电流建议为２０Ａ，这是单相裸导线在水泥地面的实测参数。零序电流互感器的变比为１００/５或５０/５.
ｅ．单相接地的故障应设在掉闸回路内，其信号接入事故信号回路。
５　结论
（１）１０ｋＶ（含３５ｋＶ等）中压系统中性点接地方式是十分重要的问题，必须予以重视。
　　（２）在１０ｋＶ中压系统中的接地方式
　　１）架空线路为主的系统可采用不接地或消弧线圈接地方式。
　　２）电缆线路为主的系统采用低电阻接地方式。
　　（３）不接地系统或消弧线圈接地系统，中压设备的选型要求绝缘水平的工频试验，一分钟耐压标准应大于４２ｋＶ；而小电阻接地系统，中压设备的选型要求绝缘水平的工频试验，一分钟耐压标准应大于２８ｋＶ.
　　（４）不接地系统是否可采用三芯五柱电压互感器还待研究，而检测单相线路接地，起动电压继电器警铃报警，系统可故障运行在２小时内切除故障线路。
小电阻接地系统则备用零序电流互感器，检测单相线路接地，起动故障继电器警笛报警，系统应尽快切除相应线路，整定电流为２０Ａ，２０Ａ以下为穿越性故障区，小电阻接地的接地电阻参考值为１０Ω．