城市中压电网中性点接地方式探讨.pdf

上 海 电力 2 0 0 6 年第 1 期 城市中压电网中性点接地方式探讨 叶 军， 李超群 ( 上海电力设计院有限公司 ， 上海 2 0 0 0 2 5 ) 摘要 ： 城市 中压配电 网中性点接地是一个 涉及电力 系统各个方面的极为重要 的综 合问题 。从相关标准规定 出发， 分析了上海中压配电网的 3种中性点接地方式对设计、 运行、 继电保护等方面的影响， 提出了在市郊采 用自动跟踪补偿消弧线圈接地、 市区采用接地电阻方式的建议， 并对城市中大量采用电缆布线后， 电容电流的 核算和供电可靠性等， 作了深入的分析和研究， 得出了相关结论和建议 。 关键词 ： 城市 中压配 电网； 中性 点接地 ； 电阻接地 ； 消弧线 圈接地 中田分类号 ： T M8 6 文献标识 码 ： B I 引言 中性点接地方式是一个涉及电力系统各个方 面的综合性问题， 它与供电可靠性、 人身安全、 设 备安全 、 继电保护、 绝缘水平， 过电压保护、 电磁兼 容 、 经济性等问题有密切关系 ， 对电力系统的设计 与运行有着重大影响。上海电网是我国最大的城 乡一体化电网， 安全可靠供电要求高 ， 同时作为城 市电网， 其供电电缆化程度不断提高 ， 单相短路电 流不断增大， 这都需要我们对 中性点接地方式进 一 步进行分析探讨。中压配电网一般指 l O 1 】 O k V电压等级 电网， 它们是城 市 电网中重要 的一 环 与高压电网采用中性点直接接地不 同， 中压 配电网的中性点接地 方式存在多种形式 ， 各有利 弊 ， 所以需要寻求适合城市电网特点的安全可靠 、 经济合理的中性点接地方式 。 2 中性点接地方式分 类 对于电力系统 中性点接地方式 ， 美 国电气与 电子工程师协会标准 中性接地方式的要求、 术语 和试验程序 ( ANS I I E E E 3 2 1 9 9 7 ) 规定 ： 当在 系统或系统的制定部分 的所有各点上 ， 不论运行 情况如何， 以及连接的发电机容量多大 ， 零序电抗 ( X 。 ) 对正序电抗( X ) 之 比都不大于 3 ， 而且零序 电阻( R 。 ) 对正序电抗( x ) 之 比都不大于 1时 ， 该 电力系统或系统的一部分可被认为是中性点有效 接地的。当电力系统不是全部有效 接地 ， 而在系 统 的一个指定部分的所有各点上 ， 上述要求得到 满足时， 可认 为该指定部分是有效接地 的。世界 各 国一般都沿用此标准区分中性点有效接地和非 一 5 4 有效接地两种形式。 我 国电力行业标准 交流电气装置 的过 电压 保护和绝缘 配合 ( D L T6 2 0 - 1 9 9 7 ) 中， 对 系统 接地方式也有相关规定 。主要有 以下几点 ： ( 1 )该标 准的 3 1 1条 ： 1 1 O 5 0 0 k V 系统 应该采用有效接地方式 ， 即系统在各种条件下应 该使零序与正序 电抗之 比( X。 x ) 为正值并且不 大于 3 ， 而其零序电阻与正序电抗之 比( R 。 X ) 为 正 值 并 且 不 大 于l 。该 点 与 上 述 ANS I I E E E 3 2 1 9 9 7标准相一致。该条还规定 儿O k V 和 2 2 0 k V系统中变压器中性点直接或经低阻抗 接地 ， 部分变压器中性点也可不接地。 ( 2 )该标准的 3 1 2每 ： 3 1 O k V不直接连 接发电机的系统和 3 5 、 6 6 k V 系统 ， 当单相接地 故障电容电流不超过下列数值 时， 应采用 不接地 方式 ； 当超过下列数值又需在接地故障条件下运 行时 ， 应采用消弧线 圈接地方式 ： 3 1 0 k V钢筋 混凝土或金属杆塔的架空线路构成的系统和所有 3 5 、 6 6 k V 系统， l O A。3 1 0 k V 非钢 筋混凝土 或非金属杆塔 的架空线路构成的系统， 当电压为 ： 3 k V 和 6 k V 时 ， 3 O A； 1 0 k V 时 ， 2 O A。3 1 O k V电缆线路构成的系统， 3 O A。 ( 3 )该标准的 3 1 4条： 6 3 5 k V主要 由电 缆线路构成的送 、 配电系统 ， 单相接地故障电容电 流较大时， 可采用低电阻接地方式 ， 但应考虑供电 可靠性要求、 故障时瞬态电压和电流对电气设备 的影 响、 对通信的影响和继电保护技术要求 、 本地 的运行经验等。 由此可知 ， 电力系统零序阻抗 的大小 ， 区分了 有效接地和非有效接地两种中性点接地方式。中 维普资讯 2 0 0 6 年第 1 期 上 海 电力 压电力系统一般为非有效接地系统 ， 可采用不接 地 、 经消弧线圈接地和电阻接地方式。由于 中压 电网一般采用放射状供 电形式 ， 电源变电站 中性 点的接地方式 ， 即决定了该电网的接地方式。 3 上海 中压 电 网的 中性点接地方式 3 1 中性点不接地 上海的部分郊 区 1 0 k V 系统采用 中性点不 接地方式。中性点不接地系统发生单相接地故障 时， 一般认为其接地电流很小， 若是瞬时故障， 一 般能 自动熄弧 ， 非故障相电压升高不大 ， 不会破坏 系统的对称性 ， 故可带故障继续供电 2 h ， 从而获 得排除故障时间， 相对地提高了供电的可靠性。 但是在发生弧光接地时， 电弧的反复熄灭与重燃 ， 由于对地电容中的能量不能释放 ， 造成电压升高 ， 从而产生弧光接地过 电压或谐振过电压， 其值可 达很高的倍数 ， 对设备绝缘造成威胁 。 上海市东地区新建 3 5 k V变电站， 除浦东地 区， 其他许多变电站 1 0 k V仍采用本期中性点不 接地 ， 远景电阻接地方式。笔者认为应仔细核算 单相接地电容电流的水平， 特别是新建 3 5 k V变 电站一般采用 l O k V电缆 出线 ， 至变电站外再登 杆的形式 ， 出线数较多 、 线路较长时 ， 单相接地电 容电流已比较大， 若仍采用本期 中性点不接地 ， 对 安全运行存在一定隐患_ l J 。 3 2 中性点经消弧线圈接地 上海的部分郊区 1 O k V 系统和 2 2 0 k V变电 站 3 5 k V部分采用中性点经 消弧线圈接地方式。 其 中 2 2 0 k V变电站有 1 1 个。中性点采用经消弧 线圈接地方式 ， 就是在系统发生单相接地故障时， 消弧线圈产生的电感 电流补偿单相 接地电容 电 流 ， 以使通过接地点电流减少 ， 能 自动灭弧 。消弧 线圈接地方式在技术上拥有了中性点不接地系统 的优点 ， 而且还避免 了单相故 障可能发展为两相 或多相故障， 产生过电压损坏 电气设备 绝缘和烧 毁电压互感器等危害。 传统的消弧线 圈接地为避免产生谐振 ， 要求 保持在过补偿状态下运行。随着电网的发展 ， 如 果电网运行方式不断地变化 ， 消弧线圈不可能始 终运行在最佳档位 ， 有可能由于残流达不到有效 抑制而产生弧光过 电压。消弧线圈手工调谐需要 停电短 时退 出消弧线 圈， 失去 了补偿 的连续性 。 随着科技进步， 在优化消弧线 圈接地方式中出现 了很多新技术 。 如 自动跟踪补偿消弧线 圈装置 ， 能随 电网运 行方式的变化 ， 及时、 快速地调节消弧线圈的电感 值 ， 使其失谐度始终处于规定的范围内。当系统 发生单相接地时， 消弧线圈的电感 电流能有效地 补偿接地点的电容电流 ， 使之残流达到最小 ， 避免 了间歇性弧光接地过电压的产生 。再借助于微机 接地保护或 自动选线装置 的新技术支持， 其优点 更加突出 J 。 上海市南地区许多新建 3 5 k V变电站 l O k V 中性点采用消弧线圈接地。即采用 自动跟踪补偿 消弧线圈装置， 并且在消弧线圈系统并联中电阻， 提高接地选线可靠性 ， 取得较好的效果 。 3 3 中性点经低 电阻接地 上海市区 1 O k V 系统 和 2 2 0 k V 变 电站 3 5 k V部分采用中性点经低电阻接地方式 3 。 中性点经电阻接地方式 ， 即在 中性点与大地 之间接入一定阻值的电阻 。该方式可认为是介于 中性点不接地和中性点直接接地之间的一种接地 方式 。中性点经 电阻接地与中性点不接地或经消 弧线圈接地相比较 ， 可以有效地防止间歇性弧光 接地过电压和谐振过电压 。 中性点经电阻接地方 式， 在系统发生单相接 地时， 通过流过接地电阻的电流来启 动零序保护 动作 ， 从系统 中切除故障线路。当系统发生单相 接地时 ， 健全相的电压升幅较小或不升高 ， 不会象 中性点不接地系统电压升高为线 电压。系统发生 单相接地时， 故 障电流较大 ， 零序保护动作， 易切 除故障线路。 电阻接地方式缺点是 ， 当系统发生单相故障 时， 无论故 障是永久性还是非永久性 ， 线路均跳 闸， 线路跳 闸次数大大增加 ， 供 电可靠性下降 ； 当 单相故障时， 接地 电流较大 ， 当零序保护动作失 灵 ， 接地点附近的电气设备受到动热稳定的考验， 可能导致设备损坏而发展成为相间故障 ； 当架空 绝缘导线断线， 裸导线断线接触 的是沙砾、 沥青、 混凝土等干燥地面时 ， 由于接地电流小 ， 继电保护 不动作 ， 可能会酿成严重 的人身伤亡事故。 上海市区供电公司对市区配电网中性点接地 方式进行过深入 的技术分 析， 在 市 区配 电网 l O k V和 3 5 k V_ 采用经低电阻接地方式， 接地电流 1 k A。由于市中心 区域 电缆数量多 ， 单相接地电容 电流大， 采用经低 电阻接地方式是提高设备运行 一 5 5 维普资讯 上海 电力 2 0 0 6 年第1 期 安全的有效手段 ， 运行多年取得较好效果 。 随着用户对供电可靠性要求 的提高 ， 以及采 用大量电子设备 ， 在上海的市中心区供电， 必须考 虑采用经低电阻接地方式对部分供电敏感用户的 影响， 国际上也有此方面的研究 。用户越来越无 法容忍短时的停电， 即使用户有备 自投装置 ， 短时 的失 电也是不可避免 的。特别 是 3 5 k V 系统 ， 当 一 路电源失电， 靠变电站内 1 0 k V 的备 自投， 短 时的失电更是不可避免。有关资料介绍 ， 在德 国 接地电容电流很大时， 仍采用消弧线圈接地 ， 这对 我们是否有借鉴， 需进一步研究。所以， 对于采用 经低 电阻接地方式 ， 需加强电网建设 ， 提高供电可 靠性， 对于供电可靠性要求非常高的用户 ， 需配嚣 不间断电源装置。 4 接地设备及其布置 中性点接地设备 的连接 ， 一般视主变的接 线 形式而定。2 2 0 k V变 电站变压器 3 5 k V侧 为 接线 ， 不管是电阻接地还是消弧线圈接地 ， 均需通 过接地变压器获得 中性点 。采用 电阻接地时， 接 地变和电阻可直接接在变压器低压侧 ； 采用 消弧 线圈接地时， 接地变和消弧线圈经断路器接在 3 5 k V母线上。上海电网采用了上述连接方式。 1 1 0 k V变电站一般为 l l o l o k V二级电压 ， 如采用 Y A接线变压器 ， 则需要通过接地变压器 获得 中性点， 一些地区采用接地变兼作站用变经 消弧线圈接地。上海 电网采用 了 Y Y接线带 平衡线圈的变压 器， 接 地电阻和消弧线圈均可直 接接在主变 1 0 k V 侧 中性 点上 ， 减 少 了一次设 备， 取得较好效果。 3 5 k V变电站一般为 3 s l o k V二级电压 ， 如 采用 Y A接线变压器， 亦需通过接地变压器获得 中性点 ， 一些地 区采用接地变兼作站用变经消弧 线圈接地。上海 电网逐步采用 了 Y接线 的变 压器 ， 接地电阻和消弧线圈均可直接接在主变 1 O k V侧中性点上。 采用 Y Y接线带 平衡线 圈的 1 1 0 k V变 压器的 1 0 k V 系统与原系统存在相角差， 所以使 用时需综合考虑系统接线 情况。采用 Y接线 的 3 5 k V变压器可 以省去接地变压器 ， 适合于占 地面积比较小的城市变 电站 ， 在城市电网中具有 推广价值 。随着技术进步 ， 在接地设备上新设备 不断出现。接地电阻采用不锈钢电阻大大减少了 一 5 6一 设备体积 。新型的带 中电阻的自动跟踪补偿消弧 线圈装置 ， 使补偿和选线更准确 ， 在城市变电站中 具有推广价值 。 5 继 电保护 配置 5 1 3种接地方式的单相接地故障特点 当中性点不接地系统和经消弧线圈接地系统 发生单相接地故障时 ， 故障相电压跌至 0 V， 非故 障相电压升至线 电压 ， 3 U。接近 1 0 0 V( 二次值) ， 整个系统都将 出现零序电压。由于故障点 的电流 很小 ， 而且三相之间的线 电压仍然保持对称 ， 对负 荷的供 电没有影响， 因此一般情 况下允许再运行 1 2 h ， 而不必立 即跳闸 ， 这也是采用中性点非直 接接地运行 的主要优点 。但是在单相接地后 ， 其 他两相的对地电压将 升高 1 7 3 2倍 ， 为了防止故 障进一步扩大成两点或多点接地故障 ， 就应及时 发出信号 ， 以便运行人员采取措施予 以清除。 ( 1 )对于 中性 点不接地系统 ， 单相接地故障 的特点为 ： 1 )在非故 障的元件上有零序 电流， 其 数值等于本身 的对地电容 电流 ， 电容性 无功功率 的实际方向为由母 线流向线路。2 )在故 障线路 上 ， 零序电流为全系统非故 障元件对地电容电流 之总和 ， 数值一般较大， 电容性无功功率的实际方 向为由线路流向母线 。 ( 2 )对于中性 点经消弧线圈接地系统 ( 过补 偿) ， 单相接地故障的特点为 ： 1 )经故障线路的零 序电流将大于本身 的电容 电流 ， 而电容性无功功 率的实际方向仍然 由母线流 向线路 ， 和非故 障线 路的方 向一致 。2 )由于过补偿度不大 ， 很难象 中 性点不接地电网那样 ， 利用零序 电流大小 的不 同 来找出故障线 路。 ( 3 )对于 中性 点经 小电阻接地系统 ， 单相接 地故障的特点为 ： 1 )电压变化情况接近于不接地 系统或消弧线圈接地系统 。2 )接地 电流( 3 I 。 ) 的 实际数值一般为理论值 的 0 7 0 9倍。3 )故障 线路上有零序 电流 3 ， 。 ， 非故障线路无 零序 电流 3 J 。 。接地变回路及其中性点有零序电流。4 )当 接地变接在母线上时 ， 主变回路 中无零序电流 ， 当 接地变接在主变低压侧时 ， 主变低压侧 有零序电 流 。 5 2 3种接地方式继电保护的比较 在 电网发生 的故障 中， 接地故障 ( 单 相接地 、 两相接地故障) 占故障总数 8 O 以上 ， 合 理地选 维普资讯 2 0 0 6 年第1 期 上 海 电力 择接地方式 ， 可以充分发挥接地保护的功能 ， 快速 切除故障 ， 缩短故 障时间， 提高供 电可靠性； 同时 还可减小故障电流对设备 的危害。 对于中性点不接地 系统和经消弧线圈系统 ， 发生单相接地故障时， 迄今为止还没有一种完善 的保护原理能准确判断出故障点， 并快速切除故 障。在老站中通过试拉闸的方式选择故障点， 在 新站中一般配置 了微机型小 电流接地选线系统 ， 以便快速判断出故障点， 但其准确率并不很高。 对于中性点经小电阻接地系统 ， 当发生单相 接地故障时， 将出现很大的零序电流 ， 而在正常运 行情况下它们是不存在的， 因此 可以利用零序 电 流保护来准确判断出故障点， 并快速将其切除。 由于上海 电网 1 0 3 5 k V配电网呈辐射状 ， 零序 网络 比较简单 ， 而零序电流保护简单、 经济、 可靠 ， 受系统运行方式影 响较小， 是 中性点经小电阻接 地的最佳保护方式。 5 3 3种接地方式优缺点比较 中性点不接地方式对 于 1 0 3 5 k V 电网具 有运行维护简单、 经济， 单相接地时允许带故障运 行 2 h ， 供 电连续性好 ， 接地电流仅为线路及设备 的电容电流等优点 ， 但该方式对于电网电容电流 及负荷水平有严格 限制 ， 超过一定数值将引起 电 弧接地过电压 ， 因此使用范围有限 ， 上海电网应尽 早将其改造为消弧线圈接地或小电阻接地方式。 中性点经消弧线圈接地方式可以补偿 电容电 流， 保证接地电弧瞬间熄灭， 消除弧光间隙过电压 而不破坏电网的正常运行， 在单相瞬时故障时 ， 可 以提高供电可靠性 ， 但随着城市 电网规模 的不断 发展 ， 电缆线路越来越多 ， 电容电流不断增大 ， 消 弧线圈的补偿容量将越来越不够， 因此 补偿用消 弧线圈的容量也须不断增大 。 由于运行 中电容 电流随机性 的变化 范围很 大， 采用跟踪范围有限的自动调谐 ， 在机械寿命 、 响应时间、 调节限位等方面都难以满足这种频繁、 适时的大范围调节 的需求。由于电缆不能 自恢复 绝缘 ， 单相接地故障为永久故障 ， 消弧线圈对此不 能充分发挥作用。 而电缆的老化导致在单相接地故障 2 h处理 过程 中会很快转化为多点相 间接地故障， 这样 的 事例很多， 如 2 0 0 0年 2 2 0 k V海陆变 电站全停事 故， 就是 由于 3 5 k V 消弧线圈接地系统中有一回 出线电缆发生单相接地故障后不能迅速由保护切 除而转化为相问故障， 并引起其他出线电缆先后 故障， 最后导致 2台主变重瓦斯保护相继动作 ， 全 站停 电， 对系统和设备造成了极大的危害。 中性点经小电阻接地具有如下优点： ( 1 ) 能快速切除故障， 过电压水平低， 不易发 展谐振过电压 ， 可采用绝缘水平较低 的电缆和设 备。可采用金属氧化物避雷器减少绝缘老化 ， 提 高电网及设备可靠性 ， 减低火灾事故概率。 ( 2 )两点接地( 异相故障) 概率可减至最低 。 ( 3 )便于采用简单 、 有选择性和有足够灵 敏 度的继电保护 ， 且 自动清除故障 ， 运行维护方便 。 采用电阻接地系统后 ，