（电气工程专业论文）10千伏配电网中性点接地方式的选择.pdf

a b s t r a c t t h ed i f r e r e n c ea m o “gt h r e en e u t r a l 目o u n d i n gm o d e si sd i s c u s s e da n dt h em e r i t sa n d d e m e r i t so f 血e s em o d e sa r ec o m p a r e d t h ec 印a c i t a i l c ec u 丌n ti n1 0 k vs i d eo fd o n 西i a o s u b s t a _ c i o no fh u a i a nc i t yi sc a l c u l a t e da n dc o m p a r e dw n hm ea c n 】a lc i r c u m s t a n c e s i m u i a t e d c a l c u l 鲥o ni sp e r f b m l e dt oa n a l y z et l l er e g u l a ro v e r v o l t a g ei nd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，a tm es a m e t l r n e ，t h el i m i to f o v e r _ v o l t a g ei nd i 彘r e n tn e 岫嘲g m u n d i n gm o d e sh a sb e e nt a k e ni n t oa c c o 帅t t h ep a p e ra i s oc o m p a r e dm r e en e u t m l 口o u n d i n gm o d e s 舶mt h es t a b i l i t yo fe l e c t r i c n y p o w e rs u p p l y ，e l e c t r i cf a c i l i t i e s ，t l l el e v e lo fi i l s u l a t i o n ，t h ed i s t u r b a n c eo fc o m m u n i c a t i o n ，t h e p m t e c t i o ns y s t e ma 1 1 dt h es a f e t yo fo p e r a t o r a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ic i r c u m s t a l l c eo fd o n 西i a 0 s u b s t a t i o n ，t h es e l e c t i o no fg m u n d j n gm o d e si sv i ap e t e r s o nc o i lw m c hm a i l l 】yc o n s i s t so fa i i a u t o - t u 玎e dp e t e r s 彻c o i l t h ec 印a b i l 时卸do u t o f r e s o n a i l c eo f p e t e r s o nc o a r ec a l c u l a t e d k e y w o r d s ：d i s 打i b u d o nn 咖r k ，n e u t 咖，g r o u n d l m gm o d e 河海大学工程硕士学位论文第1 章绪论 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 配电网一般包括高压配电网、中压配电网和低压配电网。目前在实际应用的 电网中，运行较多的高压配电网主要指1 1 0 干伏和3 5 干伏电压等级的配电网， 个别负荷较重的工业区或商业密集区也有采用2 2 0 千伏电压等级进行配电的。中 压配电网主要指l o 千伏电压等级的配电网，个别区域也有采用2 0 千伏进行配电 的，如苏州工业园区，但其运行情况基本与1 0 千伏情况没有过大的差别。低压 电网专指3 8 0 伏或2 2 0 伏的接户电网，是分布最为广泛的供电网络，也是供电网 的终端网络，可以提供给大多数低压用户直接使用的供电网。而1 0 千伏配电网 在供电网络中地位非常重要，具有供电范围广、用户多、影响大的特点，供电可 靠性及电能质量至为重要。因此，研究提高1 0 千伏配电网持续供电能力有非常 重要的意义。1 0 千伏配电网的中性点接地方式对运行、特别对故障的发现和隔 离的影响又是其中关键的一环。 近年来，随着城市发展和电网建设的不断加强，1 0 千伏配电网得到了快速 的发展，电缆线路得到大量应用，也给原来以架空线为主的配电网带来了新的课 题。其中一个重要的问题就是配龟线路单相接地故障时接地点故障电流增大，不 易息弧，从而引发故障扩大和设备过电压绝、缘损坏等问题。 淮安供电公司东郊变电所是负担淮安市区城区东片供电的1 1 0 k v 变电站， 位于市区的东部，拥有一台1 1 0 k v 的三绕组的主变，主变容量为3 1 5 m v a ，三 个绕组的电压等级分别为1 1 0 k v 3 5 k v 1 0 w 。变电站的l o k v 侧分为i 段和i i 段母线，i 段母线带1 1 2 东风线、1 1 3 罐头线、1 1 4 胶鞋线三条主要线路，段母 河海大学工程硕士学位论文第1 章绪论 线带1 1 6 运南线、1 1 7 肉联线两条线路。由于负荷的增长，东郊变一台主变已不 能满足需要，按照计划，今年要对东郊变扩建第二台主变，扩建的撑2 主变容量 也为3 1 5 m v a 。 东郊变1 0 k v 侧的中性点原来是以不接地的方式运行，但随着目前东片城区 供电越来越多地使用电缆，导致1 0 k v 电容电流增大了很多，远远的超过了规程 规定的不接地系统的单相接地电容电流不能超过1 0 a 。采用中性点不接地的运行 方式已经不能满足供电系统运行的要求，因此需要对东郊变1 0 k v 侧的中性点接 地方式在扩建工程时一并进行改造，选择一种接地方式以满足运行的需要。因此 提出本课题进行研究。 1 2 中性点接地方式发展历史与现状 在各个国家的电力系统中，各级电压的电网中性点采用何种方式接地，是与 本国的国情，制造水平和运行水平，特别是自然条件是息息相关的。 在美国的电力系统中，经常采用能够快速切除故障的方式，因此一直采用中 性点直接接地和经低电阻、低电抗的接地方式，并配合快速继电保护和开关装置 瞬间跳开故障线路，由于系统大和每个电力公司经营考虑，故美国一直沿用至今， 在美国电力系统中2 2 7 7 k v 电网中直接接地占大多数，约有7 1 ，经电阻接 地或小电抗接地各占6 5 ，不接地l o ，消弧线圈7 。 前苏联曾规定3 6 6k v 电网中性点采用消弧线圈接地方式，莫斯科市配 电电缆网络至今仍是中性点经消弧线圈接地的运行方式。 日本的情况很不统一，日本各级电网除个别地区外，1 l 3 3k v 配电网中性 点接地方式大体如下：消弧线圈接地占2 8 ，电阻接地占3 0 ，直接接地占2 ， 河海大学工程硕士学位论文 第l 章绪论 不接地占4 0 。其采用电阻接地方式时，一般限制接地电流数值为1 0 0 2 0 0 a 。 东京电力公司所属配电网，其中性点接地方式为6 6k v 电网分别采用电阻、电 抗、消弧线圈接地；2 2k v 系统采用电阻接地方式。 德国和法国的做法也不相同，德国七十年代以前广泛地采用消弧线圈，积累 了丰富的经验，但在近期的资料中也提出了经电阻接地的方式，并规定单相接地 电流为o 0 5 0 1 的三相短路电流值，由于中压电网的短路电流值在2 0 k a 以下 所以接地电流约为1 0 0 0 2 0 0 0 a 。 法国中压电网在九十年代以前所遵循的方式是六十年代定制的，当时是为了 满足架空线电网的特性要求而定制，主要以低电阻接地为主要方式，近年来由于 地下电缆的增多和用户提供电能标准的改进，且与国际标准的协调，更好的控制 接地故障期间的过电压水平，通过现场实验和运行考验后决定，将全部的中压电 网的中性点改为消弧线圈接地方式( 又称谐振接地) 运行。 我国的1 0 k v 配电网络过去一直沿用中性点不接地或经消弧线圈接地方式 运行。我国的消弧线圈接地方式有了半个多世纪的运行实践，取得了良好的效果 和丰富的运行经验，电阻接地也是解决中性点接地方式的途径之一，随着电力网 络的扩大和城市中输电线路的入地化，电缆线路越来越多，电容电流越来越大， 限制单相接地故障电流变得非常迫切，当今我们又面临信息化时代，保障通信畅 通和防止通信干扰具有十分重大的意义”1 。 我国的有关规程标准中( s d j 一7 6 - 8 6 ) ，原来l o k v 电容电流大于3 0 a 才要装 设消弧线圈改为1 0 a ，并增加了发电机中性点采用谐振接地方式的明确规定。对 于6 弓5 k v 系统，中性点经低电阻接地作为一种可选方案，当单相接地电流较小 时，高电阻接地方式也为选择方案。 河海大学工程硕士学位论文 第1 章绪论 1 3 课题研究的意义 配电网量大面广，担负着直接为广大用户供电的任务，其中性点接地方式历 来就是一个比较复杂的系统工程。因此在选择某种接地方式时，必须充分考虑国 情和本地区特点、电网结构、供电可靠性要求、继电保护方式、配电设备绝缘水 平、人身安全和对通信干扰等因素，进行全面的分析和论证，按照因地制宜的原 则来选择，以免在技术上失误和在经济上造成损失。 目前，配电网现有接地方式存在的主要问题有： 1 中性点不接地电网发生单相接地时过电压倍数较高，而电缆和一些结构紧凑 型的高压设备绝缘水平较低，在长时间的过电压作用下一旦击穿很难恢复， 因而不宜带故障运行，使得供电可靠性下降。 2 中性点经消弧线圈接地也有一些不利的地方，如因为补偿使单相接地电流变 小，从而使继电保护实现由选择性的动作比较困难；容易发生谐振；随着电 缆长度的增加，电网电容电流增大，需要补偿的容量很大，很不经济。 3 单相接地时，非故障相稳态电压升高到线电压甚至更高使氧化锌避雷器长时 间( 带故障运行2 小时) 在工频过电压下运行容易损坏甚至爆炸。 4 发生人身高压触电引起单相接地故障时，因电源侧开关不跳闸，造成人员伤 亡事故。 中性点接地方式是一个非常复杂的问题涉及到电力系统运行和控制等许多 方面，主要因素如下： 1 、供电可靠性 河海大学工程硕士学位论文第1 章绪论 供电可靠性直都是最值得关心的问题，也是对电力系统的首要要求。我国城市电网诅 备一般比较陈旧，加上更新改造不快，除部分主要用户外供电多为单电源单回路方式，一旦 发生事故不仅会给国民经济带来损失，同时也给人民生活带来不便，但是随着城市电网的西 进，江苏等沿海地区的城市市区供电已采用手拉手接线方式，这样已大大提高了城市电网雕 供电可靠性，但如何提高供电可靠性仍然是放在晟首要的位置。 2 、人身安全 当发生单相接地故障时，接地故障点以及中性点接地装置附近都会产生接士也 电流以及跨步电压，容易发生人身安全事故，跨步电压越大，危险越大，跨步审 压的大小取决于接地点接地故障电流的大小，在考虑中性点接地方式的时候如伺 通过限制接地电流也是一个重要的参考指标。 3 、绝缘水平 电气设备的绝缘水平与中性点的接地方式是密切相关的。绝缘会影响到设名 的安全性和可靠性，以及投资的经济性。 4 、继电保护 小电流接地的继电保护问题一直是大的技术难题，在发生单相永久性接地彭 障时，由于接地保护很难正确地选择故障线路，需要进行人工拉闸检除故障，必 然会对用户造成停电，若自动重合闸不成功，停电的时间将会延长，这样对某些 重要用户是不允许的，现在利用微机计算速度快，灵敏度高和判断能力强的特点 使小电流保护的问题得到了很好的解决。 5 、通信干扰 通信干扰可由两种原因产生，均与中性点接地方式密切相关，如果零序阻封 较高，以电容耦合为主，较低则以电感耦合为主。 河海大学工程硕士学位论文第l 章绪论 因此可以看出，中性点接地方式的研究牵涉到电力系统的各个方面要很好地 解决这个问题需要从各个方面进行分析。 1 4 中性点接地方式的种类和比较 1 、中性点不接地方式 中性点不接地系统的优点是发生单相接地故障时，可以带故障运行0 5 以小 时，能保持线电压三角形不变继续供电，单相接地电流较小通信干扰小，但使非 故障相对地电压升高较大，单相接地存在电弧接地过电压的危险，容易造成绝缘 破坏，采用这种方式整个系统的绝缘水平和过电压保护装置费用较大，实现有选 择的接地保护很困难。另外还存在中性点不稳定，容易导致电压互感器铁芯磁饱 和以及激发中性点过电压，经常引起电压互感器烧毁和高压熔丝熔断事故。1 。 2 、中性点经小电阻接地方式 中性点经小电阻接地方式是在现代城网供电能力提高及断路器持续工作能 力加强的条件下采用的。在系统发生单相接地时，故障电流一般在1 0 0 a 2 0 0 a 之间。保护装置可以根据检测到的故障电流，快速切除配电系统中的接地线路。 中性点经小电阻接地保护装置实时在线监测线路的运行情况，一旦故障，则立即 切除故障线路。中性点经小电阻接地的保护工作原理见图1 1 。 6 河海大学工程硕士学位论文第l 章绪论 图卜l 中性点经小电阻接地的保护工作原理 中性点经小电阻接地方式的主要优点有 1 1 可以降低单相接地工频电压，抑制弧光接地过电压，消除p t 谐振过电 压和大部分断线谐振过电压。 2 ) 能实现快速切除故障，大大缩短过电压的持续时间，避免事故扩大。 3 ) 中性点经电阻接地，为1 0 k v 电网中使用残压较低的氧化锌避雷器创造 了良好条件。其参考电压可选择1 7 k v ，雷电冲击水平明显低于普通阀式 避雷器，对各类设备( 包括绝缘水平低于我国标准的进口设备) 和避雷 器冲击残压之间配合系数在1 9 5 以上，安全裕度相当大。 中性点经小电阻接地目前所面临的问题为： 1 ) 对于架空线或架空线与电缆混合运行的配电网，单相瞬时接地跳闸率大 河海大学工程硕士学位论文第l 章绪论 大增加。如果没有安装自动重合闸或没有备用支路，则将降低供电可靠 性。即使使用自动重合闸，开关频繁动作，势必影响开关寿命及增加检 修工作量。 2 ) 继电保护及自动装置必须有较高的灵敏度和可靠性，否则易造成越级跳 闸扩大事故。 3 ) 对通讯和信号系统形成干扰。 3 、中性点经高阻接地方式 中性点经高电阻接地方式的主要优点： 1 1 能抑制高幅值弧光接地过电压。 2 1 能消除各种因电磁式电压互感器饱和所激发的铁磁谐振过电压及电源侧 断线谐振过电压。 3 1 无需改变高电阻值。 4 1 允许带接地故障长期运行( 电阻需冷却) 。 5 ) 无间隙m q a 运行在这种电网的电源侧是安全的。 中性点经高电阻接地方式的缺点： 1 1 在带接地故障运行时，电阻消耗能量大，需要安装冷却装置。 只会增加接地故障电流，故没解决熄弧问题。 由于间隙性弧光接地时接地电流中有很大的高频分量，使得用零序方向判别 故障线路的方法易引起零序继电器误动。 4 、中性点经消弧线圈接地方式 消弧线圈相当于一个可调电感，它装设于变压器或发电机的中性点。当系统 河海大学工程硕士学位论文第1 章绪论 发生单相接地故障时，可形成一个与接地电容电流大小接近但方向相反的电感电 流，使接地电流变得很小甚至等于零，从而消除接地电弧的危害。同时，在电流 过零电弧熄灭后，如果有消弧线圈存在还可以显著减小故障相电压的恢复速度 减小重燃的可能性。目前大多数自动补偿消弧 图卜2自动补偿消弧线圈成套装置的工作流程 线圈成套装置还具有小电流接地选线功能，当系统发生单相接地故障时能够自矽 选出故障线路并提供故障信息。自动补偿消弧线圈成套装置的工作流程见图l 一2 中性点经消弧线圈接地方式的主要优点： 1 1 消弧线圈补偿单相接地时故障点的电容电流，降低故障点电压上升速率 使电弧及时熄灭，从而防止产生弧光接地过电压以及电弧发展成两相司 河海大学工程硕士学位论文 第1 章绪论 三相短路。 2 ) 中性点经消弧线圈按地后，能有效地防止p t 饱和引起铁磁谐振过电压。 由于消弧线圈的电感值l d 远比p t 的励磁电感l 为小，回路的零序自振 频率决定于l d 和3 c o ，p t 引起的谐振现象也就不可能发生。1 。 表1 一l 各种接地方式的比较 接地方式不接地消弧线圈高阻接地低阻接地直接接地 暂态过电压倍 3 ，2 倍 i 整个系统仍为容性系统接地电流过零时间仍然是半个周期，熄弧后 j l 系统的储能将在三相对地电容和消弧线圈电感之间相互转换，整个系统的电压 并不能降下来因此这种系统的过电压值比较高但比不接地系统要小，因为线路 对地电容和消弧线圈的电感和线路电阻构成衰减的振荡回路故障相的电压难以 上升，详见表3 8 。 河海大学工程硕士学位论文 第3 章东郊变电所单相接地故障的运行分析 表3 8 中性点经消弧线圈接地的工频熄弧计算 电感值qu nu b lu c l o 8 1 3 21 7 22 3 22 6 8 0 7 1 0 11 7 02 2 82 6 2 3 3 3 高频熄弧理论的过电压分析 高频熄弧的情况和工频熄弧类似，和工频熄弧稍有不同的是高频熄弧的接 地电流过零时间要比工频熄弧早，一般来说，系统的固有振荡频率要比电源的 频率高的多，在接地后的一段时间内，高频电流占主要的部分，因此要比工频 熄弧的时间提前，以上的分析都只考虑了接地电流的一部分，但事实上的接地 电流是工频电流与高频电流共同作用的结果，在接地初期，虽然高频电流分量 比工频电流分量大很多，但工频电流确实存在且有影响，而在过了半个工频周 期后，工频电流比较大，但高频电流仍然存在，只是影响较小。 1 中性点不接地方式 对于不接地系统，在接地初期，由于高频分量占主要部分，接地电流多次 过零熄弧时间选取非常重要。 表3 - 9 中性点不接地的高频熄弧计算 u nu a l u b l u c l 3 ，0 93 0 33 7 04 2 l 从表3 9 中的结果可以看出，当在线路的末端发生接地时，非故障相的过 电压很大达到了4 2 倍，比工频熄弧的过电压大不少。 2 中性点经电阻接地方式 河海大学工程硕士学位论文第3 章东郊变电所单相接地故障的运行分析 对于高电阻接地系统，发生单相接地故障时，接地电弧在高频过零时熄灭 健全相对地电容上的电荷不仅要对故障相的电容充电，同时好要经中性点的高 电阻泄放，所以过电压水平比不接地要低。但中性点电阻较大，泄放较慢，在 下一次重燃时还没有泄放完毕，以致过电压还有较高的值，最大值达到3 8 倍 ( 见表3 一l o ) 。 表3 1 0 中性点经电阻接地的高频熄弧计算 电阻值q u n u a lu b lu c l 1 0 0 0 2 2 0 2 6 43 7 0 3 5 0 2 0 0 02 2 42 7 03 7 63 5 6 5 0 0 02 3 62 7 73 8 03 6 2 3 中性点经消弧线圈接地方式 中性点经消弧线圈接地时，同不按地系统一样，高频电流占主要部分。由 于消弧线圈在暂态和稳态时均相当于一个大阻抗，对过电压的发展影响不是很 大也不能够很好地限制过电压的幅值，这是因为消弧线圈是用来补偿稳态时的 电容电流，促进电弧熄灭的。因为正常运行时消弧线圈一般处于过补偿状态这 里只计算这种补偿方式下情况。电感取l = 0 7 0 7 1 h 。 表3 - 1 l 中性点经消弧线圈接地的高频熄弧计算 电感值u nu a lu b lu c l o 7 0 7 1 h1 6 91 3 52 4 72 9 9 表3 一l l 是中性点经消弧线圈接地的高频熄弧计算结果。从表中的结果可以 看出，电压比不接地系统有所降低最大值为2 9 9 倍。 河海大学工程硕士学位论文第3 章东郊变电所单相接地故障的运行分析 从上面所有分析计算可知，不接地方式下的过电压水平最高，因此相对的 绝缘水平也应该最高，消弧线圈接地方式的过电压水平较不接地系统低因为对 地电容消弧线圈以及线路的电阻构成了个衰减振荡回路，一定程度上限制了 过电压的上升。高电阻的过电压也与不接地方式类似，但由于泄放作用不明显 过电压仍然较高“。 河海大学工程顶士学位论文第4 章消弧线圈接地方式的确立以及参数选择 第四章消弧线圈接地方式的确立以及参数选择 4 1 消弧线圈接地方式的确立 结合上一章的对各种不同接地方式的仿真分析，以及东郊变电站的运行实际 情况，这一节将结合可靠性、人身安全、绝缘水平、继电保护、通信干扰和设备 安全等考虑因素对各种接地方式进行进一步的分析。 4 1 1