（电气工程专业论文）10kv配电网混合接地方式运行研究.pdf

r e s e a r c ho nh y b r i dg r o u n d i n gr u no flo k vd i s t r i b u t i o nn e t w o r k b y s h e nj i a n q i a n g b e ( v ic h u nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 7 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rz h a n gz h i w e n a p r i l ，2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 储躲中定理、 魄圳年j 月 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“) 作者签名： 导师签名： 日期： 日期： q 夕 月月 一 r 卜 年年 ， ， 川加 1 0 k v 配电网混合接地方式运行研究 摘要 配电网中性点接地方式的选择是一个综合性技术问题，必须考虑配电网系统 的稳定性、安全性和经济性等要求。1 0 k v 配电网接地方式主要有中性点不接地、 中性点经消弧线圈接地以及中性点经电阻接地等，不同的接地运行方式各有其优 缺点。本文重点研究了中性点经消弧线圈接地和经小电阻接地两种方式混合运行 时的特殊问题。 本文首先对配电网的几种接地方式进行介绍与理论分析，重点介绍了中性点 经消弧线圈接地和小电阻接地两种运行方式，对这两种接地方式进行了原理分析、 和理论计算。针对单相接地故障，考察了不同过渡电阻值对系统电气量的影响， 归纳得到了各自不同的运行特点，+ 将理论计算与仿真结果进行了分析对比。 其次分析了单相故障下配电网中性点经消弧线圈接地和小电阻接地系统的特 性，介绍了保护原理及保护配置方案，重点讨论了小电阻接地系统保护方案的配 置原则。 主要以某市需进行改造的变电站和相邻变电站的实际参数为依据建立 p s c a d 电力系统混合接地仿真模型，研究了不同故障地点对消弧线圈接地和小电 阻接地系统合环运行的影响，同时也对两个小电阻接地系统合环运行进行了研究。 通过研究，得出了混合接地系统运行的一些特点，提出了混合接地系统运行建议 和保护配置方案的一些改进措施。 论文最后以需进行改造的变电站的实际改造工程为例进行了相关设计，给出 小电阻和接地变压器的选型方案，以及保护配置改造方案，为小电阻接地方式的 运用提供了参考，具有工程应用价值。 关键词：小电阻接地；消弧线圈接地；混合接地方式；零序电流保护；单相 接地故障 i i a b s t r a c t t h en e u t r a lg r o u n d i n gm o d eo ft h ed i s t r i b u t i o n i sac o m p r e h e n s l v et e c h n l c a l d r o b l e mw h i c ha s s o c i a t e dw i t hs t a b i l i t y ，e c o n o m i c ，s e c u r i t ya n do t h e r v a r l o u sa s p e c t s t h en e u t r a lg r o u n d i n g m o d eo ft h e10 k vn e t w o r k i n v o l v e do fn og r o u n d i n g ， g r o u n d i n gb yr e s o n a n c eo rr e a c t a n c eg r o u n d i n g ，d i f f e r e n tg r o u n d i n g o p e r a t l o nm o d e s h a v et h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s t h i sp a p e rf o c u s e s o nt h es p e c l a l l s s u e s a b o u th y b r i dr u n n i n go fr e s o n a n tg r o u n d i n ga n dl o wr e s i s t a n c eg r o u n d i n g f i r s t l v ，i nt h i sp a p e r ，t h em e t h o d so fd i s t r i b u t i o n n e t r a lg r o u n d i n ga r et 0b e i n t r o d u c e da n da n a l y z e d i n t h e o r y s r e s o n a n t g r o u n d i n g a n dl o wr e s l s t a n c e g r o u n d i n ga r ef o c u s e do nw i t hp r i n c i p l ea n a l y s i s a n dt h e o r e t i c a lc a l c u l a t l o n s ih e e f f e c t sa b o u te l e c t r i c a lq u a n t i t i e so fs y s t e ma r ei n v e s t i g a t e dw i t hd i f f e r e n tt r a n s i t i o n r e s i s t a n c e f o r s i n g l e g r o u n d i n gf a u l t d i f f e r e n t o p e r m i n g c h a r a c t e n s t l c s a r e s u m m a r i z e d t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d s i m u l a t i o na r ec o m p a r e d s e c o n d l y ，a n a l y z e st h ed i s t r i b u t i o n n e t w o r ku n d e rs i n g l e p h a s ef a u l tn e u t r a l g r o u n d i n gv i aa r cs u p p r e s s i o nc o i la n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f l o wr e s i s t a n c eg r o u n d i n g s v s t e m ，d e s c r i b e st h ep r i n c i p l eo fp r o t e c t i o na n dp r o t e c t i o ns c h e m e ，f o c u s e d o nl o w r e s i s t a n c eg r o u n d i n gs y s t e mc o n f i g u r a t i o no ft h ep r i n c i p l eo f c o n s e r v a t l o np r o g r a m s t h i r d l v w i t hp r a c t i c a lp a r a m e t e r so ft w os u b s t a t i o n s a st h eb a s i s ，ah y b r l d g r o u n d i n gm o d e lw a se s t a b l i s h e db ys y s t e m a t i c s i m u l a t i o ns o f t w a r ep s c a d ，t h e i m p a c to fd i f f e r e n t f a u l tl o c a t i o ni nh y b r i dg r o u n d i n gs y s t e mi s s t u d l e d ，a n dt n e c o o p e r a t i o no f t w ol o wr e s i s t a n c eg r o u n d i n gs y s t e m i s s t u d i e d ， g e t s o m e c h a r a c t e r i s t i c so ft h eh y b r i dg r o u n d i n gs y s t e m s t h ep a p e r p u tf o r w a r dp r o p o s a l s a n d s o m ei m p r o v e m e n t so fp r o t e c t i o ns c h e m et or u n t h eh y b r i dg r o u n d i n gs y s t e m f i n a l l y ，t h ep a p e rm a k e saa s s o c i a t e dd e s i g na b o u tt h ea c t u a lr e n o v a t l o np r o j e c t o fl u oj i a z u it r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n s m a l lr e s i s t o ra n dzt r a n s f o r m e ra r es e l e c t e d p r o t e c t i o np r o g r a mi sc o n f i g u r e d t h e s ew o r k sg e tas t r o n gr e f e r e n c ea b o u t e x t e n s l v e u s eo f1 0 wr e s i s t a n c eg r o u n d i n g t h ep a p e rh a s as t r o n ge n g l n e e n n ga p p l l c a t l o n v a 】1 l e k e y w 。r d s ：l o w r e s i s t a n c eg r o u n d i n g ；r e s o n a n tg r o u n d i n g ；h y b r i dg r o u n d i n g ； z e r os e q u e n c ec u r r e n tp r o t e c t i o n ；s i n g l ep h a s ee a r t hf a u l t m 1 0 k v 配电网混合接地方式运行研究 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第l 章绪论l 1 1 选题背景与意义1 1 2 配电网中性点接地方式的发展和现状2 1 2 1 国外中性点接地方式的发展和现状2 1 2 2 国内配电网中性点接地方式发展与现状3 1 3 本文的主要内容及创新点5 第2 章配电网不同接地运行方式分析7 2 1 中性点不接地运行方式分析7 2 2 中性点经消弧线圈接地运行方式分析9 2 2 1 接地变压器的结构及其特点1 0 2 2 1 中性点经消弧线圈接地系统分析1 3 2 3 中性点经电阻接地系统1 5 2 4 本章小结17 第3 章配电网消弧线圈和小电阻接地系统故障比较及保护配置1 9 3 1 消弧线圈和小电阻接地系统单相接地故障分析与仿真1 9 3 1 ：1 消弧线圈接地系统单相接地故障理论分析及仿真1 9 3 1 2 小电阻接地系统单相接地故障分析及仿真2 4 3 1 3 消弧线圈和小电阻接地系统接地故障对比及特点分析3 2 3 2 消弧线圈和小电阻接地方式下保护配置方案分析：3 3 3 2 1 消弧线圈接地系统保护方案分析3 3 3 2 2 小电阻接地系统保护方案分析3 6 3 3 本章小结4 1 第4 章配电网混合接地运行仿真分析4 2 4 1 混合接地系统理论分析4 2 4 2 混合接地网络仿真模型建立4 3 4 3 小电阻系统侧单相接地故障仿真分析4 5 4 4 消弧线圈侧单相接地故障仿真分析4 9 4 5 两个小电阻接地系统合环分析5 3 4 6 混合接地方式系统保护方案改进与设置5 6 i v 硕士学位论文 4 6 本章小结5 7 第五章某市某变电站小电阻接地改造与实施5 8 5 1 改造工程主要设计内容5 8 5 1 1 小电阻装置阻值选定与安装5 8 5 1 2 z 形变压器容量选择与改造6 0 5 1 3保护设置与保护装置改造6 1 5 2 后期工作6 2 结 仑6 4 全文总结6 4 工作后续展望6 5 参考文献6 6 致 射：7 0 v 硕士学位论文 1 1 选题背景与意义 第1 章绪论 电力系统是电能生产、变换、输送、分配和使用的各种电力设备按照一定的 技术与经济要求有机组成的一个联合系统。电力系统经中性点接地保证系统设备 具有较好的运行工况，对设备及电力系统网络的正常运行提供了保障【l j 。 电力系统发展初期，由于电力系统的总容量较小，电压较低，工频电压升高 又是绝缘故障的主要原因，所以最初一般都采用直接接地方式运行。随着电力系 统结构的变化及容量的增加，中性点不接地方式得到应用。随后为防止弧光接地 过电压引起的故障扩大，德国等国率先采取中性点经消弧线圈接地方式，美国等 国家采用了中性点直接接地或者经电阻接地方式，这些国家多采用的中性点接地 方式对后来世界电力系统中性点接地方式的发展产生了相当大的影响【2 j 。 同样我国电力系统接地方式也受到了来自世界的影响，早期我国尝试了不同 种接地方式，但由于电力网络的落后且未对现实状况做充分了解调查，所以运行 状况欠佳【3 】。改革开放以来，科技水平的提高，配电网成高速发展趋势，网络结 构不断扩大，配电网中电缆线路的比例逐年上升，使系统的电容电流数值大幅度 增加，使得电力系统的运行日趋复杂化，影响了电网安全、可靠运行。因此，对 中性点接地方式进行系统深入地研究是十分必要的。 我国供电部门也开始对配电网中性点接地方式给予高度重视，相继组织科研 力量对该问题展开研究与讨论。电力系统的中性点接地方式即是个综合性的技术 问题又是个经济问题。如何选定接地方案，需要对系统的现实状况与未来发展规 划进行详细的技术上和经济比较分析，以较高的技术经济指标来衡量接地方式选 择的正确性。同时电力系统中性点接地方式的选择是个系统工程问题，经长期实 践运行，我国电力行业也积累了一些成功运行经验。但随着我国国民经济的发展， 城市配电网开始采用以电缆出线为主、架空出线为辅的电网结构模式；为了提高 供电可靠性，配电网采用了环网供电、多电源供电方式，网络越来越复杂；同时， 一些新型的电气设备运用，使得原来的中性点接地方式在某些方面不能满足电力 系统的可靠稳定要求【4 j 。 1 对于中性点不接地系统： 单相接地故障点电弧发生间歇性的熄灭或重燃，产生弧光接地过电压，长时 间出现会击穿电气设备绝缘薄弱点；持续电弧击穿空气的绝缘，容易造成相间短 路。如果发生铁磁谐振过电压，容易烧坏电压互感器等设备 1 0 k v 配电网混合接地方式运行研究 2 对于中性点经消弧线圈接地系统 单相接地故障时，电气设备若在升高的稳态电压下运行时间达2 h 以上，则不 仅会导致绝缘早期老化，且会引起多点故障；对于配电网的电容电流不断增大的 趋势，补偿用消弧线圈的容量也随之增大，消弧线圈设备的投入成本也是巨大的 【5 1 ；对于非自恢复性的电缆线路，若发生单相接地故障，一般是会是永久性故障， 不允许继续运行，必须迅速切除故障，避免事故扩大【6 】。 3 对于中性点经电阻接地 中性点经电阻接地系统发生单相接地后，对于中小电阻接地系统，故障点电 流较大，线路零序电流大，配备的继电保护装置能迅速地检测并切除故障回路， 中性点经小电阻接地能有效地降低发生单相接地故障时的工频过电压，其最大工 频过电压为2 5 倍最大相电压【7 1 ，由于电阻接地下故障电流大，对通信及人身安全 有影响，对于瞬时故障来说降低了供电可靠性，但电缆接线一般为永久性故障， 所以中性点经电阻接地更适用于以电缆线路为主的系统。 因此在选择接地方式时，必须充分考虑地区特点、电网结构、供电可靠性、 电气设备绝缘水平、继电保护设置、人身安全和对通信干扰等因素，还要考虑其 经济性，对各方面进行分析和论证，以免给电网带来不稳定因素和在经济上造成 不必要的损失。 综上所述，为适应城市电缆电网发展的需要，便于电网故障的监测，针对lo k v 配电网络，经综合考虑以电缆线路为主的电网宜采用中性点经电阻接地。对新旧 变电站区别对待，对于旧站改造要考虑到现有变电站设备的充分利用，避免浪费； 而对新建接地系统直接采用小电阻接地；当前国内对中性点电阻接地方式的研究 大多是针对具体系统进行的，还没有制定统一的标准，其中有许多问题还值得探 讨，比如中性点电阻阻值及其技术参数的合理选取、零序电流保护的具体配置和 参数整定等。在城市配电网接地方式改造期间，不同接地方式同时存在，必将对 环网供电，多电源供电产生一定的影响，所以混合接地方式运行研究也是十分有 必要的。本文以国网公司现实科学技术项目“l o k v 配电网小电阻接地系统特殊问 题研究 为依托，对上述问题进行研究，重点对混合接地方式运行进行研究，具 有一定的理论意义和实用工程价值。 1 2 配电网中i 生点接地方式的发展和现状 1 2 1 国外中性点接地方式的发展和现状 国际上中性点接地方式并不统一，不同国家和该国的不同地方也不完全相同， 电网中性点接地方式主要是根据本国和本地区的运行经验和传统来确定的，下面 主要介绍国外的几个国家的研究情况。 2 硕士学位论文 俄国一般采用不接地或经消弧线圈接地方式，前苏联规1 0 k v 电网单相接地电 流小于2 0 a 采用中性点不接地方式，单相接地电流超过上述值，则需要采用中性 点经消弧线圈接地方式【8 】。德国是消弧线圈的发源地，在消弧线圈接地运行方面 积累了丰富的经验，但随着电缆线路的广泛应用，电容电流值随之增加，目前主 要采用中性点经电阻接地的运行方式【9 】。美国在3 0 k v 及以下的电网，以快速切除 故障线路的接地方式为主，目前城市配电网中中性点直接接地或经低电阻接地的 方式占7 1 ，经消弧线圈接地方式的则占1 2 ，不接地的占1 0 5 t 引。法国城市配 电网的标称电压为2 0 k v ，早期架空线为主的电网，主要采用了中性点经电阻或电 抗接地方式。8 0 年代后法国进一步与国际标准相协调，为了更好的降低故障期间 的过电压水平，经现场实验和运行考验后，将城市和农村全部中压电网( 包括纯电 缆网络、架空线路电网和混合线路电网) 均采用中性点经消弧线圈接地的运行方 式。近邻日本1l 一3 3 k v 电压等级的配电网中性点接地方式中经小电阻接地方式的 占3 0 ，将接地电流数值限制在1 0 0 2 0 0 a 范围内，消弧线圈接地方式则占2 8 。 综观国外经济发达国家城市配电网中性点接地运行方式可知，国外中压配电 网中性点接地方式主要是经消弧线圈和经电阻接地两种运行方式，具体选择的方 式依据国家的不同以及国家不同地区的差异而不同，与其国家的制造水平、线路 特点、运行方式以及自然环境条件等密切相关【1 0 】。 1 2 2 国内配电网中性点接地方式发展与现状 参照前苏联的电网规定，我国建国初期规定3 6 6 k v 电网中性点接地方式主要 采用不接地和经消弧线圈接地这两种方式。随着新中国的不断发展，配电网中电 缆线比重增加，伴随电容电流不断增大，同时运行方式存在经常变化的情况，消 弧线圈补偿存在困难，当发生单相接地故障时间较长时，往往会发展成为两相短 路故障。针对消弧线圈补偿的弱势，国内开始重新考虑合适的接地方式，1 9 8 7 年， 为了满足l0 k v 电缆较低的绝缘水平，广州部分变电站率先采用了低电阻接地方 式。在此后国内一些城市1 0 k v 配电网也相继进行了中性点接地方式的改造，例如 北京、上海、天津、深圳和苏州等城市也先后采用了中性点经低电阻接地运行方 式。与此同时，随着电力电子技术的发展，以往以消弧线圈运行方式为基础的变 电站也开始推广使用自动跟踪、自动调谐的消弧线圈接地新系统，使配电网能更 好的处于最佳补偿状态下【1 1 1 。自动跟踪补偿式消弧线圈装置与微机保护、故障选 线装置等相配合，成为研究的热点。 许多大城市如北京、厦门、重庆等地的供电部门也开始对中压配电网中性点 接地方式给予高度重视，相继组织专家科研力量展开研究与讨论。由于中性点经 低电阻和经消弧线圈接地各有其优缺点，特别是自动跟踪补偿消弧线圈装置的出 现，使得目前我国1 0 k v 配电网中性点运行方式的选择仍然存在较大的争议。 3 1 0 k v 配电网混合接地方式运行研究 国家电力行业标准交流电气装置的过电压保护和绝缘配合，对3 3 5 k v 系 统接地方式和运行中出现的各种电压的做出了相关规定，归纳总结如下： “3 k v - - 1 0 k v 不直接连接发电机的系统和3 5 k v 、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【l2 j ： ( 1 ) 3 k v 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 k v 、 6 6 k v 系统，1 0 a ； ( 2 ) 3 k v - 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：6 k v 时，3 0 a ；1 0 k v 时，2 0 a ；3 k v - - 1 0 k v 电缆线路构成的系统，3 0 a ； 6 k v - - 3 5 k v 以电缆线路为主的送、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、瞬态电流 对电气设备的影响、对通信的影响和继电保护技术要求以及本地的运行经验等； 6 k v 和1 0 k v 配电系统以及发电厂厂用电系统，单相接地故障电容电流较小 时，为防止谐振、间歇性电弧接地过电压等对设备的损害，可采用高电阻接地方 式。” 下面简单介绍下国内几大城市配电网中性点接地方式的具体发展情况，来说 明我国目前中性点接地的研究现状和发展趋势： 北京市总结现实状况与以往运行经验，正逐步把电缆线路为主的配电网改为 中性点经低电阻接地方式。四环内的配电网率先改造为中性点经低电阻接地，据 了解目前有5 座变电站投入运行，且运行情况良好；上海市配电网的特点是结构 复杂，用电负荷大，中性点为不接地、电阻接地和电抗接地3 种方式都存在与电 缆线路为主的1 0 k v 配电网中，3 5 k v 网络主要以消弧线圈和电阻接地为主【l 3 1 。 广州市区1 0 k v 配电网也以电缆线路为主，部分地区率先采用经低电阻接地的运行 方式，运行状况正常；深圳市1 0 k v 配电网电缆线路占较大比重，电容电流也较 大，目前7 个11 0 k v 变电站采用了小电阻接地方式，根据多年运行情况来看，其 线路零序保护正确动作跳闸成功率达到了1 0 0 ，避免了相间短路事故，运行良 好【14 1 。 长沙市：长沙市配电网在九八年以前全部基本以中性点不接地方式为主，随 着电网的大幅改造，电缆线路的大量使用，原有中性点不接地系统逐渐不能满足 电网安全稳定运行的要求，为此近些年绝大多数城区变电站改造为中性点经消弧 线圈接地方式运行。最近几年城市配电网开始进行城网改造，大量应用电缆。2 0 0 7 年，长沙城区纯电缆配电线路超过1 0 0 条，电缆总长度达到1 4 9 9 公里，电缆率达 到5 0 4 。随着电缆线路的增多，长沙配电网电容电流的不断增大，中性点经消 弧线圈接地方式的弊端也突现出来，长沙配电网开始对原有接地系统进行改造， 开始采用低电阻接地方式运行【1 4 】。 4 硕士学位论文 综观国内几大城市配电网中性点接地运行方式可知，随着城市电网的高速发 展，中性点经电阻接地的运行方式的优点日益凸显，且运行效果良好，是未来的 一种发展趋势。系统经小电阻接地后，能有效地降低过电压幅值，迅速切除故障 线路，缩小故障范围，但其供电可靠性也受到影响。目前国内对中性点接地方式 的研究也主要是针对具体系统而言，并未形成统一标准，其中还有许多具体问题 有待研究。 1 3 本文的主要内容及创新点 本文通过对1 0 k v 配电网变电站中性点接地方式的分析研究，为适应城市电 缆线路电网的发展的现实情况，基于目前变电站1 0 k v 中性点接地情况、主变容 性电流现状和变电站运行状况及其相关具体问题，对1 0 k v 配电网接地系统的选 择进行讨论，运用理论知识对不同接地方式进行理论分析，且对不同接地方式下 的单相接地故障情况进行理论分析，研究不同接地系统的保护配置，特别是在变 电站接地方式改造过程当中，出现新老变电站中性点不同接地方式同时存在的情 况，对可能出现的新的特殊问题进行研究分析，并且为老变电站接地系统的改造 方案和新建变电站接地系统的建设提供参考，同时也为不同接地系统混合运行提 供参考。 本文以国网公司实际科学技术项目“l0 k v 配电网小电阻接地系统特殊问题研 究 为依托，以湖南省某市某变电站小电阻接地改造工程为研究对象，对需进行 改造的变电站的现实情况进行相关调查，获取相关参数，根据实际状况进行理论 分析，选取中性点接地方式为小电阻接地运行，提出了相关改造方案，装置选取 方案及保护方案。同时运用电力系统仿真软件p s c a d ，利用需进行改造的变电站 及其相邻变电站的实际参数建立仿真系统，进行故障模拟分析，重点对不同接地 方式系统混合运行时，单相接地故障所产生的现象以及接地故障对保护装置的影 响进行相关的研究，特别是对小电阻接地系统零序电流保护的影响。 本文主要内容分为以下几个部分： 1 、介绍目前国内外中压配网接地系统的发展和现状，对国内配电网线路的发 展和中性点接地方式的改变进行了阐述，对不同中性点接地方式进行优缺点的比 较，对选取接地方式的标准进行讨论。 2 、配电网接地系统的基础分析 论述了现有的配电网接地系统运行方式种类，阐述每种接地方式的基础理论， 对不同接地方式系统发生单相接地故障进行理论分析。重点讨论中性点经消弧线 圈接地和小电阻接地方式，对这两种接地方式单相接地故障问题进行理论分析， 运用电力系统仿真软件p s c a d 进行仿真验证，研究不同接地故障过渡电阻值对 不同接地方式系统的影响，对比讨论了各自的特点。同时讨论了两种接地方式的 6 硕士学位论文 第2 章配电网不同接地运行方式分析 电力系统是电能生产、变换、输送、分配和使用的各种电力设备按照一定的 技术和经济要求有机组成的一个联合系统。一般由发电厂、变电所、输配电线路 及用户组成。 。 一般可以把电网中性点的接地方式分为有效接地和非有效接地这两大类【l 习： ( 1 ) 有效接地：有效接地包括中性点直接接地、中性点经低电阻接地和中性点 经小电抗接地。单相接地故障时，有效接地方式故障相电流较大，所以系统中的 电气设备要求有较高的绝缘强度及热稳定性 1 6 1 ； ( 2 ) 非有效接地：非有效性接地包括中性点经消弧线圈接地、高电阻接地、高 阻抗接地和中性点不接地。非有效接地方式单相接地故障接地电流较小【l 们。 下面分别介绍不接地，消弧线圈接地，小电阻接地这三种典型的接地方式的 基本原理及发生单相接地故障时原理分析。 2 1 中性点不接地运行方式分析 中性点不接地系统是最简单的电网接地方式，其中性点与大地绝缘，没有任 何人为的电气连接，这种接地方式的配电网是通过电网线路对地电容接地的。我 国农村地区1 0 k v 辐射形或树状形的供电架空线网络通常采用不接地方式。当发 生单相接地故障时，各相间的电压大小和相位维持不变，三相系统仍旧具有平衡 性，允许继续运行1 2 小时左右，单相接地电流与负荷电流相比不大，因而对用 户供电并无影响，这是这种不接地运行的主要优点【l 刀。但长时间单相接地是不允 许的，必须在较短时间内迅速发现并消除故障，因为此时非故障相电压升高，很 可能击穿绝缘弱点，发展成为多相短路接地故障，将严重损坏电气设备。所以必 须设置专门的监视设备，以便及时发现单相接地故障。当线路长度较短时，接地 电流的数值也较小，一般不能形成稳定的接地电弧，因此能迅速熄灭而无须跳闸， 此时供电可靠性较高。当线路长度较长时，电容电流也较大，可能出现持续接地 电弧，或者产生间歇性电弧使系统产生过电压，因而对整个电力网的绝缘水平要 求较高，加重了绝缘方面的投资【1 7 】。从这点来看不接地运行方式的优越性就很难 体现。可以总结出此方式适用于电容电流不大的电力系统中。 目前我国中性点不接地电力网的适用范围如下： 1 ) 3 1 0k v 电网中，当单相电流小于3 0 a 时； 2 ) 2 0 6 0 k v 电网中单相接地电流小于1 0 a 时。 经证实电缆线路的对地电容要比架空线路大许多，当变电所出线多、线路长， 7 图2 2a 相单相接地故障时系统电压电流向量分析图 若单相接地故障为金属性接地，即图2 1 中心= 0 这种情况。可得到： 8 硕士学位论文 u 4 = 0 5 疗 u b = e b e a = q 3 e 一1 6 厂- 一，一 5 石 e c = 易一乓= 4 3 p a e l 一 ，一 且系统的零序电压： 1 u o = ( + + ) = 一e j 假设每相对地电容为c ，三相对地电容相等，此时可得 r石 i b = o b j 必= 矗意心i j j 12 石 【丘= 眈j o c = , f 3 p 。g o c e 吖了 a 相故障点短路电流： ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) = + 七= 一i a = 3 e a c o c eo ( 2 4 ) 由计算结果得到，发生单相接地金属性故障时： ( 1 ) 非故障相电压的幅值是增加为正常时相电压的3 倍，同时非故障相对地 电容电流也增加为原来的3 倍。 ( 2 ) a 相短路电流为b 、c 两相对地电容电流之和，方向由线路流向母线。 ( 3 ) 零序电压幅值变为正常相电压幅值。 若单相接地存在接地电阻，即r 。0 ，就要考虑接地电阻上的电压矽。 此时零序电压为： 吼- ( - 邑i i l 志= _ 二j t 0 3 c l r g + 1 ( 2 5 ) 二一十r j l u 。 j m 3 c 5 短路电流为： t = 归3 c = 3 u 。o c e 7 j = 3 j w 3 l c r g + 1 国c e 一j ( 2 6 ) 2 2 中性点经消弧线圈接地运行方式分析 现如今随着城市化进程的加快，配电网结构也随之变化，电缆线路在城市配 网中有了越来越多的应用，使得线路的电容电流不断增大，一旦发生单相接地故 障，流过接地点的故障电流也随之增大许多，当接地电流在1 0 a 3 0 a 左右时，将 会产生不稳定的间歇性电弧；当接地电流超过3 0 a 时，将产生稳定的电弧，形成 持续性的电弧接地。因此为了减小接地电流，配电网中采用了中性点经消弧线圈 的接地方式，由于消弧线圈可以看成是一种补偿的装置，通常也可称之为补偿接 9 1 0 k v 配电网混合接地方式运行研究 地系统，同时经消弧线圈接地的电力系统，也可称为谐振接地系统；由于通常城 市变电所主变压器1 0 k v 侧为三角形接线，无中性点引出，需人为建立一个中性 点，以便在中性点接入消弧线圈或接地电阻，首先介绍下接地变压器的结构和特 点，通过这个设备引出中性点连接到接地设备。 2 2 1 接地变压器的结构及其特点 接地变压器的主要功能就是为不接地系统人为的引出一个中性点，一般配置 z n 型接线的接地变压器，简称曲折变，其采用曲折接线方式；曲折接线的变压 器可以像具有三角型接线变压器那样，承担单相负荷，同时又具有星形接线变压器 的中性点的特点。但同时与普通的y y 形接地变压器比较，它具有普通接地变压 器所不具备的优势，曲折接线变压器的零序阻抗小，更适合做接地变压器使用，能 够更好的与消弧线圈或接地电阻配合使用【l9 1 。由于曲折接线变压器具有同普通变 压器的差异性，且配电网经消弧线圈和电阻接地的系统里都要用到这样一种特殊 的接地变压器，需要首先先对接地变压器的工作原理、接线方式、结构组成和选 择方法进行研究和分析。 在配电网系统中，接地变压器的最大功能就是有效传递接地补偿性电流，接 地补偿电流实际上是零序电流，零序电流只能在零序阻抗很小的网络中流通；如 果要想使得消弧线圈产生的补偿电流能够顺利通过接地变压器这样一个装备，那 么接地变压器的零序阻抗就要非常小，零序电压在接地变压器上的压降很小，因 此零序电压都加在中性点的消弧线圈或接地电阻上了。z 型接线方式是指三相铁 芯的每个芯柱上的绕组被平均分成两组，两段绕组极性相反，上半部分线圈是带 调压分接的主绕组，下半部分是具有移相作用的移相绕组，移相绕组与调压绕组在 每相上具有6 0 0 的相位关系，三相绕组按z 型联结法接成星形接线。其不带二次绕 组的接线图和向量图分别如图2 3 和图2 4 所示。 ? 、一 - - o - - - 、) 中 、b ) ( 。 ( 、 、 ) ( )0 一 r p 一 、 j 尸0 j 丘 ) ( ；。 ) a 1 rb i n 图2 3 结构示意图 如果需要接地变压器带二次绕组时， 1 0 b l c a b 图2 4z 型变压器向量图 有z n y n ll 和z n y n l 两种接线方式，这 硕士学位论文 两种接线方式降低零序阻抗的原理都一样：在接地变压器三相铁芯的每一相都有 两个匝数相同的绕组，分别接不同的相电压。当接地变压器线端加入三相正、负 序电压时，接地变压器每一铁芯柱上产生的磁势是两相绕组磁势的向量和。三个 铁芯柱上的合成磁势相差1 2 0 0 ，是一组三相平衡量。三相磁通可在三个铁芯柱上 互相形成磁通路，磁阻小、磁通量大、感应电势大，呈现很大的励磁阻抗【2 们。而 当接地变压器三相线端加入零序电压时，在每个铁芯柱上的两个绕组产生的磁势 大小相等，方向相反，合成的磁势为零，三相铁芯柱上没有零序磁通。零序磁通 只能通过外壳和周围介质形成闭合回路，磁阻很大，零序磁通很小，所以零序阻 抗很小，零序电流在绕组上的压降很小【2 叫。因此，采用曲折绕组的接地变压器( 即 z 型接地变压器) ，具有正、负序阻抗大，零序阻抗小的特点。z n y n l1 型接地变 压器的绕组接线结构及向量关系如图2 5 和图2 6 所示。a 相铁芯柱接入a 相和 ( b ) 相绕组，b 相铁芯柱接入b 相和( c ) 相绕组，c 相铁芯柱接入c 相和( a ) 相绕 组： i - - o - - ： 弋 、l 。一 ) ( ) ( p一 ) 沪)- - o - - ， 6 一 ) 、 ) a 。( _ ) b l 、 ) 扣 7 仁 - - o - - ) 一。_ _ - ) - - - o - - ) ( ( 卜 ) ) rr c n 1 1a b c ( 2 ) t 2 5 接地变压器接线图( z n y n ll 型) a c l c b a 图2 6 接地变压器向量图( z n y n l l 型) b 1 0 k v 配电网混合接地方式运行研究 z n y n l 型接地变压器的绕组接线结构及向量关系如图2 7 和图2 8 所示。a 相铁芯柱接入a 相和( c ) 相绕组，b 相铁芯柱接入b 相和( - a ) 相绕组，c 相铁芯 柱接入c 相和( b ) 相绕组。 7 a 7 b i c 。n n ： l l 电_ 、 卟 、。卜 ) f ( ： ( 。 ( r - ) 9 争一 9 - 、 6 一 ；| 2 ： ) ( 一 ； 亨b。甍 a l ) r r a - ( ) ( ) ) ( ) ) ) ； i ； l ； i - -rr o bc a ( 2 ) j l jb ji n b l n r c b 图2 8 接地变压器向量图( z n y n l 型) 接地变压器的工作状态，由于接地变压器主要目的是人为地为配电网系统提 供一个中性点，以便接消弧线圈或小电阻装置，而不需带负载，所以这些接地变 可以看作没有二次侧的；电网正常运行时，加在接地变压器线端的电压是三相平 衡的，中性点正常允许的不平衡电压不会超过5 ，线端输人的电流只有数值很 小的不平衡电流和励磁电流，接地变压器上的损耗主要是铁损，所以接地变压器 就相当于空载状态；如果电网发生单相接地故障，对于消弧线圈接地系统，通过 接地变压器和消弧线圈的电流值不大；而当在小电阻接地系统中时，只在短时间 内通过故障电流，一般这个时间不会超过1 0 s ，电网发生单相接地故障这个过程 1 2 硕士学位论文 中，高灵敏度的零序保护判断故障并快速切除故障线路，接地变压器只在接地故 障至故障线路零序保护动作切除故障线路这段时间内，中性点接地电阻和接地变 压器才会通过较大的短路电流= ( 尺n + r g ) ，式中r n 为中性点接地电阻，r g 为 接地故障回路附加电阻。接地变压器一般通过如图2 9 所示的方式接入系统，综 合上述分析可知，接地变压器具有长时间空载，短时过载的这样两个运行特点。 a b c a i 一_ _ 掣x 2b ， 图2 9 接地变压器接入系统图 接地变压器的选择需要考虑以下几点，需要考虑它的高、低压侧额定电压、 容量、结构型式、台数、正序阻抗或阻抗电压，油浸或干式、空载损耗等因素。 接地变与变压器又不完全相同【2 l 】：接地变主要是传送消弧线圈或接地电阻的接地 补偿电流，所以它在结构型式、容量和阻抗电压等方面将更具有特殊要求，必须 予以重视；在中性点接消弧线圈系统中，接地变压器的容量应与消弧线圈的容量 相配合：当接地变压器没有二次负载时，则接地变压器的容量值可取等于或大于 消弧线圈的容量值；当接地变压器又做所用变压器使用时，即二次侧需要带负载， 则接地变压器的容量值可取等于或大于消弧线圈的容量与二次侧负载容量之和。 2 2 1 中性点经消弧线圈接地系统分析 当中性点不接地系统发生单相接地故障时，接地点流过全系统的对地电容电 流，由于电力系统扩容和电缆的广泛使用，电容电流随之增大。当接地电流值在 1 0 a 至3 0 a 左右时，可能产生不稳定的间歇电弧；当接地电流值在3 0 a 以上时， 就会在接地点点燃起电弧，