（电力系统及其自动化专业论文）10kv配电网中性点接地方式的研究.pdf

a b s t r a c t i ti sa l li m p o r t a n tt e c h n i c a lp r o b l e mt on e u t r a lg r o u n d i n gm o d eo ft h ee l e c t r i c p o w e rs y s t e mw h i c ha s s o c i a t e sw i t hv o l t a g el e v e l ，n e t w o r ks t r u c t u r e ，i n s u l a t i o nl e v e l ， r e l i a b i l i t yo fp o w e rs u p p l y , p r o t e c t i v er e l a y i n g ，e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，a n d p e r s o n a ls a f e t y i nc h i n a , t h en e u t r a lg r o u n d i n gm o d eo ft h e10 k vn e t w o r ku s e do fn o n e g r o u n d i n g ，g r o u n d i n gb ya r cs u p p r e s s i n gc o i l si nt h ep a s t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f u r b a np o w e rn e t w o r k , e s p e c i a l l yt h ew i d e s p r e a du s eo fc a b l e s ，l o wr e s i s t a n c e g r o u n d i n gm o d ew a su s e dt or e s t r a i nt h eo v e rv o l t a g ei ng u a n g z h o u , s h a n g h a i ， b e i j i n g ，a n dz h u h a ie t c i tw a sr e p o r t e dt h a tt h eo v e rv o l t a g el e v e lo fl o wr e s i s t a n c e g r o u n d i n gm o d ei sl o w e rt h a nt h a to fa r cs u p p r e s s i n gc o i lm o d e ，b u tt h eo p e r a t i o n c a r r i e do u tt h eo t h e rp r o b l e m s ，i n c l u d i n gr e l i a b i l i t yo fp o w e r s u p p l yr a p i d l yd r o p p i n g ， a n dp e r s o ns a f e t yb e i n gt h r e a t e n e d s oi n t e r i o r l yt h eg r o u n d i n gm o d es e l e c t i o no ft h e 10 k vn e t w o r kw a sd i s p u t e d ，w h i c hm a i n l yf o c u s e do nt h ef a u l tf o r mo f10 k v n e t w o r k g r o u n d i n g ，t h ea p p l ya r e ao fa r cs u p p r e s s i n gc o i lg r o u n d i n gm o d ea n dl o wr e s i s t a n c e g r o u n d i n gm o d e ，r e l i a b i l i t yo fp o w e rs u p p l y , p e r s o ns a f e t y , c o m m u n i c a t i o n i n t e r f e r e n c ea n dt h ew o r kl o a do fm a i n t e n a n c e t h i sp a p e rs t u d i e do nh o wt os e l e c tt h en e u t r a lg r o u n d i n gm o d eo f10 k vn e t w o r k f i r s t l yi ta n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i co fg r o u n d i n gm o d e sa b o u t10 k vn e t w o r k t h e n w i t ht h ed e m o n s t r a t i o no fm a o p i n gs u b s t a t i o ni nh u b e ip r o v i n c e ，t h i sp a p e rb u i l ta n u m e r i c a lv a l u ee q u i v a l e n tm o d e l t a k i n ga c c o u n to ft h et r a n s f o r m a t i o no ft h e c a p a c i t i v ec u r r e n to rt h ev a r i e t yo ft h eg r o u n d i n gp o i n tr e s i s t a n c e ，i ts i m u l a t e dt h e o v e rv o l t a g el e v e la n dt h eg r o u n d i n gp o i n ts h o r tc u r r e n tv a l u eo ft h en e t w o r kw i t ha r c s u p p r e s s i n gc o i lg r o u n d i n gm o d eo rl o wr e s i s t a n c eg r o u n d i n gm o d e , i na d d i t i o n ，t h i s p a p e rd i s c u s s e dt h ep r o b l e mo f r e s t r a i n e da r co v e rv o l t a g e 、 i nt h i sp a p e r ，t h et e c h n i c a lp a r a m e t e r sf o rt h ea r cs u p p r e s s i n gc o i la n da s s o c i a t e d e q u i p m e n tw e r ec a l c u l a t e d ，a n dr e a s o n a b l es e l e c t i o nh a sb e e nm a d et of i n a l l yr e a l i z e a u t o m a t i ct r a c i n gc o m p e n s a t i o nf o ra r cs u p p r e s s i n gc o i lg r o u n d i n gm o d e k e yw o r d s ：p o w e rd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ；n e u t r a lg r o u n d i n gm o d e ；a r cs u p p r e s s i n g c o i l ；o v e rv o l t a g e ；a u t o m a t i ct r a c i n gc o m p e n s a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫洼盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 弘茅 签字日期：哆年f 月叫日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞基堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权吞鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者躲珈驴 签字日期：珈- 7 年月砂f 日 导师签名： 磁芳卷 签字日期：。唧年月z ，日 第一章绪论 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 配电网是电力系统的一个重要组成环节，由配电设备及配电线路按一定的接 线方式所组成，它主要担负着从枢纽变电站取得电能，对电能进行交换、输送、 分配与保护等，并将电能安全、可靠、经济地送到每一个用电设备，它对电网的 安全和经济运行起着重要的作用。 配电网按照不同电压等级可分为高压配电网、中压配电网和低压配电网【1 】。 目前在实际应用的电网中，运行较多的高压配电网主要指3 5 1 1 0 k v 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 k v 电压等级进行配电的。 中压配电网主要指1 0 k v 电压等级的配电网，个别区域也有采用2 0 k v 进行配电的， 如苏州工业园区，但其运行情况与1 0 k v 相似。低压配电网指的是3 8 0 v 2 2 0 v 的用 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电网。而1 0 k v 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关重要。根据现 行电网运行资料统计，配电网的事故约占电网总事故的9 0 9 6 ，因此，研究提高1 0 k v 配电网供电可靠性有着非常重要的意义，而10 k v 配电网的中性点接地方式对运 行，特别是对故障的发现和处理起着举足轻重的作用。 ，近年来，随着城市电网的快速发展，变电站1 0 k v 出线中电缆所占比重越来 越高，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 配电线路单相接地故障时接地点故障电流增大，且不易熄弧，从而引发故障扩大 和设备过电压绝缘损坏等问题。 一 由于三峡工程的兴建，作为大坝上游的第一县的秭归县城整体搬迁到茅坪， 国家对库区搬迁城镇提供了很多优惠政策，国内有多家知名企业如森达鞋业、维 维乳业、稻花香酒业等纷纷到茅坪投资建厂，这些企业都集中于九里工业园内， 茅坪变电站则主要担负着向工业园区供电的任务。该变电站目前拥有二台l1 0 k v 的主变，主变容量为2 x 3 1 5 m v a ，电压等级为l1 0 k w l o k v 。1 0 k v 侧为单母线分 段，1 段母线上带有5 回出线到用户端，2 段母线上带有6 回出线到用户端。由于园 区近期还有多家企业准备进入和周边住户数量的增加，茅坪变目前主变容量已不 能满足需要，为适应发展要求，秭归供电公司将该站进行增容改造提上议事日程， 并应政府建设库区旅游城市的规划逐步将多条架空线路改造为电缆线路。 第一章绪论 茅坪变1 0 k v 侧的中性点原来是以不接地的方式运行，但随着目前开发区内 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 的要求，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。因此需要对茅坪变1 0 k v 侧的 中性点接地方式在扩建工程时同时进行改造，选择一种合适的接地方式以满足运 行的需要，本课题就是针对此问题进行研究。 1 2 配电网中性点接地方式的发展和现状 中压配电网中性点接地方式发展到现在，共有两大类：第一类是需要断路器 遮断单相接地故障的，属于大电流接地方式：第二类是单相接地电弧能够瞬间自 行熄灭的，属于小电流接地方式。其中大电流接地方式中有低电阻、低电抗和直 接接地：小电流地方式中有经消弧线圈接地( 也称谐振接地) 、不接地和高电阻 接地。单相接地电流的电弧能否自动熄灭，是界定两类接地方式的必要和充分条 件【2 ，3 1 。 1 2 1 国外配电网中性点接地方式的发展和现状 世界各国对电网中性点接地方式的选择并不统一，不同国家和该国中的不同 城市都不完全相同，主要是根据本国的运行经验和传统来确定的【4 】o 原苏联规定在下列情况下采用中性点不接地方式：6 k v 电网单相接地电流小 于3 0 a ；1 0 k v 电网单相接地电流小于2 0 a ；1 5 - 2 0 k v 电网单相接地电流小于 1 5 a ；3 5 k v 电网单相接地电流小于1 0 a 。如果单相接地电流超过上述各值，则 需采用中性点经消弧线圈接地方式。 德国人彼得生( p e t e r s o n ) 首先提出并随后发明了消弧线圈，提出了经消弧 线圈接地的电力系统谐振接地方式，自1 9 1 7 年投运以来积累了丰富的经验。在柏 林市的3 0 k v 电网中，1 9 4 7 年时电缆总长已达1 4 0 0 k m ，电容电流高达4 0 0 0 a ，其中 性点接地方式采用经消弧线圈接地。但最近的资料显示，德国从6 0 年代开始对消 弧线圈的使用日渐减少。 美国各电力公司在3 0 k v 及以下的电网，中性点接地方式很不统一。早期广 泛采用快速切断故障的方式。目前，消弧线圈接地方式发展很快，在城市供电电 网中( 2 2 7 7 k v ) 中性点直接接地或经低电阻接地的占7 1 ，经消弧线圈接地方 式的占1 2 ，不接地的占1 0 5 ，经小电抗接地方式的占6 5 。这是因为美国 基本为私营电力企业，系统的备用容量大，网架结构好，自动化水平和管理水平 高，供电可靠性耐5 1 。 第一章绪论 日本的情况也不统一，各级电网除个别地区外，1 1 - 3 3 k 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 、不接 地占4 0 。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 0a 。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。 英国6 6 k v 电网中性点采用经电阻接地方式，而对3 3 k v 及以下由架空线路 组成的配电网改为经消弧线圈接地；由电缆组成的配电网，仍采用中性点经低电 阻接地方式。 法国中压电网在九十年代以前所遵循的方式是六十年代制定的，当时是为了 满足架空线电网的特性要求而制定，主要以低电阻接地为主。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运行。 世界各国的配电网中性点在5 0 年代前后，大都采用不接地或经消弧线圈接地 方式，到六十年代以后，有的采用直接接地和低电阻接地方式，有的采用经消弧 线圈接地方式。 1 2 2 我国1 0 k v 配电网中性点接地方式的发展 建国初期至8 0 年代，我国完全参照了前苏联的规定，对3 一 6 6 k v 电网中性点 主要采用不接地或经消弧线圈接地两种方式。8 0 年代中期，我国城市1 0 k v 配电 网中电缆线路逐渐增多，电容电流相继增大，而且运行方式经常变化，消弧线圈 调整存在困难，当发生单相接地时间一长，往往发展成为两相短路。对此，国内 开始重新考虑合适的接地方式，从1 9 8 7 年开始，广州部分变电站为了满足1 0 k v 电缆较低的绝缘水平，采用了低电阻接地方式。在此以后国内很多1 0 k v 电网， 如北京、上海、天津、深圳和珠海等城市也先后采用了中性点经低电阻接地运行 方式【6 】o 与此同时，不少地区在以往消弧线圈运行的基础上开始推广使用自动跟踪、 自动调谐( 带电情况下调节消弧线圈分接头) 的消弧线圈接地系统，使配电网经 常处在最佳补偿状态下运行。自动跟踪补偿的消弧线圈还与微机接地保护、故障 选线装置相配合取得较好的运行效果。 1 9 9 7 年在安徽合肥召开的高压学术年会上，与会各界学者对城网中性点接 地方式问题也进行了热烈讨论，并达成共识：“配电网中性点接地方式的选择是 具有综合性的技术问题，中性点不接地、谐振接地、电阻接地各有其优缺点，应 结合电网具体条件，通过技术经济比较确定”。1 9 9 6 年和1 9 9 7 年中国电机工程 第一章绪论 学会高压专委会在深圳召开的城市电网中性点接地方式技术研讨和经验交流会 上，对中性点采用低电阻接地的方式也给予了充分肯定【刀。 国内许多城市如北京、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，相继组织力量展开讨论。由于经低电阻和经消弧线圈 接地各具特点，特别是自动跟踪补偿消弧线圈的出现，使得目前我国1 0 k v 配电 网中性点运行方式的选择争议还非常大。 针对上述情况，原国家电力工业部对原s d j 7 7 9 电力设备过电压保护设计 技术规程进行了修订，在颁布的新规程即国家电力行业标准d l t 6 2 0 1 9 9 7 交 流电气装置的过电压保护和绝缘配合中，对有关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应规定，现摘录如下 8 】： 3 1 23 k v 1 0 l ( 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： ( 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： a ) 3 9 v 和6 k v 时，3 0 a ； b ) 1 0 k v 时，2 0 a ； c ) 3 k v 一 1 0 k v 电缆线路构成的系统，3 0 a ； 3 1 46 k v 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、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； 3 1 56 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。 总结十多年来各地1 0 k v 配电网中性点接地方式的运行经验，发现对低电阻接 地和经消弧线圈接地存在较大的争论，运行情况存在很大的差异。国内最早采用 低电阻接地的广州供电局，对区庄变电站低电阻接地方式进行研究，现场实测结 果表明：采用中性点经低电阻接地，当r 。1 0 q ，在大多数情况下可使单相接 地工频过电压降低到1 4 p u 左右。从限制弧光接地过电压考虑，当电弧起弧到熄 灭过程中，系统所积累的多余电荷在后半个工频周波内通过尺。泄漏掉，过电压 幅值就可明显下降，从限制电力系统内过电压来讲，采用低电阻接地效果是十分 第一章绪论 可观的。 继广州采用电阻接地方式以后，北京、上海、天津、合肥、深圳、珠海等许 多城市也先后采用了中性点经低电阻接地，在某些地区收到良好效果，如上海、 广州、北京等地反应良好。上海供电局万善良等在“上海市区电网对中性点接地 方式的结论”中指出：上海市中心区3 5 k v 及6 1 0 k v 中电缆网居多，并且从电缆 构成来看，新旧电缆交叉，设备绝缘水平不高，系统中性点宜采用低电阻接地运 行方式，以避免在发生单相接地时，设备长期过电压运行，加速绝缘老化和扩大 事故【9 】。北京方庄变电站在采用低电阻接地方式以后认为，工频电压升高不多， 故障点电流也比较适中，既有利于继电保护配置，又不会对通信线路带来很大干 扰。 但低电阻接地系统在实际运行中，也遇到了相当多的问题，许多1 0 k v 电网 中性点经低电阻接地系统经常发生跳闸，供电可靠性显著降低，停电事故增多， 此外对人身安全构成严重的威胁。 如珠海局在采用低电阻接地方式后，发现中性点经低电阻接地方式对事故的 抵御能力较差，供电可靠性差，线路跳闸率普遍偏高，最高达到了1 2 0 次百公 里年，更为严重的是该运行方式对人身安全构成极大的威胁，自投运以来共发 生1 1 起人身伤亡事故l l 。 珠海局在珠海电力工业局1o k v 低电阻接地系统运行分析中指出：通过 运行实例，可以看出1 0 k v 电网中性点经低电阻接地方式对供电可靠性及人身安 全有着不可低估的影响，应慎重实施，几年的实践证实低电阻接地方式给电力系 统安全、经济运行带来不少负面影响，是不可取的1 11 1 。 j 厦门供电局要焕年、曹梅月以及珠海电力局黄培专、张振旗等学者对低电阻 接地方式持反对意见。要焕年在电缆网络的中性点接地方式问题一文中指出： 低电阻接地方式客观上是增大单相接地短路故障电流，理论分析和运行经验表 明，对于中压电网尤其是电缆网络，必须着力地限制单相接地故障电流、尽可能 地减少其危害性，而不是人为的提升单相接地故障电流。 中性点经低电阻接地和经消弧线圈接地从各地的运行情况来看各有利弊，目 前还很难单独取舍。国内也有不少城市两种接地方式都在使用，针对不同的供电 区域采用不同的接地方式，如：城市中心区域，电缆线路较为集中，系统电容电 流较大，采用低电阻接地方式；而在城市郊区，多以架空线路为主，则采用消弧 线圈接地方式。 第一章绪论 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，按照因地制宣的原 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【1 2 】： 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有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 d x 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。 中性点接地方式的研究牵涉到电力系统的各个方面，要很好地解决上述问题 需要从多方面进行分析。 1 4 本文的主要工作 在1 0 k v 电网中，因弧光接地、p t 谐振、断线谐振引起的过电压是最常见也 是最严重的。为了解决此问题，本课题以湖北秭归茅坪变1 0 k v 侧的中性点接地 方式为研究对象，对中性点经消弧线圈接地方式和经低电阻接地方式进行深入研 究。着重分析电网中性点不接地以及中性点经消弧线圈和经低电阻接地方式下的 各种过电压，并对继电保护、通信干扰等进行分析和讨论，为茅坪变1 0 k v 侧的 中性点接地方式的选择提供理论依据。本课题主要研究内容如下： ( 1 ) 比较国内中压配电网现在所采用的中性点不接地、经消弧线圈接地、 电阻接地等几种接地方式的工作原理，并介绍各种接地方式的优缺点和适用范 围； ( 2 ) 根据近几年采用自动调谐消弧线圈接地方式的运行情况，对茅坪变 i o k v 侧中性点经消弧线圈接地方式下的供电可靠性、继电保护、通信干扰、人 第一章绪论 身安全、设备安全等问题进行分析； ( 3 ) 利用m a t l a b 内的s i m p o w e r s y s t e m s ( 电力系统仿真工具箱) 搭建模型， 通过改变其中模块的参数，分析比较配电网在各种接地方式下发生单相接地故 障，遇到接地过渡电阻为不同值时的工频过电压及弧光过电压的变化情况； ( 4 ) 通过比较中性点经低电阻接地和消弧线圈接地方式的优缺点，并结合 仿真结果，最终确立了茅坪变1 0 k v 供电系统选择中性点经消弧线圈的接地方式， 并对所选择消弧线圈的容量和相关设备进行了计算。 第二章l o k v 配电网接地方式的选择 第二章l o k v 配电网接地方式的选择 近年来，城市电网中电缆线路的不断延伸扩展，在中性点接地方式上，出现 了较大的争议，焦点是：电缆网络一旦发生单相接地，不是永久性故障，就是相 间短路故障，消弧线圈已不起作用；电缆网络的接地电容电流很大，补偿与调谐 十分困难，当电容电流达到或超过1 5 0 a 时已不再使用；发生单相接地过电压是 否会对站内设备绝缘构成威胁；经低电阻接地系统，继电保护动作不可靠，对人 身安全构成威胁，供电可靠性低。本章将结合影响选择接地方式的因素( 包括接 地故障类型、供电可靠性、人身安全保障、绝缘水平配合、继电保护配合、通信 干扰影响和设备安全等因素) 和不同接地方式的特点对1 0 k v 配电网的接地方式 进行分析。 2 1 影响选择接地方式的因素 2 1 1 接地故障的类型 近些年来，我国城市中的电缆网络不断扩展，在选择中性点接地方式的问题 上，出现一些不同的看法是比较自然的。其中主要的问题为：电缆网络一旦发生 单相接地，不是永久性故障，便是相间短路。 国内外电力系统的运行经验表明，实际情况并非如此。上海的电缆网络在我 国最具代表性，运行时间长、电压等级多，特别是市中心区的3 5 k v 电缆网络， 中性点的各种接地方式都有经历，堪称世界情况的缩影。因此，在讨论电缆网络 的单相接地故障问题时，离不开这些运行经验【i 引。 据上海3 5 k v 补偿电网1 9 5 7 1 9 6 0 年统计，消弧线圈的动作成功率为7 6 ， 最低的一年为6 2 5 。分析认为：消弧线圈的安装位置相对集中，零序回路中产 生的有功功率使残余电流显著增大，不利于电弧的瞬间熄灭，调整消弧线圈的安 装位置后，消弧线圈在随后一年内动作5 1 次，成功率为9 4 。在以上统计数据 中包合了部分的永久性故障，但瞬时单相接地仍占相当大的比重。 据上海石化总厂1 9 7 6 年5 月1 9 8 6 年5 月的统计，在大部分为电缆的补偿 电网中，共发生电网单相接地故障6 5 次，其中瞬时接地故障4 4 次，占6 7 7 ； 在纯电缆的l o k v 电网中，共发生单相接地故障3 7 次，其中瞬时接地故障2 1 次， 占5 6 8 。 第二章1 0 k v 配电网接地方式的选择 据珠海经低电阻接地系统统计，2 0 0 0 年1 6 座低电阻接地变电站( 不包括市 区1 9 个1 0 k v 开关站) ，全年跳闸3 2 4 次，其中单相接地故障2 2 8 次，占总次数 的7 0 3 7 ，瞬时单相接地故障1 6 9 次，占接地跳闸次数的7 4 1 2 ，相间故障9 6 次，占总次数的2 9 6 3 。2 0 0 0 年7 个变电站的全电缆线路，共跳闸2 2 条次，接 地故障1 8 次，占8 1 8 2 ，瞬时接地故障8 次，占3 6 3 6 。其中市中区的1 0 k v 电网，线路长度约3 8 k m ，其中电缆线路接近6 0 ，在中性点经消弧线圈接地运 行期间，1 9 9 9 年1 月1 日- 2 0 0 0 年1 月1 日共发生线路跳闸1 4 4 次，其中单相接 地3 8 次，占2 6 4 ，相间短路1 0 6 次，占7 3 6 。 从以上数据统计表明单相接地和瞬时故障的确占了相当大的比重，只是在以 电缆为主的电网，永久性故障和相间短路高于以架空线为主的电网。究其原因是 电缆本体故障较少，大多故障发生在电缆接头处，使得永久性故障和相间短路故 障增多，但电缆网络发生接地并不一定是永久性故障或相问短路。 因此，在1 0 k v 电网中，电缆比重增加，中性点无论采用何种接地方式，除 了对过电压进行考虑外，还应考虑短路电流和继电保护等问题【1 4 】。 2 1 2 中性点经消弧线圈接地的适用范围 国内目前比较通行的说法是：电缆网络( 或以电缆为主的网络) 当接地电流 大于1 5 0 a 的时候，各地应根据本地实际情况采用中性点经低电阻接地方式，实 际上是把经消弧线圈接地方式的适用范围限定在电网电容电流低于1 5 0 a 的电 网。但从目前国内外运行的情况来看，经消弧线圈接地方式与低电阻接地方式一 样没有限制。但是，两者的运行特性是十分不同的。 德国柏林的3 0 k v 电缆网络，电容电流曾经最高达4 0 0 a ，中性点依然采用 经消弧线圈接地方式，4 l 台消弧线圈分布于1 8 个变电站。当脱谐度为零、电网 全补偿运行时，残余电流为1 2 0 a ，其中的有功电流和高次谐波分别为9 0 4 a 和 8 2 a 。而当时采用的消弧线圈是人工调谐的，通过监视调谐的精度，取得了良好 的运行效果。如今采用自动消弧线圈，既方便实用，又能保证调谐精度，条件更 加有利。 根据独联体6 - - , 3 5 k v 电网接地短路电流补偿规程规定，在人工调谐消弧线圈 的情况下，允许的脱谐度为5 。研究结果表明，当脱谐度为5 和阻尼率为 5 时，电网电容电流允许值为2 8 2 8 a ，当限定脱谐度小于1 5 时，电容电流 允许值可增大1 0 0 a ，即电网电容电流不大于3 8 2 8 a 。由于自动消弧线圈的广泛 使用，电网经常靠近谐振点运行，使得脱谐度在1 5 的范围内成为可能。 根据我国的运行经验，可以得出同样的结论。例如，洛阳热电厂的1 0 k v 电 缆补偿网络电容电流为3 7 0 a ，经常并联运行，情况良好；青山热电厂的1 0 k v 第二章1 0 k v 配电网接地方式的选择 电缆补偿电网，电容电流为3 5 0 a ，正常情况下母线分三段运行，有时三段母线 并联运行，情况良好。 此外，莫斯科的3 5 k v 、维也纳2 6 k v 、巴黎2 0 k v 和日内瓦的1 8 k v 等中压电 缆网络，中性点均采用谐振接地方式，运行情况均十分满意【l 5 1 。 消弧线圈历经近9 0 年的运行，积累了大量的运行经验，在国内外均取得了 较为满意的结果，自动跟踪消弧线圈的出现弥补了传统消弧线圈的一些缺陷，使 得消弧线圈在大电容电流电网中运行成为可能。在考虑中性点接地方式的选择 上，不能简单的把电容电流是否大于1 5 0 a 作为选择依据，应更全面的加以考虑。 2 1 3 供电可靠性 供电可靠性历来是各国电力部门共同关注的一大问题，它关系着供电企业的 服务质量，也是供电企业质量考核的重要指标。现在世界上先进的国家和地区， 每年对用户停电时间的总和，可以不超过2 5 3 0 分钟。美国的一些联合电网， 从规划开始就明确规定，十年内对用户的停电时间不得超过2 4 小时，即每年停 电时间平均不超过1 4 4 分钟，目前实际停电的时间每年约为5 0 - 6 0 分钟；日本 则着重提高自动化程度，9 个电力公司的4 1 6 1 0 条配电线路8 6 5 实现故障后按 顺序自动恢复送电1 1 6 】；前苏联和西欧一些国家，规定停电时间每年不超过1 0 2 4 小时，前苏联现在的水平为8 7 6 小时绰，折合供电可靠率等于9 9 9 0 。 电力系统的运行经验表明，单相接地故障绝大多数是瞬间性的，特别是架空 线路电网，只要是小电流接地系统，便无需继电保护和断路器动作，在系统和用 户几乎无感觉的情况下，接地电弧便可瞬间自动熄灭，系统可以保持连续供电。 而对于极少数的永久单相接地故障，可以允许电网在一定时间内带故障运行。 低电阻接地方式与配电网中性点不接地或经消弧线圈接地不同，不论单相接 地故障是瞬间，还是永久性的，都必须自动切除故障线路。因此网络应采取全容 量备用的原则，以及备用电源自动投入和环网自动化等措施，从而提高供电可靠 性。而采用全容量备用需要增加大量投资，这对我国广大的城市和农村的中压电 网是不现实的。 直接接地方式可正确迅速切除接地故障线路，但故障线路需间断供电。过 去，由于接地继电保护不能有选择性地动作，要依靠人工逐条试拉以检出故障线 路，待负荷转移后再将故障线路切除。这种运行方式，虽避免了长时间停电事故， 但是很不方便。近几年来，国内兴起的自动跟踪消弧线圈接地方式，利用微机接 地保护装置自动检出故障线路，可瞬间或延时自动切除，也可延时手动切除，进 一步提高了供电连续性1 1 。 第二章l o k v 配电网接地方式的选择 2 1 4 人身安全 人身安全，也是选择中性点接地方式的一个主要方面，对于人身安全主要考 虑：( 1 ) 人接触接点的设备金属部件( 正常时不带电) ；( 2 ) 单相接地电流入 地点附近的跨步电压；( 3 ) 人直接触及处于工作电压下的带电部分【1 8 】。 一般认为，在大接地故障电流的条件下，防止人身事故与设备事故，即使瞬 间跳开故障线路也依然存在问题。只有限制单相接地故障电流、降低接触电压和 跨步电压方能达到目的。 一种错误论点认为低电阻接地系统中有人误触高压设备时，保护能迅速跳闸 避免伤亡事故。而是否造成伤亡的关键是触电者接触带电体的方式和触电后人体 的移动方向及抢救等因素，而人体触电引起的接地可能是大过渡电阻接地，避免 伤亡的条件基本不成立f 1 9 】。理论分析与实际运行经验表明，当低电阻接地方式的 中压电网发生单相接地故障时，在断路器跳闸以前，由于接地电流很大，可达数 百安培，故障点和中性点附近形成了危险的接触电压和跨步电压，即使瞬间跳开， 可能严重的人身伤害事故已经发生了，如果遇到接地的过渡电阻比较大的情况， 会出现更高的接触电压。如果为了防止设备绝缘故障人为地提高中压设备的耐压 水平，不仅是不经济的，同样对防止人身伤害事故也是不行的，唯一的办法是通 过限制接触电压和跨步电压。19 9 0 年的c i r e d ( c o n f e r e n c ei n t e r n a t i o n a lr c p a r t i t i o ne t d i s t r i b u t i o n , 国际供电会议) 在配电系统故障管理总结报告中指出：地电位升 高低于1 2 5v ，则接触电压不需要检验；若不能满足，则允许接触电压的明确检 测量低于6 5 v ，对于跨步电压虽无明文规定，但满足上述要求时，则是不危险的。 另外大接地电流会产生很强的高温电弧，对人体构成很大的威胁，并且容易引起 火灾事故。 我国试点低电阻接地方式的几个城市，单相接地故障电流一般为4 0 0 6 0 0 a ，现场试验和运行经验表明，不能保证继电保护在所有的情况下都能够瞬间跳 闸，因而触电和烧伤的威胁是很严重的。前面谈到的珠海市的1 0 k v 电网，中性 点改用低电阻接地方式运行以来，多次发生人身伤亡事故就是有力的证明。 采用消弧线圈接地后，接地故障的电流可以被限制到1 0 a 以下，接地电流的 危害大大地减轻了，对于瞬时性的单相接地故障，可以自行消除故障，大大地减 小了人身触电事故发生的机率。而对于单相永久性接地故障，因为残流很小，接 触电压和跨步电压都很低，在带故障运行的状态下，即使触电，发生生命危险的 概率也比较小。 第二章1 0 k g 配电网接地方式的选择 2 1 5 绝缘水平的配合 中压电网的绝缘配合起控制作用的是大气过电压和避雷器的保护水平，中性 点直接接地或是低电阻接地的方式，以放电间隙或是避雷器提供适当的保护，中 性点经消弧线圈的接地则以避雷器提供适当的保护。就内部过电压而言，绝缘强 度是足够的，从运行与研究表明，降低绝缘水平在11 0 k v 及以上电压等级的电 网中是比较明显的，但对于中压电网则得不偿失，可能由于各种原因容易造成击 穿等绝缘事故，绝缘事故会明显增加【2 0 】。 消弧线圈接地方式由于能够快速熄灭电弧并且不再重燃，比中性点不接地方 式下的间歇性电弧过电压的水平要低，有效地保护了电气设备的绝缘。与大电流 接地系统较小的非故障相电压升高相比，绝缘要承受3 倍的相电压，但是消弧 线圈接地方式的绝缘水平完全能够承受。 有一种理论的观点是消弧线圈接地方式不适合电缆网络，认为电缆网络的单 相接地故障的机率比较小，并且一旦发生也是永久性的接地故障，从理论和实践 中来看，这种观点并不正确。电缆故障有一定的规律性，据统计电缆故障的6 6 是由外皮向内部发展的，而铅皮式同类设计的电缆，所有故障都是由导线与大地 间的绝缘击穿引起的。由于在埋设时外皮损伤未被发现，又因为绝缘变潮，和铅 皮的弹性系数较低，在短路电流的热应力和电动力的作用下外皮膨胀发生了不可 逆的变形，待冷却和恢复后介质与相邻的金属界面发生部分剥离，在缝隙处形成 绝缘弱点，最后导致接地故障的产生，电缆本体对地绝缘能力的丧失是一个逐渐 发展的过程。而消弧线圈接地方式对于三相对地导纳的不平衡十分敏感，一般在 电缆故障的起始阶段就能够反应出来。如果及时处理，即使消弧线圈的残流达到 上百安培，电缆的绝缘击穿后，发展为相间故障的时间还需要几分钟，这样微机 的接地保护自动跳开故障线路早已经实现，及时避免事故扩大。如果一旦击穿油 质绝缘介质因局部过热而蒸发，除产生压力去游离外还会填充通道使绝缘强度得 以恢复。即使再发生击穿，也是从初始状态开始发生，往往还需要一段时间。国 内外实践证明，交联聚乙烯电缆的击穿多为水树枝或电化树枝故障，消弧线圈同 样能够限制其破坏程度，防止或减少相间短路的可能性。 因此在绝缘水平的选择上，经低电阻接地系统并不比消弧线圈接地方式具有 太多的优势。 2 1 6 继电保护的选择性 小电流接地系统的继电保护选择性问题，是一个长期存在的技术难题。但是 现在这个问题已经得到了很好的解决，就是通过微机保护。其原理与过去的增大 第二章1 0 k v 配电网接地方式的选择 接地故障电流的物理模拟方法截然不同，它建立在运算的基础上，凡是对故障参 数进行数学分析的和运算的继电保护均可以实现，如文献【2 1 】提出的零序导纳法 馈线接地保护、文献 2 2 】提出的零序基波时序鉴别等方法。这些微机保护方法引 入了相对相位和参量比幅关系，再加上重复判断和综合判断的措施，既可作用于 信号，也可作用于跳闸( 可以瞬时，也可以自动延时、手动) 。微机保护具有灵 敏度高、速度快、判断能力强、可靠性高、整定方便等优点。 因此以前的消弧线圈接地方式的残流很小，继电保护难以配合的障碍已经得 到了很好的解决。相反，低电阻接地方式却遇到了困难。 根据北京供电局在中性点经低电阻( 1 0 q ) 接地的1 0 k v 电网中的现场试验 结果，当裸导线发生断线接地时，计算的接地电流值为4 6 5 a ，但实际接触沥青 路面时，在1 5 s 只能达到1 5 a ；经过0 3 3 s ，接地电流增至11 4 a 时线路跳闸。在绝 缘导线断线的情况下，若断面较脏，情况与裸线相似；若为新断面，则观察不到 电弧，线路也不会跳闸；当裸线断线后与水泥路面接触时，经2 - - 3 s 后接地故障 电流从约4 2 a 增大到2 l a 时被切断；绝缘导线与沥青路面接触时情况相似，只有 断面被弄湿后，才能引起故障线路跳闸。何况，运行中的绝缘导线断线后，外部 绝缘会自然拉长，故障线路跳闸就更加困难了。珠海市1 0 k v 电网的运行经验证 明，单相接地故障多次持续半小时后，方自动跳闸。 为了使零序过电流保护能够瞬间跳闸，则必须加大接地故障电流。显然，接 地故障电流越大，问题和缺点越多，越难适应现代负荷特性的变化。 2 1 7 通信干扰 电力网络在正常运行和故障运行的情况下，因为存在电磁耦合、静电感应、 地中电流传导、高频电磁辐射等情况可能对通信网络产生干扰作用。前三种干扰 的主要表现为音频干扰、工频干扰、接触干扰、地电位升高和纵向电势等。它们 与中性点的接地方式有着密切的关系，造成的干扰影响也有区别。 一般而言，通信干扰的危害性很大，轻则影响通信质量，重则危害通信设备 和人身的安全。前者为干扰影响，后者为危险影响，而且，随着信息网络的发展 问题将会越多，必须加以防范。 理论与实际表明限制单相接地电流是防止通信干扰的有效措施。中性点经消 弧线圈接地方式在全补偿的运行情况下，补偿电网的零序阻抗接近无穷大，单相 接地电流非常小，电磁干扰受到有力的限制，这样的接地方式能够很好地与通信 网络兼容，同时与故障点的位置无关。而中性点经低电阻接地方式与不接地或经 消弧线圈接地的运行方式相比对通信有较大的干扰，需采取相应的保护措施【2 3 。 在音频干扰方面，不接地系统实际上是通过中性点的等值电容接地，对于高 第二章l o k v 配电网接地方式的选择 频，容抗x ，= i w c 减小，因此三的整数倍频的电流上升，引起对通信的干扰， 而消弧线圈接地的方式高频电流不能通过，基本消除这种对通信音频信号的干 扰。 对于工频干扰，在电网正常运行的情况下，中性点位移电压很小，即使在故 障情况下，中性点位移至相电压。根据我国11 0 l ( v 补偿电网中单相金属接地的试 验结果，在与输电线路同杆架设的通信明线中，话音依然清晰可辨，而中压电网 中的这一干扰影响就更小了。 关于接触干扰，是指高压线路的导线断线后，直接与通信线路接触时产生的 干扰。一般认为此种干扰相当危险，其实情况并非如此。由于经消弧线圈接地方 式下电网的三相对地电容不平衡，此时因故障相的导线与通信线相接触，使其对 地电容大大增加，中性点迅速移至线电压三角形的顶点，相当于电网发生了单相 接地故障。国内外中性点经消弧线圈接地系统的运行经验表明，万一通信线路的 绝缘击穿，电力线和通