（电气工程专业论文）10kv配电网接地方式分析研究.pdf

a n a l y s i sa n dr e s e a r c ho fn e u t r a lg r o u n d i n gi n10 k v d i s t r i b u t i o nn e t w o r k s x uz h i w e i b e ( n o r t hc h i n ae l e c t r i cp o w e ru n i v e r s i t y ) 2 0 0 5 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 f t 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 f e 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 n u 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 rl u ol o n g f u m a y , 2 0 1 0 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。 作者签名： 7 舻勿日期：y ，。年罗月日 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 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“) 作者签名：勺争锄戈 导师签 日期：7 , ，i 。年罗月7 日 日期：矽，口年罗月日 l o k y 配屯网接地方式分析研究 摘要 电力系统中性点接地方式是一个综合性技术问题，它涉及到经济性和安全性 等多个方面，是电力系统稳定运行的基础之一，具有十分重要的地位。我国l o k v 配电网主要经历过中性点不接地、经消弧线圈接地以及经电阻接地几种运行方式， 目前国内广泛采用经消弧线圈接地方式。但是，随着配电网的发展，尤其是电缆 线路的大量使用，系统对地电容电流大幅增加，使得消弧线圈接地方式越来越不 能满足电力系统的发展要求。 本文对目前长沙城区1 0 k v 配电网接地方式进行研究，并对其使用的配套装置 进行分析，旨在研究现有中性点接地方式的运行特点和不足之处，探索一种能结 合长沙实际情况的最优接地方式。文中建立了采用电缆出线方式为主的lo k v 配电 系统模型，运用m a t l a b 仿真计算，分析当前消弧线圈接地系统所存在选线准确率 低，消弧线圈容量不能满足实际要求等问题；并具体分析电缆出线为主的配电网 系统中性点经小电阻接地方式的优势，以及电阻阻值选定和继电保护配置及其整 定等方面问题；最后结合长沙市具体情况，提出了以变电站电容电流大小为标准， 对老变电站l o k v 接地系统进行试点改造，对新建变电站1 0 k v 接地系统重点研究小 电阻接地方式的方案，并以罗家嘴变电站的实际改造工程为例进行了设计，采用 逐步改造的过渡方案，保证长沙城区l o k v 配电网的经济、可靠运行。 关键词：配电网；中性点接地方式；消弧线圈；小电阻；电力电缆 i i 硕i ：学位论文 a b s t r a c t t h ep r o b l e ma b o u tn 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 cp o w e rs y s t e mi sa g l o b a lt e c h n i c a lp r o b l e mw h i c ha s s o c i a t e dw i t he c o n o m i ca n ds e c u r i t y a n do t h e r v a r i o u sa s p e c t s i ti so n eo ft h ef o u n d a t i o n so fs t a b i l i t yo p e r a t i o no ft h ep o w e rs y s t e m a n dh a sg r e a ts i g n i f i c a n c ee f f e c t i o n s t h en e u t r a lg r o u n d i n gm o d eo ft h e lo k v n e t w o r ki n v o l v e do fn o n eg 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 so rr e a c t a n c e g r o u n d i n gi nt h ep a s ti no u rc o u n t r y ，a n dm o s to ft h e ma r ea d o p t r e s o n a n c eg r o u n d i n g m e t h o dn o w b u tw i t ht h ed e v e l o p m e n to fd i s t r i b u t i o ns y s t e m s ，e s p e c i a l l yt h e w i d e s p r e a du s eo fc a b l e sr e s u l t si nag r e a ti n c r e a s e o ng r o u n dc a p a c i t i v ec u r r e n t m a k e st h et r a d i t i o n a ln e u t r a lg r o u n d i n gm e t h o d sc a n n o tm e e tt h ed e v e l o p m e n to f d i s t r i b u t i o ns y s t e m si n c r e a s i n g l y t h i st h e s i sa n a l y z e dt h er e s o n a n c eg r o u n d i n g m e t h o da l o n gw i t ht h ea c c e s s o r yu n i to flo k vd i s t r i b u t i o nn e t w o r ki nc h a n g s h a d i s t r i c t ，a i m i n gt of i n dt h ed e f i c i e n c yo fe x i s t i n gm e t h o da n dp r o b ef o ra no p t i m u m d e s i g nb a s e do nt h ea c t u a ls i t u a t i o n i nt h i sp a p e r ，w i t hs i m u l a t i n gc o m p u t a t i o n su s i n gm a t l a b ，a lo k vd i s t r i b u t i o n s y s t e mw i t hc a b l eo u t g o i n gl i n e sa r eb u i l tt oa n a l y s e t h ep r o b l e m ss u c ha st h e s u p p o r t i n gs e l e c t e dl i n ee q u i p m e n th a sl o wa c c u r a c ya n d t h ea r cs u p p r e s s i n gc o i l f a i l e dt or e a c ht h e c a p a c i t yf o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o ne t e ，a n d a l s os t u d i e dt h e a d v a n t a g e so fn e u t r a lg r o u n d i n gm o d ev i as m a l lr e s i s t a n c ei nt h i ss y s t e m m e a n w h i l e ， t h em a g n i t u d eo fl o w r e s i s t a n c ea sw e l la st h es e t t i n go fz e r o - s e q u e n c ec u r r e n t p r o t e c t i o na r eu n d e rc o n s i d e r a t i o n t h i sp a p e rp r o p o s ei n n o v a t i v eg r o u n d i n gs o l u t i o n f o ro l dd i s t r i b u t i o nn e t w o r kg r a d u a l l ya n da p p l yt h en e u t r a lg r o u n d i n gm o d ev i a s m a l lr e s i s t a n c ei nn e wc o n s t r u c t i o nd i s t r i b u t i o nn e t w o r k o nt h ew h o l e ，l u o j i a z u i p o w e rs t a t i o n s a r ee m p l o y e dt oi l l u s t r a t et h ep r o p o s e di d e a u s i n gt h i sr e f o r m t r a n s i t i o np l a nt oi m p r o v et h ep o w e ru t i l i z a t i o ne c o n o m ya n dr e l i a b l yi nc h a n g s h a d i s t r i c t k e y w o r d s ：p o w e r d 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 ；s m a l lr e s i s t a n c e ；p o w e rc a b l e i i i 1 0 k v 配电网接地方式分析研究 目录 学位论文原创性声明和学位版权使用授权书l 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 选题背景与意义l 1 2 国内外研究现状和发展趋势2 1 2 1 国外研究现状和发展趋势2 1 2 2 国内研究现状和发展趋势3 1 3 本文的主要工作和创新点一4 第2 章配电网接地系统基础分析5 2 1 接地变压器的结构及其特点6 2 2 中性点不接地系统分析9 2 3 中性点经消弧线圈接地系统分析1 1 2 4 中性点经电阻接地系统分析1 4 2 5 本章小结1 6 第3 章长沙市1 0 k v 配网中性点接地方式分析1 8 3 1 长沙城区1 0 k v 配网线路的特点一1 8 3 21 0 k v 配网所使用的小电流故障选线方式1 9 3 2 1 基于稳态分量的方法一1 9 3 2 2 基于暂态分量的方法2 0 3 2 3 基于非故障信号的方法一2 1 3 2 4 配电网单相接地故障选线的意义2 1 3 3 长沙1 0 k v 配网电流选线装置使用情况分析一2 2 3 4 消弧线圈接地系统m a t l a b 仿真分析2 3 3 5 本章小结2 3 第4 章1 0 k v 配电网中性点小电阻接地系统设计2 9 4 1 中性点电阻值的选择2 9 4 2 单相接地故障电流和继电保护装置的分析3 0 4 3 小电阻接地系统中的零序保护一3 3 4 3 1 零序电流的获取3 3 4 3 2 零序电流保护的配置和整定3 4 i v 硕j 二学位论文 4 3 3 影响零序电流保护性能的因素3 6 4 4 零序电流保护需注意的问题3 7 4 5 本章小结3 7 第五章长沙市罗家嘴变电站小电阻接地改造设计方案一3 9 5 1 改造工程主要设计内容3 9 5 2 小电阻接地系统保护装置4 0 5 3 目前改造中出现的问题以及需进一步进行的工作4 2 5 3 1 在施工过程中出现的主要问题一4 2 5 3 2 需进一步进行的工作4 3 结论与展望一4 5 参考文献4 7 j 目f 【诩 4 9 附录罗家嘴1 1 0 l o k v 变电站小电阻接地设计图5 0 v 硕上学位论文 1 1 选题背景与意义 第1 章绪论 电力系统发展初期，由于电网容量较小，电压不高，一般认为工频电压升高 是绝缘故障的主要原因，因此，电力系统发展初期都采用中性点直接接地运行方 式。但随着电力系统的不断发展，单相接地故障增多，线路跳闸频繁，于是便 将直接接地方式改为不接地方式运行。随着电网传输容量的不断扩大，输电距离 增长，电压等级升高，线路发生单相故障时，故障点产生很大的接地电容电流， 接地电弧很难自行熄灭，同时间歇电弧引起的过电压往往使单相接地故障扩大为 两点接地故障或多点接地故障，严重影响了电网运行的可靠性和稳定性。为了解 决中性点不接地运行方式存在的问题，电力系统又将中性点不接地方式改为经消 弧线圈接地方式。上世纪2 0 年代，德国曾为中性点经消弧线圈接地方式的发源地， 法国电力公司则将全部中压电网的中性点由电阻接地改为消弧线圈接地，但 5 0 6 0 年代德国及其它欧洲国家不再采用中性点经消弧线圈接地方式；另一方面， 以美国、英国、日本为代表的国家主要采用中性点接低电阻、低电抗等接地方式， 配合快速继电保护装置，瞬间跳开故障线路乜4 1 。 长期以来，我国的配电网是以架空线路为主的放射型结构电网，特别是l o k v 配电网中一般都采用中性点不接地的运行方式，但是随着电力事业日益的壮大和 发展，这种简单的方式已不能满足现在的需求。由于城市电网规模不断地扩建和 延伸，而且受城区规划、环保和场地等条件制约，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，这样一来，l o k v 系统单相对地电容电流 就大幅度地增加了。当系统发生单相接地时，接地相的接地电流是非故障相对地 电容电流之和，当电容电流超过i o a ，此时接地电弧不能可靠熄灭，就会产生弧光 接地过电压，而且持续电弧造成空气的离解，破坏了周围空气的绝缘，容易发生 相间短路等严重后果。因此，各地区必须结合当地实际情况，采用合适的中性点 接地方式，尽量避免电网弧光接地和谐振接地过电压的产生，特别是要注意限制 过电压、补偿电网单相接地电容电流以及继电保护等方面的问题。但是电力系统 的中性点接地方式是一个综合性的技术问题，各种接地方式都有其各自的优缺点， 国内供电部门也对此高度重视。电力系统在选择中性点接地方式时，要充分考虑 它与系统的供电可靠性、人身安全、设备安全、绝缘水平、过电压保护、继电保 护、通信干扰及接地装置等各方面问题，同时具有理论研究与实践经验密切结合 的特点，并且切实考虑经济效益，全面考虑，使系统具有更优的技术经济指标， 1 0 k v 配电网接地方式分析研究 避免因决策失误而造成不良后果。 长沙地区配电网在1 9 9 8 年前全部采用中性点不接地方式，随着电网的大幅改 造和电缆的大量使用，原来的中性点不接地系统已渐渐不能满足电网安全运行的 要求，为此前几年绝大多数城区无人值班的1 0k v 变电站都改造为中性点经消弧线 圈接地方式运行。但由于近几年受城市规划、城市美化和解决线路走廊问题的限 制，市区配电网开始城网改造，大量应用电缆哺3 ，氧化锌避雷器( m o a ) 等新型的 电气设备。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，城区配网电力线路电缆率达到5 0 4 。因此，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，主 要表现在以下方面： ( 1 ) 由于电缆线路与架空线线路的不同，如果系统长时间带故障运行，将容易 导致电缆绝缘的老化，甚至在绝缘薄弱点发生闪络或者击穿，使单相接地故障进 一步发展为相间短路，导致事故恶化1 。而且电缆线路发生单相接地故障的概率 很低，一旦发生事故，多为永久性故障，破坏电缆绝缘，不能满足系统重合闸的 要求，使得中性点经消弧线圈接地系统的供电可靠性受到很大影响，优点也不复 存在。 ( 2 ) 随着电缆的大量使用，系统对地电容电流也不断增加，导致变电站的消弧 线圈容量也必须随之增大，不仅出现补偿困难、投资成本大增的情况，而且也受 到场地限制，难以满足要求。同时，在投切电缆线路时，系统对地电容电流波动 很大，导致消弧线圈的调谐操作困难，技术难度增大。 ( 3 ) 采用中性点经消弧线圈接地方式的配电网，其弧光接地过电压和铁磁谐 振过电压的幅值较高，持续时间较长，对设备绝缘和m o b 的安全运行也造成严重威 胁订1 。并且现在城市配网正逐步向环网供电网络发展，一些重要用户采用多路电 源供电，通过电网结构优化和调度控制升级，以及配网自动化和继电保护水平的 提高等，来保障系统的供电可靠性。因此，经消弧线圈接地系统的优势进一步被 消弱。 考虑到现行的中性点接地方式，已难以满足电缆出线为主的城市配电网运行 需求，而且国内电力系统发展迅速，对于1 0 k v 配电网的理论研究并不多，实践经 验较少，因此，针对长沙配网的具体情况，对最优接地方式进行研究是非常重要 的。 1 2 国内外研究现状和发展趋势 1 2 1 国外研究现状和发展趋势 国际上，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历史沿 袭来选择和确定的，下面主要介绍几个大国的研究现状。 2 硕士学位论文 a 俄国( 前苏联) ：俄国的情况与我国基本相同，城市配电网一般采用不接地 或经消弧线圈接地方式，莫斯科市配电电缆网络至今仍采用中性点经消弧线圈接 地的运行方式。 b 德国：德国是中性点经消弧线圈接地方式的发源地，但自2 0 世纪5 0 6 0 年 代以来，德国已放弃了这种配电网中性点接地方式，目前主要采用中性点经电阻 接地的运行方式。 c 美国：美国在2 0 年代中期至4 0 年代中期，在2 2 7 0 k v 电网中，中性点直接 接地方式占多数，且发展很快，逐步取代了不接地的运行方式。但6 0 年代以后， 美国主要采用中性点接低电阻、低电抗等接地的运行方式。 d 法国电力公司从19 6 2 年开始，将城市配电网的标称电压定为2 0 k v ，其中性 点采用电阻或电抗接地方式，n s o 年代以后，其采取了一系列改进措施，将城市 和农村全部中压电网( 包括纯电缆网络、混合电网和架空线路电网) 均采用中性点 经补偿电抗接地的运行方式1 。 e 芬兰全国的1 0 、2 0 k v 中压电网都采用小电流接地方式，其中中性点不接地 和经消弧线圈接地方式运行的各占8 0 与2 0 。 f 日本各级电网除个别地区外，1l 3 3 k v 配电网中性点接地方式中，以经小 电阻接地方式占多，一般其限制接地电流数值为1 0 0 2 0 0 a ，东京电力公司所属 2 2 k v 配电网采用中性点经电阻接地的运行方式。 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b 3 ，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密切相关“引。 1 2 2 国内研究现状和发展趋势 我国过去一直采用中性点不接地和经消弧线圈接地的运行方式，但是随着电 力事业发展的需要，情况己逐渐发生改变。目前，国内有上海，广州、深圳、珠海、 苏州等供电公司近几年都先后改用经小电阻接地的运行方式。1 副。大连供电公司 则执行电容电流在1 0 2 0 0 a 之间，采用消弧线圈接地；大于2 0 0 a 采用小电阻接地的 运行方案n5 1 。国内大部分省市和地区，则仍采用中性点不接地及经消弧线圈接地 方式。接地方式的选择关键要结合所在电网的实际情况，并根据电网发展的趋势， 适时做出调整，以满足运行需要。 下面以我国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 的研究现状和发展趋势： a 北京市：北京地区在总结几十年运行经验的基础上，正逐步地在以电缆线 路为主的配电网中，在条件许可时，拟改为中性点经低电阻接地的运行方式。近 几年来，先后将四环以内的配电网中性点改为低电阻接地，目前已有5 座变电站投 3 ! o k v 配电网接地方式分析研究 入运行，运行情况良好。 b 上海市：上海2 3 k v 电缆网中性点经电阻接地，已有近8 0 年的运行经验；l o k v 电缆网中性点为不接地、电阻接地和电抗接地3 种方式分别存在；3 5 k v 网络主要为 消弧线圈和电阻接地2 种方式，运行都比较正常。 c 天津市：天津市电缆网络也比较多，过去以中性点经消弧线圈接地为主， 近年来在保税区电力公司3 5 k v 电缆网中，试行推广低电阻接地方式，运行情况正 常。 d 广州市：广州市区l o k v 配电网以电缆为主，中性点也有部分地区己改为经 低电阻接地的运行方式，总的来说效果不错。 e 深圳市：深圳市l o k v 配电网电缆线路不断增加，在市区9 9 个孤立l o k v 配电 网中，单相接地电容电流超过3 0 a 的已占8 0 ，个别配电网已达2 0 0 a 。因此，从1 9 9 5 年开始，深圳就开始实施l o k v 配电网中性点改经低电阻接地。目前已有7 个1l o k v 变电站采用了2 0 套大容量接地电阻柜，经过多年运行，其线路零序保护正确动作 跳闸成功率为1 0 0 ，且配电网中未发生谐振现象，并避免了三相短路事故，也没 发生人触电事故，安全运行情况大为好转。 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 本文的主要工作和创新点 本文通过对当前国内l o k v 配电网和变电站中性点接地方式进行研究，分析目 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l o k v 配电网接地系统最优方式进行分析，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。 文中以罗家嘴变电站小电阻接地改造工程为例进行了设计，对中性点经小电 阻接地系统的一次设备和继电保护设计进行了阐述，同时也论证了在当前的系统 设备技术水平以及小电阻接地方式存在一定缺点的情况下，应考虑电网的具体情 况，先对电缆比重大的变电站进行改造。文中充分考虑到目前城市配电网的实际 情况，综合变电站改造成本、新建变电站的投资成本及经济性和安全性，提出针 对老变电站l o k v 接地系统，重点研究消弧线圈改造工程，节约接地系统改造投资 成本；而针对新建变电站l o k v 接地系统，重点研究中性点小电阻接地运行方式， 制定相应的设计规程的这种设计方案。 4 硕士学位论文 本文主要内容分为以下几个部分： l 、绪论 简要介绍了目前国内外中压配网接地系统的研究现状和发展趋势，对国内配 网线路的发展和中性点接地方式的改变进行了阐述，并客观分析了目前接地方式 中所存在的一些问题。 2 、配电网接地系统的基础分析 在变电所主变压器l o k v t g , 0 为三角形接线、无中性点引出的情况下，分析了通 过接入接地变压器人为建立一个中性点的运行方式，并对接地变压器工作原理进 行深入探讨，然后对国内常见的三种接地方式分别进行讨论分析，得出各自的优 缺点。 3 、长沙城区1 0 k v 配网中性点接地方式分析 详细分析了长沙城区配网线路的特点以及当前选线装置的使用情况，指出目 前配网中性点接地运行方式的不足，并运用仿真软件对经消弧线圈接地系统进行 仿真计算，验证小电流接地方式所存在的选线不准的缺陷。 4 、l o k y 配电网中性点小电阻接地系统设计 对中性点电阻值的选择以及继电保护的配置与整定进行具体分析，并通过仿 真验证小电阻接地系统在目前长沙城区投入使用的必要性和可行性。 ” 5 、长沙市罗家嘴变电站小电阻接地改造设计方案 通过对实际工程项目进行调研和学习，总结具体运行经验，进一步阐述了小 电阻接地系统在长沙城区l o k v 配网中投运的运行情况和推广的可行性。 6 、结论 1 0 k v 配电网接地方式分析研究 第2 章配电网接地系统基础分析 电力系统的中性点一般是指电力系统中星型联结的变压器的节点，中性点的 运行方式是指中性点与大地间的电气连接方式。在系统中，如果变压器绕组为三 角形接法，无中性点引出，在选用消弧接地或小电阻接地装置时，就必须用接地 变压器引出中性点。电力系统中性点接地是一个涉及供电可靠性、绝缘水平、继 电保护、通讯干扰、电磁兼容及接地装置等多方面的综合性技术问题，其对电网 运行的安全可靠性和经济性有着重大影响。电力系统中性点接地方式一般可分为 大电流接地系统和小电流接地系统两大类，其中大电流接地系统中有经低电阻、 低电抗和直接接地方式；小电流接地系统中有经消弧线圈接地、高电阻接地和不 接地方式n p l 9 3 。目前，我国l o k v 配电网中性点接地方式主要分为以下三类：中性点 不接地、经消弧线圈接地和低电阻接地方式，这三种接地方式都有着各自的优缺 点，需要根据不同地区的用电特性来选用不同的接地方式。由于在配电网运行过 程中发生的故障多为短路故障，且单相接地故障居多乜引，本章将结合影响选择接 地方式的因素以及不同接地方式的特点对l o k v 配电网的接地方式及其发生单相接 地故障时的运行特征进行具体分析。 2 1 接地变压器的结构及其特点 通常城市变电所主变压器l o k v 倾0 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。接地变压器的功能就是为 中性点不接地系统引出一个中性点，一般配置z n 型接线的接地变压器，简称曲折 变，目前长沙城区l o k v 配网的接地站用变都是曲折变。因此，在研究l o k v 配电网 接地系统最优方式以及对变电站改造的过程中，需要先对接地变压器的结构、接 线方式、工作状态和选择方法进行研究分析。 接地变压器的最大功能就是传递接地补偿电流，而接地补偿电流实际上是一 种零序电流，它只能在零序阻抗非常小的网络中畅通。要使消弧线圈或接地电阻 所产生的补偿电流能够顺利通过接地变压器，零序电压在接地变压器上的压降最 小，零序电压都加在中性点的消弧线圈或接地电阻上，接地变压器的零序阻抗就 要非常小。同普通的y y 形变压器比较，z 型接线变压器的零序阻抗小，更适合做 接地变压器使用，能够更好的配合消弧线圈或接地电阻使用。由于结构上的特殊 性，z 型接地变压器在谐振接地系统得到了广泛的应用。z 型接地变压器的三相铁 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，三相绕组按z 型联结 法接成星形接线，见图2 1 所示。其不带二次绕组的接线图和向量图分别如图2 2 6 硕士学位论文 和图2 3 所示。 abc 图2 1 简易结构图 图2 2 绕组接线图 a c 1 c 2 a l c l b l 图2 3z 型变压器向量图 当带有二次绕组时，共有z n y n l l 和z n y n l 两种接线方式，具体分析如图2 4 和 图2 5 所示。其降低零序阻抗的原理是：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 7 l o k v 配电网接地方式分析研究 柱上的合成磁势相差1 2 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。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，所以零序阻抗也很小， 零序电流在绕组上的压降很小。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。 0abc c a c l b 0a bc 图2 4 接地变压器接线及向量图( z n y n l1 ) oabc b l c a b 0abc 图2 5 接地变压器接线及向量图( z n y n l ) b b 接地变压器的工作状态，由于很多接地变压器只提供中性点接地小电阻，而 不需带负载。所以很多接地变就是属于无二次的。接地变在电网正常运行时，加 在接地变压器线端的是三相平衡电压，中性点只有正常允许的不平衡电压( 5 ) ， 线端输人的电流只有很小的励磁电流和不平衡电流，接地变压器的消耗主要是铁 损，接地变压器相当于空载状态。但是，当电网发生单相接地故障时，只在短时 间内( 1 0 s ) 通过故障电流，中性点经小电阻接地电网发生单相接地故障时，高 灵敏度的零序保护判断并短时( 0 ) ，残余电流的方向由线路流向母线；当消弧线圈采用全补偿时 ( y = o ) ，残余电流的方向与中性点电压相同；当消弧线圈采用过补偿时( 7 o ) ，残 余电流的方向为母线流向线路。由此可见，消弧线圈的补偿程度在中性点经消弧 线圈接地的电网中对故障点零序电流的方向有较大影响。而在工程实际中广泛采 用的是过补偿的方式。在这种方式下，故障线路和非故障线路基波的零序电流的 方向相同，故这里用基波零序电流的方向进行选线的方法就不再适用。同样，由 于消弧线圈一般工作在靠近谐振点附近，基波零序电流的数值也较小，对于应用 硕l ：学位论文 比较基波零序电流大小的方法来选线也不适用。 结合实际运行情况，增大消弧线圈电感值，使其工作在过补偿状态，并设置 接地故障点过渡电阻很大以及间歇性弧光接地等复杂情况，对其进行进一步分析。 如图，用m a t l a b s i m u l i n k 工具箱里p o w e r l i b 模型库里的模块搭建间歇性弧光接 地模型，利用b r e a k e r 模块仿真接地电弧模型，其开合表征电弧的熄燃；利用电阻 r 来模拟弧光接地阻抗；利用p u l s eg e n e r a t o r 产生的时间脉冲来控$ 1 b r e a k e r 模块 的开合时间和周期。仿真模型如图3 5 n 示，其零序电流仿真波形如图3 6 所示。 图3 5 单相复杂接地故障仿真模型图 ：i f ，j7 翰八八二 胁 、 双， f 小 vk ， 、 v 、 r ( 出线l 1 ) 2 7 1 0 k v 配电网接地方式分析研究 ( 出线l 2 ) ( 出线l 3 ) 图3 6 消弧线圈接地系统复杂接地故障各出线零序电流波形 通过上面的分析，可以看出在中性点经消弧线圈接地的系统中不能运用基波 零序电流作为选线的判据，实际中有应用5 次谐波分量来选线的应用，但它会受 到c t 不平衡电流和过渡电阻的影响，有时在过渡电阻过大时还会产生“时钟效 应 ，对选线精度造成影响，同时在发生故障后，5 次谐波分量含量较小，不到 故障电流的1o ，容易受到其他因素的干扰而造成误选。因此，对于经消弧线圈 接地的系统中，需要探寻新的选线方法来提高选线的精度。 3 5 本章小结 本章对长沙市l o k v 配网中性点接地系统运行现状进行分析，指出现有故障选 线方法中所存在的不足，文中利用现实参数作为参考建立电缆出线为主的m a t l a b 仿真模型，仿真结果与理论值相符。 硕士学位论文 第4 章10 k v 配电网中性点小电阻接地系统设计 针对上述长沙市1 0 k v 配网消弧线圈接地系统所存在的各种问题，本文对长沙 城区配网小电阻接地系统的改造方案进行进一步研究和探讨。考虑电缆线路的发 展趋势及其逐步主宰城区配网线路的现实，我们必须正视其对地电容电流大、容 抗小等所带来的故障电流增加、不能自动熄弧甚至还会引起反复振荡等缺点，而 这些问题都是现行消弧线圈接地系统中所不能可靠解决的。因此，为了增强配网 系统安全性，对现行接地系统进行小电阻接地改造，当发生单相接地故障后，由 继电保护动作，切断故障，保护电缆线路。 4 1 中性点电阻值的选择 在中性点小电阻接地系统中，通过在回路中串联小电阻形成通路，能够泄放 熄弧后半波的能量，使中性点电位降低，故障相的恢复电压上升速度也减慢，减 少电弧重燃的可能性，抑制电网过电压的幅值，保证了电网的安全。中性点电阻 阻值的合理选取涉及到系统的过电压水平、继电保护的整定、中性点电阻的热容 量、对通讯的干扰以及人身安全等许多问题，是一个需要综合考虑的问题引。日 本按中电阻接地方式考虑时建议将接地点电流值控制在1 0 0 2 0 0 a 的范围内为佳， 美国按低电阻接地方式考虑时认为控制在5 0 0 a 左右合适口6 。3 引。小电阻接地系统应 设置有选择性的、立即切除接地故障线路的保护装置，其电阻值选取应为该保护 装置提供足够大的电流。由于系统中有着足够大的有功电流分量，该保护装置会 可靠动作；同时限制暂态过电压在2 5 倍相电压以下也是一项指标。为了能达到选 择电阻接地优势的目的，接地故障电流通常应高于1 0 0 a ，一般取应用电流值在 2 0 0 1 0 0 0 a 范围。中性点电阻值可能有多种选择方法，例如，按降低人身触电危 险，按对通讯线路的干扰要求，按继电保护装置正确动作要求等等，因要求各不 相同，可能电阻值的计算结果也不尽相同。目前国内还有一种可选择的方法，即 根据运行经验，先确定接地故障电流，再确定相应的电阻值。考虑电阻接地目的 因素，可按经验公式计算中性点电阻如公式( 4 1 ) 所示： r n = u ( 2 - 3 ) i c ( 4 1 ) 式中r n 表示中性点电阻，u 表示配网相电压，i r 表示配网单相接地时电容电 流。其中电容电流的估算可按公式4 2 得出。 i c = 压啡xo ) c x l 0 3 ( 4 2 ) 式中u p 电网线电压( k v ) ，c 为单相对地电容( f ) 。电缆单位电容比架空线单位 电容要大很多，一般我们取电缆单位电容为2 0 0 4 0 0 p f m 口引。根据长沙城区各接 2 9 l o k v 配电网接地方式分析研究 地站用变接地电流记录数据可知，一般情况下接地电流值可达1 2 0 a 以上，由公式 4 1 可计算出中性点接地电阻值可取1 0q 左右。以上计算方法是传统的经验的算 法。而影响确定中性点接地电阻r n 的因素很多，它们与中性点接地电阻阻值之间 的关系复杂，且表现为强烈的非线性关系，无法用简单的方程算式进行表示。目 前在对城市l o k y 配电系统的中性点经小电阻接地方式的确定上，大多采用传统方 法进行，即从系统发生单相接地故障的情况入手，不断改变中性点接地电阻值， 对系统的稳态和暂态两方面进行计算，比较随之改变的单相接地故障电流值、单 相接地故障健全相电压值及弧光接地过电压值、铁磁谐振过电压值等等，然后按 照规程规定值和继电保护等方面的约束值进行综合比较，最终得出较合适的接地 电阻值。 4 2 单相接地故障电流和继电保护装置的分析 对于小电阻接地系统，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，从而有效控制故障点发展为多点接地故障，有利于缩短故障 线路修复时间。对于馈线等保护对象，以往小电流接地系统配置的保护包括：作 用于跳闸的限时相间速断保护和低压闭锁的过电流保护，作用于信号的零序电流 及零序电压保护，一二次自动重合闸等。发生单相接地故障时，由零序保护发出 接地信号，若有消弧线圈，则由手动或自动投入消弧线圈，对接地电容电流进行 补偿，然后由选线装置或运行值班人员找出故障线路，断电后进行处理。但由于 消弧线圈补偿接地电容电流后零序电流残余很小，选线装置一般很难选准故障线 路，只有由运行值班人员拉路选线，这样也就失去了单相接地故障线路可允许再 运行1 2 h 的意义。在中性点小电阻接地系统中，正常运行时各出线三相电流之和 为零，这与消弧线圈接地系统相同。但是在发生单相接地故障时，故障线路的零 序电流与非故障线路的零序电流就发生了根本性的变化。图4 1 为中性点经小电阻 接地系统的零序等效网络图，图4 2 中性点经小电阻接地系统向量图。从图中可以 看出，当电网发生单相接地故障时，由于增加了一个与电网接地电容电流相位相 差9 0 。的有功电流，流过故障点的接地电流就等于电容电流和有功电流的向量和 h 们。应该说，根据零序电流或电阻性电流的大小和方向也是很容易区分故障支路 和非故障支路的。由于单相接地时故障电流大，必须快速切除故障线路，故其保 护配置可为：限时电流速断保护、低电压闭锁过流保护和分段式零序保护，所有 保护均由跳闸来实现。对于架空输电线路，应配置自动重合闸，使得瞬时性故障 后可尽快恢复供电。对于电缆输电线路，考虑到它的故障一般为永久性故障，故 不必设置自动重合闸。另外，为保证可靠地切除故障线路，保护一次设备的安全， 考虑到故障线路的保护或开关存在拒动的可能，所以应在中性点接地电阻回路中 加装t a ，接入零序后备保护或称接地电阻零序保护，加适当延时后，作用于跳开 硕l ：学位论文 变压器低压侧开关。由于配电网接地故障电流的大小直接影响继电保护装置的配 置。系统母线处发生单相接地故障时，虽然单相接地故障电流随中性点接地电阻增 加而逐渐减小，但其数值仍然较大，因此可采用简单的、具有足够灵敏度的零序电 流保护装置。 图4 1 小电阻接地系统等效网络图 u d o j j r t。 i o , ， 7 ；1 一 图4 2 小电阻接地系统向量图 为了与中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障进行比较分析，本节利用： m a t l a b 仿真，同样搭建如图3 2 所示系统出线的小电阻接地系统。其小电阻接地系 统发生单相接地故障时的仿真模型如图4 3 所示，当出线l 1 发生单相金属接地故障 时，其线路零序电流仿真结果如图4 4 所示。 i丫 k i o k v 配i 乜网接地方式分析研究 图4 3 小电阻接地系统单相接地故障仿真模型图 ( 故障线路l l 零序电流) j f 、 n ，、j|：、，、，、a 、 坻 弋 n 1 萄 a ，、n1 f 、 、； u戈弋 1i l 溅彳 一! 乒 1 1 ?!与(u v 7 旷v 。 v，0v v ( 非故障线路l 2 零序电流) 3 2 5 硕i ：学位论文 ，1ln ， i n f1 、a i 3 零序电流) 图44电地系统单相故障各出线零序电流波形5 由可知，一旦发生单相接地故障，不论负载状态或接地故障点 位置如何，线路的零序电流比非故障线路的大得多。因而可以采用零序电流 保护装置来快速继电保护，瞬时切除故障，防止事故的进一步扩大。根据电 缆线路的特发