20kV配电网中性点接地方式选择

1、3 20kV 配电网中性点接地方式选择前言电力系统中性点接地方式是一个涉及到供电的可靠性、过电压与绝缘配合、继电保护、通信干扰、系统稳定诸多方面的综合技术问题，这个问题在不同的国家和地区，不同的发展水平可以有不同的选择。基于对系统电容电流的计算结果，综合经济性比较分析、 人身安全问题和技术及设备发展水平等各方面因素，20kV 配电网中性点接地方式针对不同出线类型应当选择不同的中性点接地方式。3.1电容电流的计算方法电容电流是确定 20kV 配电网中性点接地方式的基本依据之一。配电网电容电流受到多种因素的影响， 若要获得精确地数值， 则需要选用专用的测量仪器对其进行现场测量。 一般情况下，电容电

2、流可按精确计算公式或经验公式进行计算。 在进行中性点接地方式的选择时，首先应当对系统电容电流进行计算。3.1.1线路电容的计算方法（1）架空线路图 3.1-1 所示为一条三相架空线路，abc导线 ， ， 上分别载有电荷a， b 和c，Daba b cQ QQ采用镜像法计算线路的对地电容，线路的Haa Hcb 电荷与对地电位之间存在如下关系式：abc?U aPaaPabPacQa?U bPbaPbbPbc Qb （3-1 ）架空线路电容?PcaPcbPcc?图 3.1-1U cQc参数计算图式中，P 是当 a 导线有单位电荷而其他导线没有电荷时，导线 aaa上的电位，由?（3-2 ）U aPaa

3、 Qa可得：?PaaQa In H aa （3-3 ）2ra式中：r a 为导线 a 的半径，m；Haa为导线与其镜像导线间的距离，m。同理可求出互导电位系数，再进一步求出电位系数矩阵。架空线路的每相等值电容可由下式求得：20C02h（3-4 ）Inr式中：0 为空气介电常数，F/m；h 为架空线平均对地高度， m；r为架空导线半径， m。（2）电缆线路电缆线路的每相等值电容可由下式求得：C02 r0r2（3-5 ）Inr1式中：0 为空气介电常数，F/m； R 为电缆材料相对介电常数；r 1 为电缆芯线半径， m；r 2 为电缆外皮内半径， m。3.1.2电容电流的计算配电网对地电容电流I

4、C 可以采用下式求得：I C3 C0U e L 10 3（3-6 ）式中：I C为对地电容电流， A；Ue 为系统额定线电压， kV；C0 为电缆或架空线路的单相对地电容， F/km；L 为电缆或架空线路的长度， km。对于架空线路，电容电流可以采用下式近似估算：IC （ 2.7 3.3 ） U e L 10 3（3-7 ）式中：U 为系统额定线电压， kV；L 为架空线路的长度，km。式 3-7e中，系数 2.7 3.3的取值原则为：对没有架空地线的采用2.7 ；对有架空地线的采用3.3 。架空线路的对地电容电流， 既包括其本身的对地电容电流，也应考虑架空地线（屏蔽线）的对地电容电流的影响。

5、此外，同杆双回线路架设方式也加大了电容电流，其值一般为单回路的1.3 1.6 倍。对于电缆线路，电容电流可以采用下式近似估算：I C 0.1U eL（3-8 ）式中：Ue 为系统额定线电压， kV；L 为电缆线路的长度， km。考虑到电缆结构尺寸变化较大， 电缆线路设计手册中对电容估算公式经验系数进行了修正，电缆电容电流计算公式如下：I CKU eL（3-9 ）K951.44 S（3-10 ）22000.23 S2式中： K 为经验系数； S 为电缆截面积， mm；L 为电缆长度， km。电缆线路若进行较为精确的估计，可以参考表3.1-1 中的数据。表 3.1-1电缆线路的电容电流值（ A/k

6、m）电缆截面额定电压（ kV）2102035（ mm）350.991.822.22501.092.012.41701.242.252.64951.372.482.861201.492.683.061501.622.883.271851.783.143.492401.963.463.783002.143.744.074002.414.164.495002.634.664.86由于配电网规模不断扩大，网架结构复杂，负荷多样化，导致了对电容电流产生的影响因素也非常复杂。 原来单一的估算公式考虑的情况过于简单， 无法满足目前配电网电容电流的估算要求， 存在一定误差，需要进行必要的修正。在前述电容电流估

7、算公式中，引入如下修正系数：a）配电装置影响率：计算配电网电容电流时，除了考虑架空线路和电力电缆线路的电容电流， 还应考虑变电所内配电装置的影响。对于 10kV 中压配电网，变电所配电装置使电容电流增加 12%20%，一般情况下取 15%进行计算。这部分电容电流主要由主变压器、电流互感器、电压互感器和开关柜等对地电容产生。对于 20kV 中压配电网，主变压器容量有所增加，母线和开关也一般采用封闭设计，因此变电站内配电装置对电容电流的影响也应较之 10kV 网络增加，可取20%进行计算。b）低压侧附加电容电流：低压侧的影响可分为两部分，一部分是配电变压器对系统电容电流的影响，另一部分是低压线路对

8、电容电路的影响。对于主变容量为MT 的变电站，一般取=0.2 0.3MT（ MVA），A。c）配电网裕度系数：裕度系数主要包括对电缆长度及统计不准确的配网参数， 或者由于地区城市化建设较快，远景规划中取得较乐观的数值，均有该系数进行修正，该值一般在1.1 1.5 之间。综上所述，配电网接地电容电流修正公式可表示为：I C(1+ )( I M LMI B LBI s Ls )（3-11 ）式中： I M、I B、I s 分别为主线路电缆、分支线电缆和架空线单位长度电容电流， A；LM、LB、Ls 分别为其对应的线路长度，km。3.2 20kV 中性点接地方式选择20kV 配电网按照变电站出线线路

9、类型可以分为三类：纯架空线路、纯电缆线路、 混合线路。不同出线线路类型的配电网有各自的特点，因此，针对不同出线类型应选择不同的中性点接地方式。城市电力网规划设计导则（Q/GDW 156-2006）关于中压配电网接地方式选择有如下规定：a）对于 35kV、20kV、10kV 电压等级的中性点不接地系统， 在发生单相接地故障时，若单相接地电流在 10A以上，宜采用经消弧线圈接地方式，宜将接地电流控制在 10A以内，并允许单相接地允许 2 小时。b）对于 35kV、20kV、10kV 电压等级的中性点经低电阻接地系统，在发生单相接地故障时， 20kV、10kV接地电流宜控制在 150500A范围内，

10、35kV接地电流为 1000A，应考虑跳闸停运，并注意与重合闸的配合。c）对于 35kV、20kV、10kV 电压等级的非有效接地系统，当单相接地故障电流达到150A以上的水平时，宜改为低电阻接地系统。交流电气装置的过电压保护和绝缘配合（DL/T 620-1997）关于中压配电网接地方式选择有如下规定：a）3kV10kV 不直接连接发电机的系统和 35kV、66kV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故障条件下运行时，应采用消弧线圈接地方式：3kV10kV 钢筋混凝土或金属杆塔的架空线路构成的系统和所有35kV、66kV系统，10A。3kV10k

11、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 3kV和 6kV时，30A；10kV时，20A。3kV10kV电缆线路构成的系统， 30A。b）6kV35kV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，当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。3.2.1纯架空线路中性点接地方式选择纯架空线路中， 只有变电站出线部分存在电缆，其它均为架空线路。假设变电站出线电缆部分的电容电流值为5.0A（出线电缆截面2考虑为 -185mm，长度按 1.6km 计算）。根据 3.1 节估

12、算公式，考虑 20kV配电装置影响，电容电流增加值为20%；同杆双回架设方式影响，电容电流增加值为60%。不计低压侧附加电容电流及配电网裕度系数。变电站 20kV 纯架空出线情况下的电容电流的详细数值和中性点接地方式选择情况见表3.2-1 和表 3.2-2 。表 3.2-1变电站 20kV 纯架空出线电容电流值线路长度电容电流线路长度电容电流（ km）（A）（ km）（A）107.09015.3208.110016.4309.112018.44010.114020.55011.215021.66012.216022.67013.318024.78014.320026.7表 3.2-2纯架空出线

13、变电站中性点接地方式选择线路长度接地方式线路长度接地方式（ km）（ km）10A90B20A100B30A120B40A140B50B150B60B160B70B180B80B200B注： A 为中性点不接地方式；B 为中性点经消弧线圈接地方式。变电站20kV 出线为纯架空线的对地电容电流随线路总长度的变化曲线如图3.2-1所示。当变电站20kV 架空线路总长度大于40km 时，电容电流大于10A，应采用消弧线圈接地方式。当变电站20kV25）A 20（流电容 15电不接地消弧线圈10方式接地方式架空线路总长度小于40km时，5050100150200架空线路总长度（ km）图 3.2-1

14、变电站 20kV 纯架空出线电容电流变化曲线采用中性点不接地方式。纯架空出线的变电站常见于负荷较小的农村电网中， 在广大农村地区， 20kV 配电网以架空出线为主。考虑到农村地区的负荷增长缓慢，在 20kV 电网建设初期，变电站出线较少， 架空线路总长度较短，当小于 40km时，可采用中性点不接地方式。 待 20kV 电网有一定程度的发展后，变电站出线增多，架空线路总长度增加后，可以改造成消弧线圈接地方式。3.2.2纯电缆线路中性点接地方式选择纯电缆线路中，根据 3.1 节估算公式，考虑 20kV 配电装置影响，电容电流增加值为 20%。不计低压侧附加电容电流及配电网裕度系数。变电站 20kV

15、 纯电缆出线情况下的电容电流的详细数值和中性点接地方式选择情况见表 3.2-3和表 3.2-4 。表 3.2-3变电站 20kV 纯电缆出线电容电流值（ A）电缆总2电缆截面（ mm）长（km）355070951201501852403004005001021.824.127.029.832.234.637.741.544.949.955.92043.748.254.059.564.369.175.483.089.899.8111.83065.572.481.089.396.5103.7113.0124.6134.6149.8167.84087.496.5108.0119.0128.6138.

16、2150.7166.1179.5199.7223.750109.2120.6135.0148.8160.8172.8188.4207.6224.4249.6279.660131.0144.7162.0178.6193.0207.4226.1249.1269.3299.5335.570152.9168.8189.0208.3225.1241.9263.8290.6314.2349.4391.480174.7193.0216.0238.1257.3276.5301.4332.2359.0399.4447.490196.6217.1243.0267.8289.4311.0339.1373.7403.

17、9449.3503.3100218.4241.2270.0297.6321.6345.6376.8415.2448.8499.2559.2120262.1289.4324.0357.1385.9414.7452.2498.2538.6599.0671.0140305.8337.7378.0416.6450.2483.8527.5581.3628.3698.9782.9160349.4 385.9 432.0 476.2 514.6 553.0 602.9 664.3 718.1 798.7894.7180 393.1 434.2 486.0 535.7 578.9 622.1 678.2 74

18、7.4 807.8 898.6 1006.6200 436.8 482.4 540.0 595.2 643.2 691.2 753.6 830.4 897.6 998.4 1118.4表 3.2-4纯电缆出线变电站中性点接地方式选择电缆总长2电缆截面（ mm）（km）3550709512015018524030040050010BBBBBBBBBBB20BBBBBBBBBBB30BBBBBBBBBBC40BBBBBBCCCCC50BBBBCCCCCCC60BBCCCCCCCCC70CCCCCCCCCCC80CCCCCCCCCCC90CCCCCCCCCCC100CCCCCCCCCCC120CCC

19、CCCCCCCC140CCCCCCCCCCC160CCCCCCCCCCC180CCCCCCCCCCC200CCCCCCCCCCC注： B 为中性点经消弧线圈接地方式，C为中性点经低电阻接地方式。变电站 20kV的出线电缆的2平均截面一般可取为185mm。变电站出线的电容电流随出线电缆总长度的变化曲线如图3.2-2 所示，当变电站出线电缆的总长度大于 35km时，考虑配电装置电容电流影响，此时总的对地电容电流大于150A，宜采用低电阻接地方式。800700） 600A（ 500 流电 400容 300消弧线圈电低电阻200接地方式接地方式10000 25 50 75 100 125 150 17

20、5 200电缆线路总长度（ km）图 3.2-2 变电站 20kV纯电缆出线电容电流变化曲线纯电缆出线的变电站常见于负荷较为密集的城市电网中， 出线电缆总长度较长，一般大于 35km，宜采用中性点低电阻接地方式。在电网建设初期，变电站出线电缆的总长度可能小于35km，但是，考虑到城市电网发展速度较快，也宜考虑采用低电阻接地方式。因此，对于变电站 20kV 出线为纯电缆线路的情况， 宜采用低电阻接地方式。3.2.3混合线路中性点接地方式的选择变电站 20kV 出线为架空线和电缆线混合的情况在 20kV 配电网中较为常见。根据 3.1 节估算公式，考虑 20kV 配电装置影响，电容电流增加值为 2

21、0%；同杆双回架设方式影响，架空线路电容电流增加值为 60%。不计低压侧附加电容电流及配电网裕度系数。变电站 20kV 为混合线路的情况下电容电流的详细数值和中性点接地方式选择情况见表3.2-5 和表 3.2-6 。表 3.2-5变电站 20kV 混合出线电容电流值（A）电缆总架空线路总长（ km）长（ km）102040608010012014016018020018.49.411.513.615.717.719.821.924.026.028.1211.012.014.116.218.220.322.424.526.528.630.7416.117.119.221.323.425.427.

22、529.631.733.735.8623.624.726.828.830.933.035.037.139.241.343.3831.232.234.336.438.440.542.644.746.748.850.91038.739.841.843.946.048.050.152.254.356.358.430 114.1 115.1 117.2 119.3 121.3 123.4 125.5 127.6 129.6 131.7 133.835 132.9 134.0 136.0 138.1 140.2 142.2 144.3 146.4 148.5 150.5 152.640 151.8 15

23、2.8 154.9 156.9 159.0 161.1 163.2 165.2 167.3 169.4 171.550 189.4 190.5 192.5 194.6 196.7 198.8 200.8 202.9 205.0 207.1 209.160 227.1 228.2 230.2 232.3 234.4 236.4 238.5 240.6 242.7 244.7 246.880 302.5 303.5 305.6 307.7 309.7 311.8 313.9 316.0 318.0 320.1 322.2100 377.8 378.9 380.9 383.0 385.1 387.2

24、 389.2 391.3 393.4 395.5 397.5120 453.2 454.2 456.3 458.4 460.5 462.5 464.6 466.7 468.7 470.8 472.9140 528.6 529.6 531.7 533.7 535.8 537.9 540.0 542.0 544.1 546.2 548.3160 603.9 605.0 607.0 609.1 611.2 613.2 615.3 617.4 619.5 621.5 623.6180 679.3 680.3 682.4 684.5 686.5 688.6 690.7 692.8 694.8 696.9

25、 699.0200 754.6 755.7 757.7 759.8 761.9 764.0 766.0 768.1 770.2 772.3 774.3表 3.2-6混合出线变电站中性点接地方式选择电缆总长架空线路总长（ km）（ km）10204060801001201401601802001AABBBBBBBBB2BBBBBBBBBBB4BBBBBBBBBBB6BBBBBBBBBBB8BBBBBBBBBBB10BBBBBBBBBBB30BBBBBBBBBBB35BBBBBBBBBCC40CCCCCCCCCCC50CCCCCCCCCCC60CCCCCCCCCCC80CCCCCCCCCCC100

26、CCCCCCCCCCC120CCCCCCCCCCC140CCCCCCCCCCC160CCCCCCCCCCC180CCCCCCCCCCC200CCCCCCCCCCC注： A为中性点不接地方式，B 为中性点经消弧线圈接地方式，C 为中性点经低电阻接地方式。出线为混合线路的20kV 变电站的中性点接地方式与线路长度的关系如图3.2-3所示。当变电站 20kV 出线中电缆总长度小于 1.6km 且架空线路总长度小于40km时，采用中性点不接地方式；当变电站20kV 出线中电缆总长度大于 35km时，采用中性点低电200）m 175（ 150度长 125消弧线圈低电阻总100接地方式接地方式路线75空架

27、 50不接地25方式0102030405060708090电缆线路总长度（km）阻接地方式；其它范围内采用中性点经消弧线圈接地方式。图 3.2-3 变电站 20kV 混合出线接地方式与线路长度关系我国目前 10kV 线路和 35kV 线路中混合线路所占的比例较高， 可以预计在 20kV改造后，大部分地区 20kV配电网也将以混合线路为主。在混合线路中， 三种接地方式有各自的适用范围。在选择中性点接地方式过程中，也应当考虑电网的未来发展情况和同一供电区域内中性点接地方式一致的原则。3.3 20kV 中性点接地方式经济性分析不同接地方式下配电网设备和线路对绝缘水平的不同要求，将导致设备改造费用的差

28、异，因此，需要对20kV 配电网中性点不同接地方式进行经济性比较分析。在配电网升压至20kV 过程中，架空线路等设备可以在原有设备基础上进行部分改造，以满足20kV 电压等级的要求。但是对于开关设备和电缆设备，在原有10kV 设备上进行改造在利用比较困难，因此需要部分更换新设备。各种中性点接地方式的绝缘水平要求根据交流电气装置的过电压保护和绝缘配合（ DL/T 620-1997 ）规定， 20kV 配电网设备和线路的绝缘水平要求如表3.3-1 所示。表 3.3-1不同接地方式的设备和线路绝缘水平中性点接地方式设备绝缘水平（ p.u. ）线路绝缘水平（ p.u. ）不接地方式3.53.5消弧线圈

29、接地方式3.23.2低电阻接地方式2.52.5在 20kV 配电网中，采用中性点非有效接地（包括不接地和消弧线圈接地方式） 对开关设备的工频耐压水平高于低电阻接地方式。 因此，对于 20kV 配电网涉及的开关设备，其工频耐压水平应符合电力行业所规定的高工频耐压水平。根据以上分析， 20kV 配电网在不同接地方式下设备选择及经济性比较如下：（ 1）开关设备a）在中性点经低电阻接地方式下，对于开关设备可选择工频耐压通用值 50kV，断开耐压值 64kV 的低绝缘水平标准。b）在中性点经消弧线圈接地和不接地方式下，对于开关设备应选择工频耐压通用值65kV，断口耐压值 79kV 的高绝缘水平标准。其价

30、格略高于同等条件下的低绝缘水平标准开关设备的价格，比低电阻接地方式下开关柜价格提高约10%。（ 2）电缆设备a）在中性点经低电阻接地方式下，对于电缆设备可采用工频耐压水平较低的 A 类电缆。b）在中性点经消弧线圈接地和不接地方式下，对于电缆设备应采用工频耐压水平较高的C类电缆。其每千米电缆价格比低电阻接地方式下价格提高约10%。接地设备和接地变压器设备与开关设备及电缆设备相比，其费用所占投资总费用的比例很小，因此，其对总投资费用的影响较小。3.4 20kV 中性点接地方式综合选择中性点接地方式关系到电力系统的安全与经济运行，涉及系统的供电可靠性、人身安全、设备安全、绝缘水平、过电压、继电保护、通信干扰、系统发展规划及资金投入、电网现状、运行经验、接地装置等多个方面。中压配电网采取何种接地方式应根据实际电网的数据及综合技术经济比较结果。一般来说， 20kV 中压配网的中性点接地方式选择除了需考虑3.2 3.3 章节技术及经济因素外，还需要综合权衡以下因素：（ 1）电网参数当区域电网瞬时故障率较低、电网网络坚强、备用容量充裕时，适宜采用低电阻接地方式；在电网不够坚强、备用容量欠缺时，为