20kV配电网中性点接地方式基本原理

引言在电力系统配电网中，中性点接地方式是一个综合性的技术问题，它不仅与电力系统的供电牢靠性、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〔电磁环境〕以及接地装置等问题有密切的联系，而且是20kV中压配网升压改造过程中所面临的关键技术之一。合理地选择配电网中性点接地方式，提高配电网供电安全性和牢靠性，削减停电时间和跳闸次数。同时，电力系统中性点接地方式也是经济问题。在选定方案的决策过程中，应结合系统的现状和进展规划进展技术经济比较，全面考虑，使系统具有更优的技术经济指标，避开因决策失误而造成的不良后果。中性点接地方式根本原理主要问题也均将由此打算。中性点接地方式理论分析分析非故障相的工频电压上升与单相接地故障电流等有关问题，请可以从图2.1-1中简化的电力系统等值接线图开头。请下载后阅读！2.1-1配电网单相接地等值电路图图中的降压变压器也可暂不考虑，所导出的公式和得出的结论，对争论中性点接地方式的有关问题照旧具有普遍适用意义。当等值电力系统中的A上升和故障点的单相接地电流。中性点经阻抗Z〔例如A相接地状况下电压nE和电流发生变化。以A相电动势EA

E (1j0)A

为基准，Ak生金属接地时的相序网络如图2.1-2所示。请下载后阅读！2.1-2单相接地网络图〔左图:Ak:A〕012单相接地故障时各相序电流相等，012

EA ，故障I I I

Z Z Z1 2 3f相电流I等于各相序电流之和，Iff

I I I 3I0 1 2

，因此 3E I A

〔2-1〕f Z Z Z1 2 3在故障点k处的三相电压 、 、 可用对称重量法分别求:U ”0A

U ” U ” U ”A B C120 120

aZ Z

〔2-2〕U B

aU U

U B

1 2Z Z Z1 2

0U UA

UB B

a2Z Z 120U 120C

a2U U

U C

1 2Z Z Z1 2

0U UA

C

C对于运行中的电力系统Z=Z，实践证明，2 1误差不大。现将Z=Z及

、

分别代入式〔2-1〕与式2 1 U

”a2U B A

U ”aU ”C A2-，便可求出故障点接地电流与非故障相电压的一般表达式为：3UI” A

〔2-3〕A 2Z Z1 0U ”

(a2

a)Z1

(a2

1)Z 0U B 2Z Z 1 0

〔2-4〕U ”C

(aa2)Z12Z1

(a1)Z 0Z A0上述这些公式虽然是从一个特例系统中导出的种中性点接地方式的系统中。现将式〔2-4〕稍加变化，便可得到：U

Z Z 0 1U2Z Z 1 0

k1Uk2 U

〔2-5〕式中的因子k

Z 定义为接地程度系数。0Z01依据式2-k表示如下：3I A k2

〔2-6〕式中IU式中IU(3) Z

为三相短路电流。1从式〔2-5〕与式〔2-6〕可以看出，随着接地程度系数k值的增大k值电网发生单相接地故障时电压与电流的互换特性。k

Z Z中R01 0Z1

k

Z0X1

R0jX0。X X1 10现在假设R0X1

X以为坐标2.1-3，和0X和01请这两族曲线均是给定的不同单相接地故障时，电压与电流的最大值。请下载后阅读！2.1-3单相接地时工频电压与故障电流曲线图〔U〔%〕表示的最高电压曲线族；1I〔3〕表示的最大接地短路电流曲线族〕图2.1-3RR1 2

0X1

X的条件绘制的。2假设令RR1

0.1X与X1

X，则可得到图中的另一虚线曲线族。两种2R与R1 2

是可以无视的。由此随着R与 的减0X0X X0X01 10小，非故障相的对地电压渐渐降低。而且R0X1

1X0X01

3时，非故障相的最大电压上升几乎全部小于800的影响要比X0

大得多。2.1-3RR1 2

0与X1

X的条件绘制的。2X0

的影响要比R0

X0X01

R0X010值如何，接地故障电流都渐渐增大。当X0X1

1时，接地短路电流显著增大。假设X1

X，则状况更加严峻。2中压配网中性点接地方式主要类型在中压范围内，我国和很多国家的电网普遍承受小电流接地方点，这是进展小电流接地系统范围界定的必要与充分条件。电力系统的中性点接地方式虽然有多种表现形式小电流接地方式。阻和低电阻接地方式等。性点不接地方式；中性点经高电阻接地方式等。本章将分析中压配网范围内中性点不接地电阻接地三种主要方式技术原理。中性点不接地而不跳闸。这是中性点不接地方式的最大优点。一般来说，当线路的电容电流小于10A时，单相接地故障产生的电弧可以自动熄灭中性点不接地方式比较适用于电容电流较小的配电网于10A时，电弧可能不能自行熄灭，则需承受其他中性点接地方式。单相接地故障稳态分析I Uf

(jC)n

〔2-7〕UU

为单相短路系统等效电源C为系统三相对地电容之和。n中性点电压为：短路电流幅值为：

U U

〔2-8〕I If f

UC 〔2-9〕n非故障相电压为：

U U

3Uph

〔2-10〕式中：U 为系统相电压。ph单相接地故障暂态分析当发生单相接地故障时，将产生间歇性电弧接地过电压。对电弧接地过电压的理论争论从中性点不接地系统开头1917年，德国彼得生首先提出了高频息弧理论，奠定了电弧接地过电压的理论根底。随后，美国的彼得和斯列宾提出了更能反映实际状况的工频熄弧理论。接地过电压。对于中性点不接地方式，故障相A相产生的过电压为：u (1.5~2.5)Um

〔2-11〕非故障相过电压分别为：u (2.5~3.5)Umu (2.5~3.5)Um

〔2-12〕〔2-13〕主要适用范围《沟通电气装置的过电压保护和绝缘协作DL/T620-199》规定，当接地故障电流不超过以下数值又需在接地故障条件下运行时，可承受不接地方式：3kV～10kV钢筋混凝土或金属杆塔的架空线路构成的系统和全部35kV、66kV10A。3kV～10kV当电压为3kV和6kV30A；10kV20A。3k10kV电缆线路构成的系统30。《城市电力网规划设计导则Q/GDW156-202335k、20kV、10kV电压等级的配电系统，在发生单相接地故障时，假设单相接地电流在10A消弧线圈接地与接地电容电流大小接近相等但方向相反的电感电流使接地故障电流降低为最小，并限制了非故障相的工频电压上升幅值，对单相接地故障不需要马上跳闸，保证了供电连续性。单相接地故障稳态分析时故障电流为：I Uf

(jC1n

)j(I I )L

〔2-14〕式中，L为消弧线圈电感。中性点电压为：短路电流幅值为：

U U

〔2-15〕I If f

U (C1n

)I IC

〔2-16〕定义补偿电网或消弧线圈的失谐度和和谐度为：III C I

〔2-17〕CK1 〔2-18〕调整消弧线圈电感参数，可以使其在以下三种方式下运行：a〕全补偿：谐振回路恰好在谐振点工作，消弧线圈电感电流完全补偿了系统的对地电容电流b〕补偿后的残流量存在容性电流重量。c〕补偿后的残流量存在感性电流重量。为便于接地电弧自行熄灭，消弧线圈应当尽量靠近谐振点运行，当过补偿运行。单相接地故障暂态分析A相产生的过电压为：uA非故障相过电压分别为：u

(1.5~2.5)Um(2.5~3.2)U

〔2-19〕〔2-20〕u (2.5~3.2)U

〔2-21〕态过电压可到达3.2U。m主要适用范围消弧线圈接地方式广泛应用于10～66kV的中压配网。承受这种接地方式，当系统发生单相接地故障时，接地故障电流较小，可不立即跳闸，按规程规定配电网可带故障运行2《沟通电气装置的过电压保护和绝缘协作DL/T620-199承受消弧线圈接地方式：3kV～10kV35kV、66kV10A。3kV～10kV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3kV6kV30A；10kV20A。3k10kV电缆线路构成的系统30。《城市电力网规划设计导则Q/GDW156-202335k、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，电流掌握在10A2低电阻接地中性点低电阻接地能有效抑制系统的谐振过电压的剩余电荷，同时供给肯定零序电流，便利配置单相接地故障保护，可在短时间内有选择地切除接地故障线路。单相接地故障稳态分析序电流为： 1

〔2-22〕I U0

(jn

C )0 3Rn式中，R为接地电阻。零序电压为：n

〔2-23〕UUUU0 A短路电流幅值为：I 3If 0

3Unn

〔2-24〕((C)2(013R)2依据工频熄弧理论，系统发生单相接地故障时将产生间歇性电弧接A相产生的过电压为：u (1.5eA

0.013CRn)Um

〔2-25〕非故障相过电压分别为：u (2.5eB

0.013CRn)Um

〔2-26〕主要适用范围

u (2.5eC

0.013CRn)Um

〔2-27〕《沟通电气装置的过电压保护和绝缘协作DL/T620-199》规定6kV～35kV电流较大时，可承受低电阻接地方式，当应考虑供电牢靠性要求、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阅历等。Q/GDW156-202335k、20kV、10kV150A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20k10kV15500A范围内，35kV接地电流为1000A，应考虑跳闸停运，并留意与重合闸的协作。中性点接地方式对配电网运行和改造的影响对供电安全性的影响20kV配电网发生单相接地故障时将造成接地故障点和中性点地电位上升，导致以下两种状况的发生：a〕产生接触电压和跨步电压，对四周人员造成人身安全威逼。b〕对四周低压线路和通信设施产生耦合作用，产生耦合过电压或设备绝缘击穿等问题。三种中性点接地方式下，发生单相接地故障时的故障电流不同，对人身和设备安全性影响也不同。跨步电压和接触电压的计算站内设备和人身安全的影响较为严峻装置，其最大跨步电压和最大接触电压的计算公式分别为：UU

KK

I R0 CI R0

〔2-28〕〔2-29〕式中：U

S,MAX

为最大跨步电压，U

为最大接触电压，K 为S,MAX

为最大接触电压系数，I0

为单相故障电流，R为接地电阻。C最大跨步电压系数和最大接触电压系数的数值与接地网的尺寸、网格数等因素有关，计算公式较为简单，依据相关文献可取值为0.04～0.15取为0.1，计算结果如表2.3-1所示。其中，接地故障电流为阻性电流和容性电流重量的矢量和。请下载后阅读！《沟通电气装置接地DL/T621-199》规定了366kV不接地和消弧线圈接地方式发生单相接地故障后不快速切除故障时置的接触电压和跨步电压不应超过以下数值：U 500.05t U 500.2x f

〔2-30〕〔2-31〕式中：Ut

为接触电压，U

为跨步电压， 为土壤电阻率。x f3～66kV低电阻接地方式下单相接地故障或同点两相接地时，接地装置的接触电压和跨步电压不应超过以下数值：1740.17ftU ftt1740.17ftU ftx

〔2-32〕〔2-33〕式中：t为接地故障电流持续时间。在20kV配电网三种中性点接地方式下，发生单相接地故障时，单相接地故障点处的最大接触电压和跨步电压可以分别依据式〔2-30〕～〔2-33〕为限值标准进展考虑。不同土壤电阻率状况下，请最大跨步电压和接触电压的限值如表2.3-2所示。请下载后阅读！不同中性点接地方式的安全性比较4Ω，目前很多110kV以上变电站内接地网的接地电阻一般都掌握在0.5Ω以下。这里将接地电阻值按5Ω作为极端状况考虑。在中性点不接地方式和消弧线圈接地方式下一般小于10A，产生的最大跨步电压和接触电压仅为0.5V，远低于表围线路和设备几乎不产生耦合。在中性点低电阻接地方式下300～600A，跨步电压和接触电压最高可达300V，超过表2.3-2中的限值，因此，可能对四周设备和人身安全造成较大威逼故的危急性增加，可能对四周线路和设备产生耦合干扰。三种中性点接地方式的安全性比较如表2.3-3所示。请下载后阅读！由表可知，为保证跨步电压和接触电压不致过高而产生安全问题，单相接地故障电流可限制在300～600A。考虑到线路的阻抗，低电阻接地方式下，中性点电阻值一般取值为20～40Ω。对供电连续性的影响在中压配电网中，单相接地故障占全部故障的75%以上。削减发生单相接地故障造成的系统停电时间，可以提高配电网的供电连续性，从而削减因停电对用户造成的损失。单相接地故障可分为永久性接地故