10kV配电系统中性点接地方式选取的有效性分析

摘要针对10kV配电系统小电流接地方式和故障选线装置的选取，文章对国内中性点接地方式和选线装置基本原理、优缺点以及应用情况进行了梳理总结，并对不同接地方式下不同选线原理装置进行了RTDS仿真和现场试验测试，测试结果表明：不接地方式下，暂态法选线装置选线准确率较高；消弧线圈接地方式下，暂态法和稳态法选线准确率均较低，无法满足选线要求。0引言近年来配电网断线特别是架空绝缘导线断线接地造成的人身伤亡事故频繁发生，究其原因是由于架空线路断线故障发生后，故障线路不能及时切除，故障点不能及时脱离电源所至，这与配电网中性点接地方式和故障选线方式密切相关。目前，南方某供电区域10kV配电网普遍采用中性点非有效接地方式，具体包括：中性点不接地系统、中性点经消弧线圈接地、中性点经电阻接地系统。中性点不接地方式是中性点非有效接地的一种，实际上可以视为经容抗接地。该电容是由电网中的电缆、架空线路、电机、变压器等所有电气设备的对地电容所组成的。当发生单相接地故障时，流经故障点的稳态电流是单相对地电容电流。中性点不接地系统不设零序保护，按规定可带故障运行2h。这种接地方式的缺点是一旦电容电流大到一定值即不适用，还有一旦发生电网单相断线接地会对人身构成安全威胁。中性点经自动跟踪消弧线圈接地方式的主要优势在于能实时对配电网的运行方式进行跟踪，测量电容电流，调整消弧线圈的补偿电流，把补偿后的故障残流控制在熄弧临界值以下，以利于瞬时性接地故障的快速可靠熄弧，有效限制铁磁谐振过电压，降低配电网雷击建弧率，使大多瞬时性故障恢复，使供电可靠性得到提高，显示了较大的优越性。但中性点经消弧线圈接地方式目前也暴露出一些问题，例如无法消除永久性故障、降低故障选线准确率、消弧线圈容量瓶颈等

问题。配电网中性点小电阻接地方式主要应用于以电缆为主的配电网，这种接地方式是在电网的中性点接入一个阻值在10～20Ω的电阻，把配电网由非有效接地系统转变为有效接地系统，各馈线配零序保护，在发生单相接地时，启动零序保护把故障线路切除。采用小电阻接地方式时，可有效抑制铁磁谐振过电压和弧光接地过电压，同时在单相接地故障时可快速切除故障线路，不存在消弧线圈接地方式的选线难题。目前，小电阻接地方式主要应用在以电缆为主的区域，如广州、深圳等大型城市，但当应用在以架空线为主的供电区域时，会存在零序保护死区的问题。1故障选线方法现状在南方某区域电网中，与接地方式配合使用的故障选线方法主要有稳态法和暂态法。其中，稳态分量法主要采用零序电流比幅法、零序电流比相法、群体比幅比相法以及有功分量法等；暂态分量法主要采用特征频段法、首半波原理、小波分析法等。1）零序电流比幅法。中性点不接地系统发生单相接地故障时，流过故障回路的零序电流在数值上等于所有非故障线路对地电容电流之和，即故障线路上的零序电流最大，所以该方法通过零序电流幅值大小比较选出故障线路。但这种方法会受线路长短、系统运行方式及过渡电阻大小的影响，且当系统中存在某条线路的电容电流大于其他线路电容电流之和时，会导致选线

错误。2）零序电流比相法。中性点不接地系统中故障线路与非故障线路的零序电流分别从线路流向母线和从母线流向线路，因此只要比较零序电流方向就可找出故障线路。但该方法在零序电压电流较小时，相位判断困难。且受TA不平衡电流、过渡电阻大小及系统运行方式的影响，易误判，并对中性点经消弧线圈接地系统中失效。3）群体比幅比相法。其原理是先进行零序电流幅值比较，选出几个幅值较大的作为候选，然后在此基础上进行相位比较，选出方向与其他不同的，即为故障线路。该方法在一定程度上解决了前两种方法存在的问题，但同样不能排除TA不平衡电流及过渡电阻大小的影响。4）有功分量法。对于中性点经消弧线圈接地系统，消弧线圈不能补偿零序电流有功分量，基于以上前提条件，有功分量法的基本原理是：提取各条线路的零序有功分量，非故障线路的零序有功分量方向由母线流向线路，大小等于线路本身的有功损耗电流值；故障线路的零序有功分量方向由线路流向母线，大小等于非故障线路的零序有功分量和消弧线圈的零序有功分量之和。利用零序有功分量的相对大小和相位关系就可以确定故障线路。5）利用特征频段的方法进行选线。利用特征频带的方法选线，即在各条出线零序阻抗均呈容性的频带内分别提取出各条线路的暂态零序特征（幅值和方向）来实现选线的方法。6）首半波选线原理。利用故障线路暂态零序电流和电压首半波的幅值和方向与正常情况不同的特点，可实现选线。但该方法在首半波电流暂态分量较小时，容易引起误判。7）利用小波理论分析暂态法选线原理。当系统发生单相接地时，故障电压和电流的暂态过程持续时间短并含有丰富的特征量。把一个信号分解成不同尺度和位置的小波之和，利用合适的小波和小波基对暂态零序电流的特征分量进行小波变换后，易看出故障线路分析上暂态零序电流特征分量的幅值包络线高于非故障线路的，且其特征分量的相位也与非故障线路相反，这样就能构造出利用暂态信号的选线判据。2接地方式现状2.1相关标准现状目前针对配电系统中性点接地方式的选取，主要依据新版国标GB/T50064—2014《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》的要求执行，而之前主要参考的是DL/T620《交流电气装置的过电压保护与绝缘配合》。新旧版标准存在的区别主要有：1）新版要求“容性电流10A以下，可采用不接地方式”；老版则为“架空线路容性电流10A以下，电缆线路30A以下，应采用不接地方式”。2）新版要求“架空线路构成的系统，当超过10A又需在接地故障条件下运行时，应采用谐振接地方式。电缆线路构成的系统，当超过10A又需在接地故障条件下运行时，宜采用中性点谐振接地方式”；老版则为“架空线路容性电流10A以上，电缆线路30A以上，又需在接地故障条件下运行时，应采用消弧线圈接地

方式”。2.2国外接地方式现状国外电力系统的接地方式主要以德国、美国两国为代表，详见表1。德国是世界上最早使用消弧线圈接地方式的国家，并沿用至今；而美国则主要采用小电阻接地和直接接地方式。表1 各国配电系统中性点接地方式国家接地方式德国、俄罗斯多采用消弧线圈接地方式，但在城市电网开始推广小电阻接地美国多数采用中性点直接接地或小电阻接地，在22~70kV电网中，直接接地方式占70%以上英国60kV电网中性点采用小电阻接地方式；33kV及以下架空线路中性点逐渐由直接接地改为消弧线圈接地；电缆组成的配电网采用小电阻接地日本（东京）66kV配电网采用小电阻接地或消弧线圈接地；6.6kV电网采用不接地2.3国内接地方式现状目前，对于中性点接地的方式选取，各地区根据自身电网实际情况均有所差异。北京配电系统的特点（以电缆为主），实际选用时基本选用小电阻接地方式。江苏电网10、35kV

系统中性点接地方式则3种皆有。上海电网明确中性点接地方式选用技术原则为变电站10kV系统单段供电母线接地容性电流超过100A时宜采用小电阻接地方式，接地容性电流在10～100A之间应采用消弧线圈自动补偿或小电阻接地方式，而接地容性电流小于10A时可采用不接地系统。目前，国内其他省市地区尚未正式颁布关于配电系统中性点选取的要求，但部分地区已开展相关测试及验证工作。如：山东电网2016年对各类原理、各个制造厂家生产的选线装置进行了测试。最终确定了以消弧线圈并联中电阻+暂态法选线装置为主体的消弧线圈配置方案，以提高单相故障时故障选线的准确性。福建、河南等地目前正在拟开展仿真及实验室检测，并以此为依据开展接地方式及选线装置的改造工作。经统计，南方某供电区域10kV配电系统中性点接地方式共5种，其中：不接地方式占比最高为49.5%；消弧线圈及小电阻接地方式占比分别为27.5%及22.3%；此外，还有少量经故障相接地及消弧+小电阻方式。从该区域分布来看，西部欠发达地区主要采用不接地方式，而沿海大城市则以小电阻接地方式为主，其他区域则主要以消弧线圈接地方式为主，地域分布差异明显。3选线方式现状仍以南方该供电区域为例，装有稳态法选线装置的变电站比例为42%，装有暂态法选线装置的变电站比例为15%，而还有43%左右的变电站未装有选线装置。其中，对于不接地系统，安装稳态法和暂态法选线装置的变电站比例均为22%；对于消弧线圈系统，装有稳态法和暂态法选线装置的变电站比例为78%和4%。因此，从上述分布比例来看，该区域仍有43%左右的变电站未装有选线装置，上述未配置选线跳闸装置的接地系统在配电线路发生接地故障时无法及时切除故障，存在一定的人身安全风险。另外，虽然大部分变电站安装了故障选线装置，但各供电局在日常管理中很少将选线装置单独进行运维，造成装置的选线正确率无法准确统计，从而对防治电网人身安全无法提供有效的数据支撑。此外，该区域装设有选线装置的变电站均未投入跳闸功能，仍然存在人身安全

风险。通过前文总结，可知目前该供电局区域10kV系统接地方式存在以下4个较为突出的特点和问题：①中性点接地方式区域差异大；②新旧版标准要求差异；③小电流选线装置原理较多，选线准确率无法评估；④装置无法实现准确跳闸，存在人身安全风险。为此，本文选取了典型厂家的小电流选线装置，分别开展不同接地方式下RTDS仿真和现场测试试验，以测量各选线原理装置的选线准确率，为该区域电网不同接地方式下选线装置的选取提供参考。4试验测试情况分析4.1 仿真测试情况为了指导接地装置和选线装置的选用，本文开展了接地装置和选线装置的原理测试工作。通过RTDS仿真实验平台针对国内主流的小电流接地选线原理，利用RTDS软件搭建半实物仿真平台，全面测试装置的选线准确率。本次测试共对7个厂家的5种选线原理进行了测试，见表2。表2 测试厂家选线原理厂家序号选线原理A暂态频带法B暂态频带法C暂态极性优选法D暂态法E稳态阻性分量法F稳态五次谐波法G稳态比幅比相法本文中小电流接地系统的仿真平台是一个10kV配电网，具有10条馈线（包括架空线、电缆以及混合线路）。4.1.1中性点不接地系统对于中性点不接地系统，根据规程要求，仅在系统电容电流小于10A时才允许使用，即对应的电缆化率将很小。在中性点不接地系统下，测试结果见图1。

图1中性点不接地系统下永久性和瞬时性选线结果从图1可知：中性点不接地系统无论发生永久性故障还是瞬时性故障，暂态法准确率均高于稳态法。永久性故障时，暂态法选线准确率大于90%，平均准确率能达到94.8%，而稳态法选线平均准确率为75.7%。瞬时性故障时，暂态法选线准确率有所降低，准确率在79.2%~92.7%之间，平均准确率为88.5%，而稳态法无法对瞬时性故障进行选线，其选线准确率仅在4.2%~9.4%之间。4.1.2中性点经消弧线圈接地系统仿真测试结果表明：消弧线圈接地方式下发生永久性接地故障时，暂态法选线装置在过渡电阻≤1000Ω时准确率为80%，过渡电阻>1000Ω时准确率为14%。详见图2和图3。图2消弧接地仿真测试结果（过渡电阻≤1000Ω）图3消弧接地仿真测试结果（过渡电阻＞1000Ω）4.2现场试验现场试验中，利用国网漯河智能配电网优化控制机运行技术联合实验室的试验条件，验证了中性点不接地系统、消弧线圈接地系统接地状况下，不同接地装置对于各类型故障的处理效果，并且对于不同原理选线装置的准确性进行了验证。4.2.1 中性点不接地系统对于中性点不接地系统，现场测试表明，暂态法选线装置测试结果整体准确率能达到90%。如图4和图5所示，可看出过渡电阻≤1000Ω时暂态法准确率能达到100%，过渡电阻>1000Ω时准确率能达到85%。而稳态法选线准确率均较低。

图4中性点不接地现场测试结果（过渡电阻≤1000Ω）图5中性点不接地现场测试结果（过渡电阻＞1000Ω）4.2.2中性点经消弧线圈接地现场测试表明：消弧线圈接地方式下，过渡电阻≤1000Ω时暂态法选线装置整体准确率为83%，见图6。由于受现场测试条件所限，过渡电阻>1000Ω的试验无法测试。图6消弧接地现场测试结果（过渡电阻≤1000Ω）4.2.3新技术应用情况针对如何有效减少配电系统接地故障引起人身伤亡事件，同时降低对供电可靠性的影响问题。目前国内已有厂家及研究机构研制出“灵活”或“智能”接地装置，并在现场得到一定的应用，原理结构见图7。新型接地装置在提高高阻接地故障判断准确率方面有一定的改善。图7配电网单相接地故障智能处理装置原理结构图该装置通过判别接地故障相，转移故障点的接地电流，钳制故障点的电位使其电压近似为零，之后，再结合选线技术，选出故障线路，进而切除故障线，达到消除故障点对人身的安全隐患的目的。针对该装置，本文也在国网河南漯河试验基地进行了测试，测试结果见图8。从测试结果来看，该装置平均选线准确率可达到92%，甚至高于传统暂态法和稳态法选线装置准确率。图8单相接地故障智能处理装置测试结果

5 结语从本文测试结果来看，中性点不接地系统下，暂态法选线准确率普遍能达到85%以上，某些厂家甚至能达到90%以上，而稳态法选线准确率则