楊 俊，許加柱，車紅衛(wèi)，羅隆福，張志文

（1.湖南省電力公司 長沙電業(yè)局，湖南 長沙 410015；2.湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410082）

20世紀80年代以前，中國的城市配電網(wǎng)是以架空線路為主的放射型結(jié)構(gòu)電網(wǎng)，10kV城市配電網(wǎng)多采用中性點不接地系統(tǒng)的運行方式［1－3］.但隨著城市配電網(wǎng)的不斷擴大和發(fā)展，傳統(tǒng)不接地系統(tǒng)已無法滿足發(fā)展需求，中國大部分城市配電網(wǎng)廣泛采用了中性點經(jīng)消弧線圈的接地系統(tǒng)［4－5］.近年來，隨著城市化進程的加速，受城區(qū)美化、環(huán)保和場地等的約束，城市配電網(wǎng)大量采用以電力電纜為主、架空線路為輔的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障、容性電流超過10A時，無法熄滅接地電弧，給配電網(wǎng)及人身安全帶來嚴重威脅.因此，在北京、上海、廣州、深圳等經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)已廣泛采用小電阻接地系統(tǒng)，以取代消弧線圈接地系統(tǒng)［6－7］.目前，長沙市10 kV配電網(wǎng)中大部分采用消弧線圈接地系統(tǒng)，由于部分變電站的電力電纜出線增多，接地變壓器及消弧線圈的容量面臨不足，迫切需要進行改造［8］.

針對上述現(xiàn)狀，對小電阻接地系統(tǒng)與消弧線圈接地系統(tǒng)進行比較，筆者以長沙市羅家嘴變電站為研究對象，對該站10kV系統(tǒng)的小電阻接地系統(tǒng)總體方案設(shè)計進行研究，對小電阻的阻值選取和接地變壓器容量的計算進行分析，對該站現(xiàn)有的消弧線圈接地系統(tǒng)進行改造，并重點對小電阻接地系統(tǒng)單相接地故障情況下故障點的跨步電壓進行實測和計算分析，為小電阻接地系統(tǒng)在長沙市10kV配電網(wǎng)中的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ).

1 2種接地系統(tǒng)的對比

小電阻接地系統(tǒng)與消弧線圈接地系統(tǒng)的優(yōu)、缺點對比如表1所示.小電阻接地系統(tǒng)更適用于大量采用電力電纜的變電站，且同時可有效降低單相接地故障的過電壓水平.

表1 電阻接地方式與傳統(tǒng)消弧線圈接方式優(yōu)、缺點對比Table 1 Disadvantages and advantages of low resistance grounding system and arc suppression coil grounding system

2 羅家嘴變電站小電阻接地系統(tǒng)的總體方案設(shè)計

2.1 羅家嘴變電站的概況

新建的羅家嘴110kV變電站的10kV系統(tǒng)采用單母線分段接線，10kV母線共24回出線，目前只有4回出線帶負荷運行，其余備用.現(xiàn)階段每段母線容性電流不大，若24回電力電纜出線均投入運行，則系統(tǒng)的容性電流將十分可觀.根據(jù)現(xiàn)有4回容性電流估算，24回電力電纜出線均投運后，系統(tǒng)總?cè)菪噪娏鱅C≈100A.接地系統(tǒng)改造前，接地變壓器的容量為630kV·A.

2.2 小電阻的阻值選取

采用中性點經(jīng)小電阻接地時，電阻值的選取必須根據(jù)電網(wǎng)的實際運行情況，綜合考慮限制弧光過電壓倍數(shù)、保護靈敏度及人身安全等因素.

1）限制弧光過電壓倍數(shù).

中性點經(jīng)小電阻接地可以有效降低配電系統(tǒng)弧光接地的過電壓水平，從而保證配電系統(tǒng)電力設(shè)備的安全運行.根據(jù)過電壓模擬試驗及實際運行經(jīng)驗表明［9］，弧光過電壓水平與電阻的額定通流IR及系統(tǒng)容性電流IC的關(guān)系為

①當(dāng)IR≈IC時，過電壓水平降到2.5p.u.；

②當(dāng)IR≈2IC時，過電壓水平降到2.2p.u.；

③當(dāng)IR≈4IC時，過電壓水平降到2.0p.u.；

④當(dāng)IR＞4IC時，降低過電壓水平的效果不明顯.

綜合限制弧光過電壓水平和設(shè)備的經(jīng)濟性，羅家嘴變電站的接地電阻通流水平選擇：IR＝4IC＝400A，接地電阻終選取15Ω，額定通流時間按10s考慮，可將單相接地故障的弧光過電壓水平限制在2.0p.u.范圍內(nèi)，滿足系統(tǒng)對過電壓水平的要求.

2）保護靈敏度.

當(dāng)10kV配電網(wǎng)某一相發(fā)生單相接地故障時，求得接地故障電流：

式中 I0為故障相電纜的容性電流.由于I0相比總的容性電流IC可忽略不計，因此，式（1）可簡化為

結(jié)合上述接地電阻的選擇和式（2），接地故障可高達400多安培，完全滿足保護靈敏度的要求.目前，城市配電網(wǎng)變電站的微機保護都有零序保護功能，且啟動電流值比較小，單相接地故障電流遠大于每條線路對地容性電流，一般都能滿足零序保護的靈敏度要求.

3）人身安全.

從人身安全角度考慮，中性點接地電阻的通流越小越安全.當(dāng)采用小電阻接地系統(tǒng)后，發(fā)生單相接地故障時，必然使得故障點的接地短路電流很大，故障點電位升高，極有可能造成跨步電壓超過允許值，對人身安全構(gòu)成威脅.因此，采用小電阻接地系統(tǒng)時，對跨步電壓的分析計算還待進一步開展研究.目前，中國現(xiàn)有采用小電阻接地系統(tǒng)的城市中，還未出現(xiàn)因跨步電壓和接觸電勢過高引起人身傷亡報告.

2.3 接地變壓器的容量計算

對于城市110kV變電站的主變壓器多采用110kV/10.5kV，Yd1或Yd11聯(lián)接組，10kV側(cè)采用三角形接線，沒有中性點，必須人為構(gòu)造一個中性點，一般多采用Z型接線的接地變壓器，其接線方案如圖1所示，小電阻RN接入接地變壓器的中性點.Z型接地變壓器對正、負序電流呈現(xiàn)高阻抗特性，相當(dāng)于激磁阻抗，而對零序電流，由于同一心柱上2個繞組的零序磁通相互抵消，相當(dāng)于漏抗，呈現(xiàn)低阻抗特性，因此，通過接地電阻的電流即為零序電流分量.

圖1 接地變壓器接線示意Figure 1 Grounding transformer connecting diagram

依據(jù)IEEE－C62.92.3標(biāo)準［10］，接地變壓器的10s允許過載系數(shù)為額定容量的10.5倍，因此，首先需要計算出10s情況下接地變壓器的額定容量.結(jié)合羅家嘴變電站的現(xiàn)狀及上述有關(guān)小電阻技術(shù)參數(shù)的選取，求得接地變壓器額定容量：

式中 接地變壓器的額定相電壓U2φN＝6.06kV，IR＝400A.可計算求得10s短時運行的額定容量為2 424kV·A，再將其折算至連續(xù)運行時的額定容量SN＝S10.5/10.5＝231kV·A.因此，羅家嘴變電站10kV系統(tǒng)選取額定容量為231kV·A的接地變壓器即可滿足系統(tǒng)的要求，改造前630kV·A的接地變壓器容量無需更換.

2.4 運行現(xiàn)狀

目前，羅家嘴變電站的小電阻接地系統(tǒng)已運行6個多月，運行狀態(tài)良好，改造后的接地電阻和接地變壓器示意分別如圖2，3所示.

圖2 接地小電阻Figure 2 Low grounding resistance

圖3 接地變壓器Figure 3 Grounding transformer

3 羅家嘴變電站小電阻接地系統(tǒng)應(yīng)用研究

3.1 小電阻接地系統(tǒng)單相接地故障試驗方案

為了解小電阻接地系統(tǒng)中單相接地故障發(fā)生時的跨步電壓情況，考慮在羅家嘴變電站10kV出線上人為設(shè)置單相接地故障，采用HIOKI多功能質(zhì)量分析儀及時采集以故障點為圓心的電勢分布情況，從而計算接地故障點的跨步電位差.

單相故障點分別設(shè)置在羅家嘴變電站10kV靳江線（架空線為主）的負荷首端009＃桿、負荷末端037＃桿，每處模擬單相對橫擔(dān)和單相對地短路2種故障類型，短路點測試示意如圖4，5所示.測試主要儀器設(shè)備為HIOKI多功能質(zhì)量分析儀.

3.2 小電阻接地系統(tǒng)單相接地故障跨步電壓數(shù)據(jù)分析

由HIOKI3196電能測量分析儀對短路二次側(cè)電壓進行錄波，對波形數(shù)據(jù)進行處理，得到跨步電壓的實測值，如表2所示.

對比表2中數(shù)據(jù)可知，發(fā)生單相接地故障時故障點周圍跨步電壓較大，而且對地直接短路的跨步電壓遠大于單相對橫擔(dān)短路的跨步電壓.這是由于單相對地直接短路的故障相電壓較大造成的.而故障相電壓的大小為過渡電阻與接地電流的乘積，其值與諸多因素有關(guān).對于羅家嘴變電站小電阻接地系統(tǒng)，單相接地故障點4m以外的跨步電壓已經(jīng)處于人身安全電壓范圍之內(nèi)，4m以內(nèi)還需要采取防范措施，防止單相接地故障跨步電壓過大造成人身傷害.可考慮在塔桿裝設(shè)接地極或在塔桿周圍土壤中添加增阻劑，使跨步電壓快速下降，或設(shè)置一定的安全距離，以防出現(xiàn)人身安全問題.

圖4 單相對橫擔(dān)短路點測試示意Figure 4 Single－phase grounding fault test diagram

圖5 單相對地短路點測試示意Figure 5 Single－phase grounding fault test diagram

表2 單相短路故障時的跨步電位差實測數(shù)據(jù)Table 2 Step potential testing data of single phase fault V

4 結(jié)語

隨著中國城市化進程的加速，城市配電網(wǎng)中廣泛采用電力電纜，使得系統(tǒng)中的容性電流急劇增加，傳統(tǒng)采用消弧線圈接地系統(tǒng)的補償容量已無法滿足系統(tǒng)要求.筆者通過對比小電阻接地系統(tǒng)和消弧線圈接地系統(tǒng)各自的優(yōu)、缺點，結(jié)合羅家嘴變電站的實際狀況，對現(xiàn)有的消弧線圈接地系統(tǒng)進行改造，采用小電阻接地系統(tǒng)；對小電阻接地系統(tǒng)的總體方案進行了設(shè)計分析，并在變電站改造完成后進行了分析.

1）接地小電阻的選型，須從限制弧光過電壓、繼電保護的靈敏度及人身安全多個角度進行綜合考慮，隨著系統(tǒng)容性電流的不斷增大，小電阻的阻值將會不斷下降，通流能力要求越高，必然會對小電阻的材質(zhì)提出更高的要求.

2）采用小電阻接地系統(tǒng)后，相比傳統(tǒng)的消弧線圈接地系統(tǒng)，接地變壓器連續(xù)運行的額定容量將大大降低，有利于節(jié)約成本，對于改造項目無需另外增加接地變壓器.

3）采用小電阻接地系統(tǒng)后，母線單相接地保護的整定值及動作時間需與各饋線零序保護相配合.

4）采用小電阻接地系統(tǒng)后，發(fā)生單相接地故障時故障點周圍跨步電壓較大，而且對地直接短路的跨步電壓遠大于單相對橫擔(dān)短路的跨步電壓.對于羅家嘴變電站小電阻接地系統(tǒng)，4m以外的跨步電壓已經(jīng)處于人身安全電壓范圍之內(nèi).

5）采用小電阻接地系統(tǒng)后，可考慮在塔桿裝設(shè)接地極或在塔桿周圍土壤中添加增阻劑，使跨步電壓快速下降，或設(shè)置一定的安全距離，以防出現(xiàn)人身安全問題.

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