高成友 崔浩 李根

【摘要】 大興新城經(jīng)濟社會快速發(fā)展，10kV配電電纜網(wǎng)供電容量的提高和供電范圍的擴大是其必然趨勢。中性點經(jīng)消弧線圈接地及經(jīng)小電阻接地是10kV配電網(wǎng)常見的兩種接地方式，在實際運行中各有利弊。通過對大興新城10kV配電網(wǎng)規(guī)劃方向和目標的研究，以及對現(xiàn)狀10kV配電網(wǎng)中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)在使用過程中出現(xiàn)的各類問題進行分析，本文認為在大興新城地區(qū)采用10kV配電網(wǎng)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)的優(yōu)勢更為明顯，符合電網(wǎng)未來發(fā)展方向。中性點接地方式改造是一項系統(tǒng)工程，本文給出了大興新城中性點經(jīng)小電阻接地改造設(shè)備安裝及保護配置的建議，同時對改造過程中可能出現(xiàn)的各類問題進行了初步的分析。

【關(guān)鍵詞】 10kV配電網(wǎng) 接地方式 小電阻接地

引言：隨著大興新城城市建設(shè)和供電服務(wù)水平的快速提升，新城地區(qū)新建10 kV配電網(wǎng)主要采用電纜敷設(shè)方式供電；同時新城地區(qū)部分原有架空線路也隨道路建設(shè)實施入地工程。電纜線路的大量出現(xiàn)，在提高線路輸送容量及供電可靠性的同時，也導(dǎo)致系統(tǒng)對地電容電流迅速增加。大興新城地區(qū)現(xiàn)有110kV變電站10kV側(cè)均采用中性點經(jīng)消弧線圈接地方式，需要較大的消弧線圈補償容量以滿足系統(tǒng)安全運行需要。由于10kV配電網(wǎng)在運行過程中存在負荷變化大，故障停電次數(shù)多，操作頻繁等問題，消弧線圈分接頭及時調(diào)整有困難，容易出現(xiàn)諧振過電壓等現(xiàn)象，從而影響電氣設(shè)備安全運行。為滿足地區(qū)電網(wǎng)快速發(fā)展需求，考慮到電力規(guī)劃建設(shè)的超前性和經(jīng)濟性，對大興新城地區(qū)開展10kV中性點接地方式研究，選擇符合實際需要的接地方式并推進電網(wǎng)改造，具有重要的理論與實用意義。

一、配電網(wǎng)中性點接地方式及其特點

目前10kV配電網(wǎng)中性點接地方式主要有兩種：經(jīng)消弧線圈接地和經(jīng)小電阻接地[3]。關(guān)于這兩種中性點接地方式的運行特點，國內(nèi)外已經(jīng)有大量的研究結(jié)果和運行經(jīng)驗[4-8]：

1.1中性點經(jīng)消弧線圈接地

消弧線圈是一個裝設(shè)于配電網(wǎng)中性點的可調(diào)電感線圈，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時，可以提供感性電流，用來補償單相接地的容性電流。采用中性點經(jīng)消弧線圈接地方式，在系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，利用消弧線圈的電感電流對接地電容電流進行補償，使流過接地點的電流減小（10A以下）到能自行熄弧范圍，因接地電流電容電流得到補償，單相接地故障并不發(fā)展為相間故障。按規(guī)程規(guī)定中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)可帶單相接地故障運行2h，因此可有效提高配電網(wǎng)供電可靠性，但消弧線圈接地系統(tǒng)有如下缺點：

（1）電網(wǎng)電容和消弧線圈電感電流在高頻下的特性是完全不同的，難以互相補償；系統(tǒng)諧波電流難以補償；經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)所有電氣設(shè)備的絕緣均按線電壓考慮，從設(shè)備制造方面來考慮，它的投資相對較大。

（2）接地線路和非接地線路流過的零序電流方向相同，故零序過流、零序方向保護無法檢測出已接地的故障線路，從而造成故障點查找時間較長，對人口密集的供電區(qū)而言，結(jié)果會非常嚴重。

（3）一般來說，消弧線圈補償起始電流較大，不能滿足變電站初期投入消弧線圈的要求，當(dāng)變電站帶滿負荷后，系統(tǒng)電容電流較大，消弧線圈的補償電流又不夠，難以同時兼顧工程初期和工程終期的需要。

1.2中性點經(jīng)小電阻接地

中性點經(jīng)小電阻接地即是在中性點與大地之間接入較小的電阻，該電阻與系統(tǒng)對地電容構(gòu)成并聯(lián)回路，可有效防止諧振過電壓和間歇性電弧接地過電壓。在系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，零序電流保護裝置可迅速、可靠地切斷故障線路，限制了單相故障向二、三相發(fā)展的可能。另外，小電阻接地裝置還具有運行可靠、操作簡單的優(yōu)點。

對于城市中心變電站采用小電阻接地方式，它的優(yōu)越性還體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）經(jīng)小電阻接地這種接地方式可以降低弧光接地過電壓倍數(shù)，破壞諧振過電壓發(fā)生的條件。發(fā)生單相接地故障時，可以準確迅速地判斷出故障線路，并在很短的時間內(nèi)切除，使設(shè)備耐受過電壓的時間大幅度縮短，為系統(tǒng)設(shè)備降低絕緣水平創(chuàng)造有利條件，使系統(tǒng)運行可靠性增加。

（2）中性點經(jīng)小電阻接地配網(wǎng)系統(tǒng)，當(dāng)中性點電阻阻值不是很大時，接地電弧熄弧后，零序殘荷將通過中性點電阻提供的通路泄放，當(dāng)發(fā)生下一次燃弧時，其過電壓幅值和從正常運行情況發(fā)生單相接地故障時的情況相同，并不會象中性點不接地或經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，由于多次燃弧、熄弧而使過電壓幅值升高，從而造成10kV系統(tǒng)瓦解。

（3）對于消弧線圈接地方式，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，目前是采用選線裝置來尋找故障線路，這種方式很不準確，而且易引發(fā)其它故障（如相間故障）；采用人工巡檢手動點掉再重合，逐路拉試，影響供電可靠性。采用小電阻接地后，可以自動巡檢通過繼電保護及時將故障線路跳開，切除故障，保持系統(tǒng)正常運行。

二、大興新城基本情況及電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃

2.1大興新城的發(fā)展定位

大興新城位于大興中北部地區(qū)，規(guī)劃用地規(guī)模約163平方千米，其中規(guī)劃建設(shè)用地面積約為6500公頃。大興新城基本包含了地區(qū)未來重點發(fā)展的行政中心、居住集散地、產(chǎn)業(yè)用地以及備用發(fā)展地。根據(jù)大興新城規(guī)劃，未來將在大興新城范圍內(nèi)構(gòu)建“一心六片三組團”的城市空間結(jié)構(gòu)，是地區(qū)政治經(jīng)濟社會發(fā)展核心地區(qū)，也是首都南部發(fā)展極點地區(qū)。

2.2大興新城電網(wǎng)規(guī)劃

大興新城現(xiàn)有110kV變電站10kV出線主要有電纜和架空兩種，10kV中性點均采用經(jīng)消弧線圈接地方式。10kV電纜網(wǎng)主要采用雙射式結(jié)構(gòu)，還有少數(shù)單射式結(jié)構(gòu)；架空網(wǎng)主要是多分段部分聯(lián)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。

根據(jù)規(guī)劃，大興新城地區(qū)新建110kV變電站終期均安裝3臺主變壓器，每臺變壓器容量均為50MVA，110kV主接線采用3電源進線擴大橋接線，可滿足一路電源進線或一臺主變故障時的N-1要求，即使在N-2情況下也可滿足部分重要用戶供電[1]，10kV采用6分段環(huán)形接線，每段母線有7回出線。

根據(jù)區(qū)域重要性和電網(wǎng)規(guī)劃網(wǎng)架結(jié)構(gòu)特點，大興新城被定為B類供電區(qū)域[2]。為保證新城地區(qū)供電可靠性，地區(qū)新建10kV中壓配電網(wǎng)推薦使用電纜線路，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)采用雙環(huán)網(wǎng)或單環(huán)網(wǎng)接線方式[2]。

三、大興新城地區(qū)10kV配電網(wǎng)中性點接地方式的選擇3.1 現(xiàn)狀10kV配電網(wǎng)中性點接地方式及運行經(jīng)驗

目前，大興新城內(nèi)110kV變電站10kV側(cè)均采用消弧線圈接地方式，均為自動調(diào)諧型。消弧線圈接地系統(tǒng)在運行中暴露出來的問題主要如下：

（1）隨著新城10kV電纜線路長度的增加，系統(tǒng)的容性電流迅速增加，部分變電站存在著消弧線圈補償容量不足、甚至欠補償?shù)膯栴}。

從表1中可以看出，新城內(nèi)的變電站10kV母線容性電流已經(jīng)接近、達到甚至超過了消弧線圈所能補償?shù)淖畲蟾行噪娏?。為使消弧線圈能夠?qū)崿F(xiàn)過補償并具有一定的調(diào)節(jié)裕度，需要繼續(xù)增大接地變壓器和消弧線圈的容量，然而，繼續(xù)增加消弧線圈的容量已經(jīng)十分困難。

（2）由于控制系統(tǒng)故障造成調(diào)檔失敗，有的裝置在發(fā)生故障后不能在短時間內(nèi)排除，只好運行在手動模式，失去了自動調(diào)諧的優(yōu)勢。

（3）在發(fā)生單相接地故障后，由于控制系統(tǒng)未及時將串接阻尼電阻短接，造成熔斷器熔斷；待系統(tǒng)恢復(fù)正常后，又因為阻尼電阻無法自動投入運行，引起中性點位移電壓偏移嚴重，系統(tǒng)誤發(fā)接地信號。

3.2地區(qū)配電網(wǎng)網(wǎng)中性點接地方式的選擇

（1）采用消弧線圈接地方式。考慮到大興新城地區(qū)未來10kV線路將全部采用電纜敷設(shè)方式，且目標網(wǎng)架為雙環(huán)網(wǎng)或單環(huán)網(wǎng)[A2]，電網(wǎng)發(fā)展后期每段10kV母線容性電流均達到200A以上，需要配置1200kVA以上容量的消弧線圈，這將極大提高變電站建設(shè)成本，也為站內(nèi)設(shè)備布置帶來麻煩；同時，消弧線圈在電纜網(wǎng)系統(tǒng)中的使用，更為設(shè)備及人身安全帶來隱患。

（2）采用小電阻接地方式。對于中壓配電網(wǎng)中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，當(dāng)單相接地故障電流達到100A時，宜采用經(jīng)低電阻接地方式[9]。鑒于大興地區(qū)電網(wǎng)現(xiàn)狀及未來電網(wǎng)規(guī)劃定為，綜合考慮北京城區(qū)變電站已經(jīng)采用小電阻接地方式運行多年，積累了豐富的運行經(jīng)驗，本文建議在大興新城地區(qū)逐步實施110kV變電站10kV中性點經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)改造工作。

四、系統(tǒng)改造設(shè)備安裝及保護配置

4.1小電阻接地設(shè)備安裝及其位置

由于大興新城地區(qū)110kV變電站均采用變壓器Yn，d11接法，10kV側(cè)沒有中性點引出，因此必須配備接地變壓器。接地變壓器的功能是為中性點不接地系統(tǒng)引出一個中性點。通常接地變壓器為曲折形繞組聯(lián)結(jié)法的Z型變壓器，在中性點處引出中性點套管，加裝接地電阻或消弧線圈，其聯(lián)結(jié)圖如下所示：

在采用小電阻接地方式的電網(wǎng)中，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，通過接地電阻器的故障電流一般在 100A～2000A 之間，接地電阻器的阻值由電網(wǎng)電壓等級和設(shè)定的故障電流決定，阻值一般小于 20接，由特定形狀的電阻片單元通過串、并聯(lián)方式組合而成，以滿足電網(wǎng)的要求。

4.2 變電站內(nèi)一次設(shè)備及保護配置

原有站內(nèi)消弧線圈控制柜掛所內(nèi)變共用一個開關(guān)柜，在進行小電阻接地系統(tǒng)改造時，需要將小電阻接地系統(tǒng)控制柜與所內(nèi)變控制柜進行分離（根據(jù)站內(nèi)實際情況采取增加開關(guān)柜或者將10kV饋線柜改造的形式），同時安裝方式需要進行適當(dāng)調(diào)整。

10kV系統(tǒng)中性點經(jīng)低電阻接地后，保護配置原則如下：4.2.1接地變安裝于10kV分支處

接地變安裝于10kV分支處，且必須滿足以下條件：

（1）主變高壓側(cè)為單母線分段或線路變壓器組接線形式，具有高壓側(cè)主開關(guān)；（2）主變?yōu)槎碜儔浩?；?）接地變無二次線圈，或二次引出線短路時不會引起主變差動誤動；（4）10kV系統(tǒng)發(fā)生主變差動范圍之外的接地故障時，差動保護中的不平衡電流不足以使差動保護誤動掉閘。

在滿足以上條件時，保護配置可按以下原則配置：

（1）接地變CT不接入主變差動回路；（2）配置三相兩段式定時限相間過電流保護，接地變保護動作于變壓器總出口；（3）配置三段式定時限零序過流保護，采用專用零序CT。一段跳本變壓器相鄰分段；二段跳變壓器10kV主斷路器，并閉鎖相鄰分段自投（不考慮主變差動范圍內(nèi)接地故障造成二段動作后閉鎖自投引起的母線停電）；三段跳變壓器總出口。

4.2.2接地變安裝于10kV母線處

接地變安裝于10kV母線處，對于110kV側(cè)為橋形接線時，為不擴大故障范圍，適用接地變安裝在10kV母線處，其它接線形接地變亦可安裝于10kV母線處，但對于單母線分段而言，安裝于10kV母線處則不夠經(jīng)濟。保護配置原則如下：（1）配置三相兩段式定時限相間過電流保護（2）接地變接于10kV母線時，接地變?nèi)鄡啥问蕉〞r限相間過電流保護動作于對應(yīng)母線的變壓器總出口；（3）接地變接于10kV母線時，應(yīng)配置兩段式零序電流保護：一段跳相鄰分段；二段跳變壓器10kV主斷路器，并閉鎖相鄰分段自投。

4.3 10kV饋線設(shè)備及保護配置

對10kV饋線柜，每臺需要增加一只零序CT，10kV電容柜分別增加兩只零序CT，10kV所內(nèi)變柜各增加一只零序CT，同時將其零序電流接入該站原有保護裝置。

10kV饋線全部采用外附零序電流互感器。

10kV饋線配置零序時限速斷和零序過流保護裝置，采用微機型保護裝置的變電站，加裝外附零序回路，投入微機零序時限速斷和零序過流保護。

新建和改造變電站的10kV系統(tǒng)，應(yīng)配置二相CT和外附零序CT，并采用零序?qū)崿F(xiàn)速斷和零序過流保護的微機型保護裝置。

4.4開閉站、配電室設(shè)備及保護配置

對每臺進線柜、饋線柜需增加一只零序CT，若柜內(nèi)原來已有零序CT，但CT廠家不屬于電力公司框架內(nèi)廠家，或者CT沒有通過測試，則酌情增加所需更換零序CT數(shù)量。

如果開閉站（配電室）現(xiàn)狀保護裝置為微機型保護，則原10kV進線保護裝置繼續(xù)使用，10kV進線小電流接地選線功能改為零序電流保護并閉鎖10kV分段自投；原10kV出線保護裝置繼續(xù)使用，10kV出線小電流接地選線功能改為零序電流保護，保護動作于跳開本柜斷路器；同時原來保護裝置軟件版本隨本工程升級為最新版本。如果開閉站（配電室）現(xiàn)狀保護為電磁型保護，則將其更改為微機型保護裝置，進線及饋線設(shè)置零序保護即可。

五、改造過程中需要注意的問題

由于中性點接地方式的改變涉及的問題較多，需要從電網(wǎng)規(guī)劃階段全面考慮各種因素，科學(xué)規(guī)劃，循序漸進，為大興地區(qū)10kV配電網(wǎng)中性點改造及電網(wǎng)可靠運行創(chuàng)造有利條件[10-14]。（1）明確供電區(qū)域。在新城地區(qū)采用小電阻接地系統(tǒng)后，大興電網(wǎng)將面臨消弧線圈接地和小電阻接地系統(tǒng)并存的情況，需要對采用小電阻接地系統(tǒng)的變電站及其供電區(qū)域進行研究，明確兩種系統(tǒng)的分界面和交叉點。（2）配電設(shè)備提前規(guī)劃。由于負荷需求的快速增長及變電站建設(shè)的滯后，地區(qū)內(nèi)存在許多跨供電區(qū)域供電的情況，在明確小電阻接地的供電區(qū)域后，應(yīng)對在此區(qū)域內(nèi)的配電設(shè)施提前進行規(guī)劃，配置相應(yīng)零序保護裝置或者預(yù)留將未來進行保護改造的空間，在變電站建成后迅速完成負荷導(dǎo)入和供電分區(qū)重新劃分工作。（3）負荷接入控制。變電站建成后負荷接入通常包括兩種情況：一種是將其他變電站供電負荷切改至新建站，另一種是為用戶新出線路。為保證經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)的可靠運行，應(yīng)對負荷接入進行一定的控制。對于切改至新建站的負荷，不可采用架空線路供電；新建配電線路均需采用電纜線路。（4）配電網(wǎng)互聯(lián)。為提高10kV配網(wǎng)供電可靠性，通常在110kV變電站間有一條或者多條10kV聯(lián)絡(luò)線路，在必要的時候一座變電站的負荷可通過相鄰另一座或者多座變電站帶出。由于大興地區(qū)目前10kV配網(wǎng)中性點均采用經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，因此在出現(xiàn)小電阻接地方式后，應(yīng)考慮配電網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)帶來的問題。

六、結(jié)論

隨著電纜網(wǎng)供電容量及供電范圍的擴大，大興新城地區(qū)現(xiàn)有中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足運行需要。通過對中性點經(jīng)消弧線圈接地及經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)適用范圍、優(yōu)缺點的比較，本文建議在大興新城地區(qū)選擇小電阻接地方式，并逐步開展系統(tǒng)改造工程，以滿足負荷增長及電網(wǎng)發(fā)展需要。為確保中性點接地系統(tǒng)改造工程的順利實施，在改造過程中對設(shè)備安裝及保護配置需要遵循一定的標準，同時需要對改造過程中可能出現(xiàn)的問題進行必要的研究和準備。

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