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配電網中性點接地方式的幾個問題的討論
 
 
作者:朱同春  
      [摘 要] 文章比較了配電網中性點不同接地方式的優缺點。對配電網經電阻接地對供電可靠性、通信、人身安全、開關維護的影響進行了分析。指出對電纜為主的配電網,中性點經電阻接地是優先選擇的方式。文章還闡述了中性點電阻阻值選擇的原則以及中性點通過電阻接地在國內的實踐。                                           
      [關鍵詞] 中性點接地方式 電阻接地 消弧線圈
一、中性點接地方式
  我國早期曾規定:將電力系統中性點接地方式分為大接地短路電流系統和小接地短路電流系統兩類。因電流大小難以用電力系統中性點接地方式分類來明確界定,因此改成分為中性點有效接地系統和中性點非有效接地系統。
  電力系統中性點有效接地,包括直接接地或經低值電阻器或低值電抗器接地,并要求全系統的零序電抗 (X 0 )對正序電抗(X 1 )之比(X 0 /X 1 )為正并低于3,零序電阻(R 0 )對正序電抗(X 1 )之比為正并低于1。反之為中性點非有效接地系統。
  電力系統中性點非有效接地,包括諧振 (消弧線圈)接地和不接地。
二、 配電網中性點不同接地方式的優缺點
  配電網中性點與參考地的電氣連接方式,按運行需要可將中性點不接地、經消弧線圈接地、經(高、中、低值)電阻器接地、經低值電抗器接地及直接接地等。這些中性點接地方式各具獨有的優缺點。
2.1 配電網中性點不接地的優缺點
  配電網中性點不接地是指中性點沒有人為與大地連接。事實上,這樣的配電網是通過電網對地電容接地。
  中性點不接地系統主要優點:
  (1)電網發生單相接地故障時穩態工頻電流小。
  (2)如雷擊絕緣閃絡瞬時故障可自動清除,無需跳閘。
  (3)如金屬性接地故障,可單相接地運行,改善了電網不間斷供電,提高了供電可靠性。
  (4)接地電流小,降低了地電位升高。減小了跨步電壓和接觸電壓。減小了對信息系統的干擾。減小了對低壓網的反擊等。
  (5)經濟方面:節省了接地設備,接地系統投資少。
  中性點不接地系統的缺點:
  (1)與中性點電阻器接地系統相比,產生的過電壓高(弧光過電壓和鐵磁諧振過電壓等),對弱絕緣擊穿概率大。
  (2)在間歇性電弧接地故障時產生的高頻振蕩電流大,達數百安培,可能引發相間短路。
  (3) 至目前為止,故障定位難,不能正確迅速切除接地故障線路。
2.2 配電網中性點諧振(消弧線圈)接地的優缺點
  配電網中性點諧接地是指配電網一個或多個中性點經消弧線圈與大地連接,消弧線圈的穩態工頻感性電流對電網穩態工頻容性電流調諧,故稱諧振接地,目的是使得接地故障殘流小,接地故障就可能自清除。因此,中性點不接地系統的優點,中性點消弧線圈接地系統全有并更好些。同樣地,中性點不接地系統的缺點,中性點消弧線圈接地系統亦全有僅是出現最大幅值弧光過電壓概率小些。這是因消弧線圈降低了單相接地時的建弧率。
  消弧線圈接地方式的使用是否成功很大程度上還取決于消弧線圈,跟蹤系統,選線裝置本身的可靠性。
2.3 配電網中性點直接接地的優缺點
  配電網中性點直接接地是指配電網中全部或部分變壓器中性點沒有人為阻抗加入的直接與大地(地網)充分連接。使該電網處達到 R 0 ≤ X 1 和 X 0 / X 1 ≤ 3 。
中性點直接接地系統的優點有:
  (1) 內部過電壓較低,可采用較低絕緣水平,節省基建投資。
  (2) 大接地電流,故障定位容易,可以正確迅速切除接地故障線路。
   中性點直接接地系統的缺點有:
  (1) 接地故障線路迅速切除,間斷供電。
  (2) 接地電流大,地電位上升較高。這樣:
      a  增加電力設備損傷。
      b  增大接觸電壓和跨步電壓。
      c  增大對信息系統干擾。
      d   增大對低壓網反擊。
2.4 配電網中性點電阻器接地的優缺點
  配電網中至少有一個中性點接入電阻器,目的是限制接地故障電流。中性點經電阻器(每相零電阻 R 0 ≤ X c0 每相對地容抗)接地,可以消除中性點不接地和消弧線圈接地系統的缺點,即降低了瞬態過電壓幅值,并使靈敏而有選擇性的故障定位的接地保護得以實現。由于這種系統的接地電流比直接接地系統的小,故地電位升高及對信息系統的干擾和對低壓電網的反擊都減弱。因此,中性點電阻器接地系統具有中性點不接地及消弧線圈接地系統或直接接地系統的某些優點,也多少存在這兩種接地方式的某些缺點。
  按限制接地故障電流大小的要求不同,分高、中、低值電阻器接地系統,具體的優缺點亦不同。
      2.4.1 中性點高值電阻器接地系統的優缺點
  中性點高值電阻器接地系統是限制接地故障電流水平為 10A 以下,高電阻接地系統設計應符合每相零序電阻 R 0 ≤ X c0 (每相對地容抗)準則,以限制由于間歇性電弧接地故障時產生的瞬態過電壓。
      優點:
   a 可防止和阻尼諧振過電壓和間歇性電弧接地過電壓,在2.5 P•U 及以下。
  b 接地電流水平為 10A 以下,減小了地位升高。
  c 接地故障可以不立即清除,因此能帶單相接地故障相運行。
  缺點:使用范圍受到限制,適用于某些小型 6 ~ 10KV 配電網和發電廠廠用電系統。
      2.4.2 中性點低值電阻器接地系統的優缺點
  為獲得正確迅速切除接地故障線路,就必須降低電阻器的電阻值。優點:
  a 內部過電壓(含弧光過電壓、諧振過電壓等)水平低,提高網絡和設備的可靠性。
  b 大接地電流( 100 ~ 1000A ),故障定位容易,可以正確迅速切除接地故障線路。
    缺點 ;
     a 因接地故障入地電流 If =100 ~ 1000A ,地電位升高比中性點不接地、消弧線圈接地、高值電阻器接地系統等的高。
     b 接地故障線路迅速切除,間斷供電。
      2.4.3 中性點中值電阻器接地系統的優缺點
  為了克服高值和低值接地系統的弊端而保留其優點,而采用中值電阻。接地故障電流控制在 50 ~ 100A ,仍保留了內過電壓水平低、地電位升高不大、正確迅速切除接地故障線路等優點,并亦具有切除接地故障線路間斷供電等缺點。
三、我國城市配電網中性點經消弧線圈接地方式存在的問題
  近年來,隨著我國電力工業的迅速發展,城市配電網的結構變化很大,在饋電線路中電纜所占的比重越來越大,中性點經消弧線圈接地運行方式的一些問題日漸暴露。
  隨著配網電容電流的迅速增大,很難保證消弧線圈在一定脫諧度下過補償運行。主要原因為:( 1 )消弧線圈的調節范圍有限,一般為 1:2 ,不適合工程初期和終期的需要。( 2 )消弧線圈各分接頭的標稱電流和實際電流誤差較大,有些甚至可達 15% ,運行中就發生過由于實際電流值與銘牌數據差別而導致諧振的現象。( 3 )計算電容電流和實際電容電流誤差較大,多數變電站是電纜和架空線混合的供電網絡,準確而及時的掌握配電線路的長度是很難做到的,而且電纜型號繁多,單位長度的電容電流也不盡相同。( 4 )有些配電網在整個接地電容電流中含有一定成分的 5 次諧波電流,其比例高達 5% ~ 15% ,即使將工頻接地電流計算得十分精確,但是對于 5% ~ 15% 接地電容電流中的諧波電流值還是無法補償的。綜上所述,以電纜為主的配電網,當發生單相接地故障時,其接地殘流較大,運行于過補償的條件也經常不能滿足。
  電纜為主配電網的單相接地故障多為系統設備在一定條件下由于自身絕緣缺陷造成的擊穿,而且接地殘流較大,尤其是當接地點在電纜時,接地電弧為封閉性電弧,電弧更加不易自行熄滅(單相接地電容電流所產生的弧光能自行熄滅的數值,遠小于規程所規定的數值,對交聯聚乙烯電纜僅為 5A ),所以電纜配電網的單相接地故障多為永久性故障。由于中性點經消弧線圈接地的系統為小電流接地系統,發生單相接地永久性故障后,接地故障點的檢出困難,不能迅速檢出故障點所在線路。這樣,一方面使系統設備長時間承受過電壓作用,對設備絕緣造成威脅,另一方面,不使用戶斷電的優勢也將不復存在。
  在中性點經消弧線圈接地系統中,過電壓數值較高,對設備絕緣造成威脅。 (1) 單相接地故障點所在線路的檢出,一般采用試拉手段。在斷路器對線路試拉過程中,有時將產生幅值較高的操作過電壓,( 2 )中性點經消弧線圈接地系統和中性點不接地系統相比,僅能降低弧光接地過電壓發生的概率,并不能降低弧光接地過電壓的幅值,( 3 )中性點經消弧線圈接地的系統在某些條件下,會發生諧振過電壓。由于上述原因,另外由于電纜為弱絕緣設備,例如 10kV 交聯聚乙烯電纜的 1 分鐘工頻耐壓為 28kV ,比一般設備低 20% 以上,所以電纜在單相接地故障在故障點檢出過程中,由于工頻或暫態過電壓的長時間作用,常發展成相間故障,造成一線或多線跳閘。
  單相接地時,非故障相電壓升高至線電壓甚至更高,在不能及時檢出故障點線路情況下,無間隙金屬氧化物避雷器( MOA )長時間在線電壓下運行,容易損壞甚至爆炸,此類事故前些年并不鮮見。提高 MOA 的額定電壓后,雖然可以大幅度的降低此類事故的發生,但在 MOA 閥片特性沒有明顯改善的情況下,勢必使 MOA 在雷電沖擊電流下的殘壓升高,降低了保護性能。另外,中性點經消弧線圈接地系統發生弧光接地過電壓、諧振過電壓時,過電壓作用時間有可能較長, MOA 由于動作負載問題,一般并不要求 MOA 限制此類過電壓。這使 MOA 的限壓作用降低,優勢減弱,不利于 MOA 在配電網的推廣使用。
四、配電網中性點經低值電阻器接地人們關注的幾個問題
4.1關于可靠性
      4 .1.1 供電可靠性的要求和影響供電可靠性的因素:
    根據我國供電可靠性管理的有關規定,判斷供電可靠性高低主要有三個指標:停電頻率、停電持續時間及少供電量。這些指標與許多因素有關,有計劃停電原因,也有故障停電原因,影響 10kV 配電網供電可靠性指標的主要原因基本集中在用戶影響、氣候因素、市政建設、設備老化四個方面。應該說, 10kV 配電網中性點接地方式的不同對 10kV 配電網供電可靠性的影響是綜合的,配電網中性點接地方式改變后,就某一種故障原因來講可能會增加故障幾率,就另一種故障原因來講可能會減少故障幾率或不受影響。為了提高供電可靠性,應該根據接地方式對故障的影響采取一些措施。
      4.1.2 中性點接地方式對供電可靠性的影響:
  眾所周知,配電網中性點不接地或經消弧線圈接地方式與中性點經小電阻接地方式比,
  最大的優點是在發生單相接地故障時,如果是瞬間故障,當系統電容電流或經消弧線圈補償后的殘余電流小到自行熄滅的程度時,則故障可自行消除,如果是永久故障,該系統可帶單相接地故障運行 2 小時,獲得足夠的時間排除故障,以保證對用戶的不間斷供電。但這一優點在以電纜為主的城市配電網中并不突出。電纜故障的原因,從統計情況看,主要是絕緣老化、電纜質量、外力破壞等,一般都是永久性故障,當發生接地故障時不應帶故障運行。從實際運行情況看,在以電纜為主的配電網中,中性點不接地或經消弧線較圈接地方式下,單相接地故障引發的相間短路故障較多。一些實際事故表明,單相接地故障發展為相間故障,反而擴大了停電范圍,尤其是當發展為母線短路故障時,相當于變壓器出口短路,而由于目前一些變壓器抗短路沖擊能力較弱,從而可能造成變壓器損壞。
  就城市配電網供電方式的實際情況看雙電源供電方式,架空絕緣線的采用,環網布置,開環運行方式,電纜線路所占比重等因素造成了采用中性點不接地或經消弧線圈接地方式的優點不突出。從目前已改小電阻接地方式的變電站實際運行情況分析;保護配置得當,可不降低供電可靠性。
  綜合上述分析,電纜供電為主的變電站采用中性點經小電阻接地,不會對供電可靠性造成多大影響,在某些方面對供電可靠性的提高反而有益。
4.2關于對通信的影響
  接地故障入地電流及運行中的零序電流,對鄰近通信線路感性耦合產生縱電動勢。三相產生的不對稱電壓,對鄰近通信線路容性耦合產生靜電感應電壓。
  配電網接地故障入地電流產生的地電位升高,通過接地電極之間的阻性耦合在接地的電信線路上產生電壓,稱為阻性耦合或直接傳遞。
  上述在通信系統產生的電壓和電流是以危害通信系統的,稱為危險影響。而以降低通信質量,電話產生雜音,電報信號和數據傳輸失真等情況的,稱為干擾影響。
  因電網中性點直接接地,中性點電阻器(或電抗器)接地,其接地故障入地電流比中性點不接地(絕緣)和消弧線圈接地要大,對通信系統的影響,前者比后者大。這是如下概念產生的,單電源饋電,在線路末端( F 點)產生單相接地故障,故障電流在與電力線路平行的通信線路上感應出較大的電壓(若通信線路一端接地,則在另一端可用電壓表量出),隨故障電流的增大而增加。
  根據這一簡單基本概念而得到的通信線路的電磁感應的判斷,顯然是過大的。實際城市配電網只一端中性點接地,而另一端呈開路情況是很少的。實際配電網比這復雜得多。當線路某處 F 發生單相接地故障時,接地故障電流是從兩端流入故障點 F 的線路電流方向相反,通信線路全長感應電壓與( i 1 l 1 -i 2 l 2 )絕對值成比例,故中性點直接接地系統、中性點低值電阻器(或低值電抗器)接地系統就不一定比中性點消弧線圈接地系統和中性點不接地(絕緣)系統對通信線路的感應電壓大,要具體計算和實測,如都以最嚴重的極端情況考慮,那么中性點消弧線圈接地和中性點不接地(絕緣)系統兩相導地接地故障時(這種系統的架空線路的霧閃造成兩相異地接地故障時有發生的),對通信線路的感應電壓反而更嚴重。
  實際大城市的配電網和通信網都是電纜,接地故障電流從電纜外皮分流,一般是沒有影響的。總之,具體情況要具體計算分析。還須指出的,感應電壓超過規定值時還有很多防護措施可采用。
4.3 關于人身的安全性
  從供電局提供的實際例子分析,無論是在不接地或經消弧線圈接地系統,還是在經小電阻接地系統,都有觸電傷亡及逃脫電擊事故發生的例子,所以對于這種直接接觸高壓的事故,是否會造成人身傷亡的關鍵不在于是哪一種中性點接地方式,而是在于觸電者接觸帶電體的方式以及觸電后脫離的時間。所以從保護人身安全方面考慮,中性點不接地或經消弧線圈接地系統由于在發生單相接地時不立即跳閘,所以對誤碰帶電線路且不易立即脫離電源的人會帶來比較大危害,而對于中性點經小電阻接地系統在發生金屬性單相接地時,由于時間短、保護能正確及時動作使觸電人員立即脫離電源所以盡管短路電流較大但是給人身造成的傷害相對而言會比較小,但是如果中性點經小電阻接地系統在發生單相經過渡電阻接地時(如珠海機場變電站例子),由于保護不能準確及時的動作,此時仍會給人身造成傷害。所以應綜合考慮觸電的方式、觸電后保護的動作情況等等,具體對于許多城市,架空線均換成了絕緣線,所以外力造成架空線單相接地的事故會大量減少,而電纜發生單相接地時由于外皮的分流作用,入地電流僅有很少部分,所以引起的電位升高也較小,所以從這一方面來講, 10kV 配電系統采用小電阻接地系統在人身安全方面會優于不接地或消弧線圈接地系統。
4.4 關于斷路器
  從理論上講,原先中性點不接地(絕緣)和消弧線圈接地系統,在發生單相接地故障時線路斷路器不跳閘。改為中性點低值電阻器(或低值電抗器)接地系統,在發生單相接地故障時線路斷路器要跳閘的,因而出現所擔心的“頻繁跳閘,設備燒損”和“維修工作量增加”。根據上海等地的長期運行經驗證明是不會的。上海西郊變電所 23KV 中性點低值電阻器接地系統的線路斷路器的維修工作量不比同變電所 35KV 中性點消弧線圈接地系統的線路斷路的維修量大。究其原因是故障電流不大,單相接地故障入地電流限制在 1 ~ 2KA 以內,比負荷電流稍大,小于斷路器開斷電流的八分之一,不會引起斷路器的嚴重燒損:斷路器開斷單相短路的條件比開斷相間短路的情況要好得多。中性點不接地(絕緣)和消弧線圈接地系統,在單相電弧接地故障引發相間短路故障的概率是很高的。
五、電阻接地時繼電保護的考慮
  中性點經小電阻接地后,對單相故障而言,故障電流增大,并有零序電流產生,因而保護配置應增加零序保護。根據經驗,保護配置宜采用不同時限的零序電流保護,或采用零序方向保護。保護配置還應考慮:
      (1) 配電線路采用零序電流互感器和反應工頻電流值的零序電流接地保護作為單相接地主保護,作用于跳閘。
      (2) 保護整定值躲過本段電容電流,可靠系數可取 2.0 。
      (3) 靈敏度按流過故障線路的電容電流校驗。靈敏系統工程 >1.25 。
      (4) 本段母線電壓互感器的開口三角 3 U 0 作為信號。
      (5) 零序 CT 最好采用套在三相電纜上的單個 CT 方式,以避免三個 CT 的誤差和飽和差異所造成的不平衡電流。
      (6) 保護的配置可以通過時間進行配合,使故障范圍縮到最小。
六、電阻值的合理選取
  采用中性點電阻接地時,電阻值的選取必須根據電網的具體情況,應綜合考慮限制過電壓倍數,繼電保護的靈敏度,對通信的影響,人身安全等因素。
       (1)對高阻接地,在系統發生單相接地時,允許帶故障運行,故障點電流應限制在 10A 以下。因此接地電阻 R 0 的選取為 Xc ≧ R 0 , 和 R 0 ≧ U φ /10A。 Xc 為系統每相對地容抗,
U 為系統相電壓。
      (2)對低阻接地
  a 從降低內過電壓考慮根據TNA模擬和計算機計算,當I 0 ≥Ic時(I 0 為流過中性點電阻的電流,Ic為系統電容電流),可將健全相過電壓倍數限制到2.8倍以下,當I 0 ≥1.5Ic時,可將健全相過電壓倍數限制到 2倍以下。I 0 ≥1.5Ic后,限制過電壓的效果已變化不大了。因此,可按1.5Ic≥ I 0 ≥Ic來選取電阻值。 R 0 = U φ / I 0 。
  b 從保證繼電保護靈敏度考慮,電阻值越小越好,目前的微機保護一般都有零序保護功能,且起動電流值相當小,單相接地故障電流遠大于每條線路的對地電容電流,一般都能滿足零序保護的靈敏度要求。問題時當接地過渡電阻高時,繼電保護的靈敏度會受到影響。按照a)所選擇的電阻值,當過渡電阻不大于100Ω時,保護靈敏度一般沒有問題,對電纜為主的配電線路,過渡電阻一般都小于100Ω。
  c 從降低對通信的干擾考慮,電阻不宜選得過小。我國四部協議規定,如通信電纜與大地間未裝放電器時,危險影響電壓不得大于430V,對高可靠線路,不大于630V。目前,深圳電網中性點電阻取15Ω,北京電網取10Ω,上海電網取5.7Ω。對應電流分別為400A,600A,1000A。均未造成對通信線路的影響。
  d 從人身安全考慮,中性點接地電阻阻值越大越好。因為中性點經低電阻在發生單相接地故障時,通過故障點的接地短路電流比較大,引起故障點地電位升高,有可能造成跨步電壓,接觸電勢超過允許值。因此,在選擇電阻值時,因根據地網接地電阻,保護動作時間,接地短路電流核算跨步電壓和接觸電勢是否超過規程。根據深圳,廣州,上海,北京的實踐經驗,并未因采用電阻接地造成跨步電壓和接觸電勢過高產生人身事故。
七、 結論
  配電網中性點接地方式的選擇是具有綜合性的技術問題。中性點不接地、諧振接地、電阻接地各有其優缺點,應結合電網具體條件,通過技術經濟比較確定,也就是說,因每種中性點接地方式的系統,具有獨自的優點,得到了發展。在同一城市同級標稱電壓,多種中性點接地方式的系統并存。那種按電壓等級“一刀切”決定中性點接地方式是不對。因每種中性點接地方式的系統,具有獨自的缺點(弊端)。所以,在選擇時必須從具體實際出發,權衡利弊,擇利大于弊。
  例如:架空線路的小電網,即網絡電容電流小,可選用中性點高值電阻器接地系統。
  架空線路的大電網,即網絡電容電流較大,可選用中性點諧振接地系統。
  城市電纜配電網,網絡結構較好,可選用中性點中值或低值電阻器接地系統。若要求補償網絡電容電流限制接地故障入地電流,可選用中性點經中值電阻器與消弧線圈并聯的接地方式。
  中性點中值或低值電阻器接地方式及中值電阻器與消弧線圈并聯接地方式可以克服不接地和諧振接地方式存在的兩大弊端:( 1 )限制單相間歇性電弧接地時產生的瞬態過電壓和瞬態電流。( 2 )解決選線難,達到正確迅速選線斷開單相接地故障線路。
  中性點經電阻接地在國外從上世紀 40 年代已開始使用。 1995 年華力特電氣公司率先從美國 PGR 公司引進中性點接地電阻,先后在深圳,上海,北京,天津,江蘇,福建等地區供電局及石化,鋼鐵,地鐵,發電廠行業使用。通過 2000 多臺年電阻柜的使用表明,其性能先進,可靠。
八、參 考 文 獻
      1 萬善良上海市區配電網中性點接地方式的技術分析 上海電力 1993(6)
      2 董振亞城市配電網中性點接地方式的發展和改進 中國電力 1998(8) 
      3 許穎 3 ~ 66kV 電網中性點接地方式的幾個問題.
      4 馮寶憶電纜配電網中性點接地方式對供電可靠性的影響.
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