小電流接地系統(tǒng)選用中性點(diǎn)接地方式的比較分析

引言

在電力系統(tǒng)的核心學(xué)科中,中性點(diǎn)接地方式的分析一直是重點(diǎn),它對電力系統(tǒng)和電磁環(huán)境的無害化運(yùn)行有著非常重要的影響。目前,接地方式主要有四種:中性點(diǎn)直接接地和中性點(diǎn)不接地、中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地、中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地。在這四種接地方式中,中性點(diǎn)直接接地方式是屬于大電流接地方式,而其他三種接地系統(tǒng),我們統(tǒng)稱為小電流接地系統(tǒng)。

對于小電流接地系統(tǒng),我們知道其常用于6~35kV電壓等級的電網(wǎng)系統(tǒng)中。伴隨著城市化速度的加快,10kV配電系統(tǒng)發(fā)生了巨大的改變,傳統(tǒng)的架空線路農(nóng)鄉(xiāng)配電網(wǎng)正逐步被電纜為主的城市配電網(wǎng)所取代。在配電系統(tǒng)中,供電系統(tǒng)的可靠性在一定程度上由中性點(diǎn)接地質(zhì)量所決定。本文主要基于河源地區(qū)的實(shí)際情況,分析河源10kV電壓等級電網(wǎng)幾種中性點(diǎn)接地方式的優(yōu)缺點(diǎn),并進(jìn)行了比較。

1河源地區(qū)10kV配網(wǎng)系統(tǒng)使用中性點(diǎn)接地方式現(xiàn)狀概述

如圖1所示,目前河源地區(qū)10kV配網(wǎng)所使用的各類系統(tǒng)中,按照粗略統(tǒng)計結(jié)果不接地系統(tǒng)占比約29%,經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)占比約48%,經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)占比約7%,經(jīng)消弧線圈并小電阻接地系統(tǒng)占比約16%。

圖1 河源地區(qū)10kV配網(wǎng)系統(tǒng)使用的中性點(diǎn)接地方式分布

2中性點(diǎn)不接地方式

中性點(diǎn)不接地是小電流接地系統(tǒng)中最早的接地方式,如圖2所示。

它的結(jié)構(gòu)非常簡單,不需要任何附件,因而其成本相對較低,十分適用于農(nóng)鄉(xiāng)架空線路10kV樹形供電網(wǎng)絡(luò)。它的優(yōu)勢在于,當(dāng)該系統(tǒng)出現(xiàn)單相接地時,大部分三相電氣設(shè)備都能正常運(yùn)行,允許2h內(nèi)臨時運(yùn)轉(zhuǎn),可靠性高。但是存在以下問題:

(1)當(dāng)單相接地時,另外兩條非故障相的對地電壓上升到線電壓,是正常相線的V3倍,對于正常相線路而言,意味著絕緣要求提高,進(jìn)一步提高了絕緣制作成本。

(2)當(dāng)電力系統(tǒng)電容電流增大時,故障接地電弧無法自動熄滅,導(dǎo)致故障范圍擴(kuò)大。

(3)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中,經(jīng)過故障點(diǎn)的電流只是電網(wǎng)對地的容量電流,并且電流值很小。所以為了精確、迅速地判別故障部位進(jìn)行故障檢修,需要安裝絕緣監(jiān)測裝置,以防范安全事故。

3中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式

在小電流接地系統(tǒng)中,當(dāng)3~10kV架空線路單相接地故障容性電流超過10A,或3~10kV電纜線路單相接地故障容性電流超過30A時,應(yīng)在中性點(diǎn)與接地極之間設(shè)置消弧線圈,即通常所說的諧振接地,如圖3所示。與中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)相比,諧振接地在某些方面具有無可比擬的優(yōu)勢,但其運(yùn)行要求更為嚴(yán)格。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時,通過消弧線圈來避免諧振過電壓。消弧線圈接地方式特別適用于架空線路電容電流Ic>10A、瞬時性的單相接地。在電力系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈單相接地系統(tǒng)發(fā)生故障時,消弧線圈的電流將轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電流,可有效抑制電弧再燃的可能性,減少電弧再燃的發(fā)生,降低高幅值電弧接地過電壓出現(xiàn)的可能性。

由于消弧線圈的補(bǔ)償功能,接地故障點(diǎn)的剩余電流減小,消弧線圈處于過補(bǔ)償狀態(tài),即接地線的零序電流方向與其他線路的零序電流方向相同,提高了正確選擇故障線路的難度。

圖4為加裝消弧線圈后零序電流等效圖。

4中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式

隨著城鎮(zhèn)電網(wǎng)的發(fā)展及電纜出線的劇增,電力系統(tǒng)對地電容電流急劇增加,線路發(fā)生單相接地后流經(jīng)故障點(diǎn)的容性電流增大很多,電弧不易熄滅。全國電網(wǎng)普遍采用的諧振接地方式,即在中性點(diǎn)裝設(shè)消弧線圈的方式,已經(jīng)難以滿足當(dāng)前客戶對設(shè)備和人身安全性越來越高的要求。

為了解決上述問題,國網(wǎng)最新《配網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)則》提出了"小電流接地系統(tǒng)永久性單相接地故障選線選段、就近快速隔離的新要求",參考國際先進(jìn)經(jīng)驗(yàn),改變長期以來單相接地故障下持續(xù)運(yùn)行2h的傳統(tǒng)運(yùn)行方式,提高設(shè)備及人身安全性和供電可靠性。南網(wǎng)2016年《小電流接地系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式調(diào)研分析報告》要求:選用消弧線圈接地或不接地方式時,應(yīng)配置小電流接地選線裝置,選線裝置應(yīng)延時(3~10s)投入跳閘,并考慮上下級小電流選線裝置之間的跳閘時間配合。

從圖5可以看出,若10kV青州線發(fā)生線路單相接地,零序電流達(dá)到零序過流Ⅱ段定值20A并持續(xù)0.3s則會向保護(hù)發(fā)告警信號:但若零序電流持續(xù)增大,當(dāng)達(dá)到零序過流段I定值60A并持續(xù)0.3s時,則直接跳開10kV青州線716開關(guān),從而切除故障線路。從站內(nèi)看,切除故障線路后,阻止了故障進(jìn)一步擴(kuò)大,影響站內(nèi)其他設(shè)備:從站外看,切除故障線路后,能有效防范線路單相接地造成的社會人員人身觸電風(fēng)險和危害。

以圖6為例,當(dāng)10kVI段母線上的線路斷路器在單相接地故障后拒絕動作或時限過長時,10kV#1接地變高壓側(cè)的零序過流1時限跳10kV分段512,同時閉鎖10kV分段512備自投。緊接著10kV#1接地變高壓側(cè)的零序過流2時限同時跳開#1主變低壓501開關(guān)及10kV#1接地變551開關(guān)。這樣整定實(shí)現(xiàn)了當(dāng)線路斷路器出現(xiàn)拒動的情況時,能由保護(hù)經(jīng)過時限在最短時間自身識別隔離故障點(diǎn),保證變低開關(guān)設(shè)備、無故障段母線的設(shè)備安全以及人身安全。

從此可以看出,與消弧線圈接地方式相比,中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式的缺點(diǎn)主要有:

(1)當(dāng)發(fā)生單相接地故障時,不管是永久故障,還是瞬時故障跳閘,線路跳閘次數(shù)增加,影響用戶的正常供電。接地故障越頻繁,供電可靠性越低。

圖5 35kV合水站10kV青州線716保護(hù)定值單

圖6 110kV興隆站10kV#1接地變保護(hù)定值單

(2)當(dāng)出現(xiàn)線路單相接地故障時,如果線路零序保護(hù)不能動作,則會越級分段及主變變低開關(guān),擴(kuò)大停電范圍。

5中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈并電阻接地

正常情況下,接地控制裝置運(yùn)行在接地補(bǔ)償線圈自動調(diào)諧狀態(tài):瞬時故障情況下,接地補(bǔ)償線圈快速對故障進(jìn)行補(bǔ)償,避免發(fā)展為永久故障:永久故障時,投入接地電阻快速切除故障,確保設(shè)備與人身安全。

圖7虛框連接部分為并聯(lián)電阻選線,即在消弧線圈旁通過開關(guān)并聯(lián)一個電阻ZR,正常運(yùn)行時電阻ZR不投入運(yùn)行,消弧線圈投入運(yùn)行,電阻控制開關(guān)KM在斷開狀態(tài)。系統(tǒng)發(fā)生線路單相接地故障時,若是瞬時接地,消弧線圈零延時對故障點(diǎn)電容電流進(jìn)行補(bǔ)償,使故障接地自動消除。若為永久性接地故障,電阻ZR延時1s投入,在接地點(diǎn)產(chǎn)生一個阻性分量電流,使得故障線路與非故障線路上的零序電流出現(xiàn)明顯的差異,裝置根據(jù)計算值就能準(zhǔn)確識別出故障線路,達(dá)到正確選線的目的。

圖8中,U0是接地點(diǎn)的零序電壓,C是電網(wǎng)對地電容。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地永久性故障時,延時1s后,控制開關(guān)1K閉合投入電阻ZR。此時,接地點(diǎn)將產(chǎn)生一個阻性分量電流,使得故障線路與非故障線路上的零序電流出現(xiàn)明顯的差異。故障點(diǎn)電流矢量如圖9所示。

從矢量圖可以得出:

從上面對比可以得出:發(fā)生單相接地永久性故障時,采用了并聯(lián)電阻的消弧線圈接地系統(tǒng)流過穿心CT的零序電流比沒采用電阻的要大很多,突出了故障線路與其他線路的區(qū)別。由于電阻只是在有永久性接地故障時投入,所以相比傳統(tǒng)的選線方式具備以下優(yōu)點(diǎn):

(1)發(fā)生瞬時接地故障時,消弧線圈能夠補(bǔ)償系統(tǒng)電容電流,保證電弧的快速熄滅:發(fā)生永久性接地故障時,并聯(lián)的電阻又能使系統(tǒng)快速隔離故障。

(2)故障線路的零序電流變化較大,非故障線路變化小,選線正確率較高。

中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地在發(fā)生永久性故障時準(zhǔn)確選線存在一定的困難,難以迅速準(zhǔn)確地切除故障。而中性點(diǎn)通過小電阻接地不能區(qū)分瞬時接地故障和永久性接地故障,全部啟動跳閘,增加了線路跳閘次數(shù),影響供電可靠性。采用電阻并聯(lián)消弧線圈可以綜合它們的優(yōu)點(diǎn),解決它們各自的問題,大大提高配網(wǎng)供電的安全性和可靠性。目前,消弧線圈并聯(lián)小電阻接地控制裝置已研制成功,并多次使用于實(shí)際電網(wǎng)中。

6分析與對比

隨著城市發(fā)展,電網(wǎng)架構(gòu)日趨完善和電纜化,中性點(diǎn)不接地方式的使用價值已經(jīng)逐步下降,并且在實(shí)際使用中,其"短時運(yùn)轉(zhuǎn)2h"的優(yōu)點(diǎn)其實(shí)伴隨著對設(shè)備絕緣和人身安全的考驗(yàn),增加了運(yùn)維人員的運(yùn)維負(fù)擔(dān),所以除非在發(fā)展較為落后、電網(wǎng)負(fù)荷相對較低的農(nóng)鄉(xiāng)地區(qū),相對發(fā)達(dá)的中心城區(qū)或負(fù)荷較重的地區(qū)應(yīng)逐步對現(xiàn)有的中性點(diǎn)不接地方式進(jìn)行改造。

中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式,作為有效應(yīng)對單相接地故障的形式,在城鎮(zhèn)配網(wǎng)依然使用架空線路的區(qū)段,其使用足以解決單相接地的容性故障電流對電網(wǎng)和設(shè)備的沖擊,配置消弧選線裝置,也能在一定程度上切除永久性故障,降低運(yùn)維人員的任務(wù)負(fù)擔(dān)。但對于純電纜出線的線路,由于電容電流大,滅弧效果大為下降,故此種形式雖然目前還是河源地區(qū)配網(wǎng)主流中性點(diǎn)接地方式,但隨著城市日益發(fā)展,線路電纜化進(jìn)度加快,此種形式也只能作為電網(wǎng)發(fā)展的過渡形式。

中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式作為目前河源地區(qū)配網(wǎng)改造的重點(diǎn),其阻尼特性很好地適應(yīng)了純電纜出線出現(xiàn)單相接地故障時對選線精度的要求。當(dāng)故障線路斷路器出現(xiàn)拒動時,接地變高壓側(cè)零序保護(hù)能夠經(jīng)過時限斷開相應(yīng)的母聯(lián)斷路器和變低斷路器,從而最大程度縮小故障范圍,盡快隔離故障設(shè)備,保證系統(tǒng)的可靠和穩(wěn)定運(yùn)行,隨著城市的發(fā)展,它應(yīng)該逐漸成為10kV配網(wǎng)中性點(diǎn)接地的主要形式。

消弧線圈并電阻中性點(diǎn)接地方式適用范圍廣,既適用于以大電容電流、架空線/電纜混合線為主的城市配電網(wǎng),又適用于以小電容電流、架空線為主的農(nóng)鄉(xiāng)配電網(wǎng)。與中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地和中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地相比,其選擇性大大提高,能夠迅速并且精確地判斷永久性故障與瞬時性故障,降低線路跳閘次數(shù),提高供電可靠性,降低電網(wǎng)設(shè)備損壞和頻繁停電造成的經(jīng)濟(jì)損失。這種形式靈活度較高,但同時提高了設(shè)備成本,且配合形式相對復(fù)雜,在變電站10kV配網(wǎng)線路電纜化改造過程中,對于一個變電站的10kV出線既有架空線路又存在電纜線路的情況,這是一種適用的中性點(diǎn)接地方式。

7結(jié)語

綜上所述,針對河源地區(qū)現(xiàn)狀,在逐步進(jìn)行電纜化改造的配網(wǎng)線路,應(yīng)同步進(jìn)行中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式的改造,保證供電的可靠穩(wěn)定和設(shè)備的安全運(yùn)轉(zhuǎn),同時也減輕運(yùn)維人員的運(yùn)維負(fù)擔(dān),降低人身安全風(fēng)險。另外,結(jié)合城市的發(fā)展趨勢,對于仍以架空線路為主、仍采用中性點(diǎn)不接地方式的配網(wǎng)線路,應(yīng)逐步通過消弧線圈向采用中性點(diǎn)接地方式轉(zhuǎn)變:在條件允許的情況下,中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈并聯(lián)電阻接地,應(yīng)一個接一個地過渡到過渡區(qū)。這也響應(yīng)了國家提出的"以人為本"的呼吁,符合電網(wǎng)公司"精益化"的要求,同時也貫徹了河源供電局"安全第一、風(fēng)險預(yù)控、知行合一、以人為本"的新安全生產(chǎn)方針。