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发表于 2015-2-28 16:01:11
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电力系统中性点接地方式是一个很重要的综合性问题，它不仅涉及到电网本身的安全可靠性、过电压绝缘水平的选择，而且对通讯干扰、人身安全有重要影响。2 n9 a7 c) U- @1 Y$ _/ P
城乡配电网主要指10kV、35kV、66kV三个电压等级的电网， 在电力系统中量大面广，占有重要的地位。在过去，由于配电网比较小，主要采用不接地或经消弧线圈接地，一般来说运行情况是良好的，在80年代中后期，有些城市和地区配电网的中性点采用了经低电阻接地或高电阻接地方式，近年来各种不同形式的自动跟踪补偿的消弧线圈开始在配电系统中运行。城乡配电网的中性点接地方式是一个涉及面广、与诸多因素有关的综合问题，在不同地区、具有不同特点的配电网，在不同的发展阶段，这些因素及要求都是不一样的，而各种中性点接地方式和装置都有一定的适用范围和使用条件，为此，采用不同的中性点接地方式是很正常的。我国城乡电网正在加快建设与改造的速度，中性点接点方式对于电网的发展是重要的技术问题，引起了多方面的关注和重视。本文根据配电网的具体情况和要求，对不同发展阶段的电网中性点接地方式，提出了应考虑的主要因素和问题。/ h* X- j+ G4 p. V) _2 Z* Y3 @
2 我国城乡配电网中性点接地方式的发展概况& ?% @( q9 W3 S g" N
2.1 建国初期，我国各大城市电网开始改造简化电压等级，将遗留下来的3kV、6kV配电网相继升压至10kV，解放前我国城市配电网中性点不接地、直接接地和低电阻接地方式都存在过，上海10kV电缆配电网中性点不接地、经电缆接地、经电抗接地3种方式并存运行至今，北京地区10kV系统中性点低电阻与消弧线圈并联接地，上海35kV系统中性点经消弧线圈和低电阻接地2种方式并存至今。但是，从50年代至80年代中期，我国10(6)～66kV系统中性点，逐步改造为采用不接地或经消弧线圈接地两种方式，这种情况在原水利电力部颁发的《电力设备过电压保护设计技术规程SDJ7-79》中规定得很明确。
! y* q, t( y( E( \5 g 2.2 80年代中期我国城市10kV配电网中，电缆线路增多，电容电流相继增大，而且运行方式经常变化，消弧线圈调整存在困难，当电缆发生单相接地故障时间一长，往往发展成为二相短路。8 u$ h% L) ?4 I# b y- T, S$ O
从1987年开始，广州区庄变电站为了满足较低绝缘水平10kV电缆线路的要求，采用低电阻接地方式，接着在近20个变电站推广采用了低电阻接地方式，随后深圳、珠海和北京的一些小区，以及苏州工业园20kV配电网采用了低电阻接地，90年代上海35kV配电网也全面采用电阻接地方式。6 K8 q l J& N v
2.3 90年代对过电压保护设计规范(SDJ7-79)进行了修订，并已颁布执行，在新规程中，有关配电网中性点接地方式的修改主要有以下几点。
. x$ ~4 K8 N5 B, ?" P; i4 ~: t: N, B (1)原规程中规定3～10kV配电网中单相接地电容电流大于30A时才要求安装消弧线圈，新的规程将电容电流降低为大于10A时，要求装消弧线圈。
; \: R7 _. \5 K \, K* n6 c (2) 根据国内已有的中性点经低电阻接地的运行经验，对6～35kV主要由电缆线路构成的系统，其单相接地故障电流较大时，中性点经低电阻接地方式作为一种可选用的方案列入了新规程。% Y% Q1 q; @! E/ d3 Z6 ]9 j8 O! B
(3) 对于6kV和10kV配电系统以及厂用电系统，单相接地电流较小时，将中性点经高电阻接地也作为一种可选择的方案，列入了新规程。
; x, G+ H8 }5 q& r @! J5 J$ e 2.4 现有的有关规程对消弧线圈的应用的规定，仅适用于不带电调整分接头、不能自动调谐的消弧线圈。这种消弧线圈在使用中存在以下问题：: e4 O, y. I! b3 I, }( j; k E$ J
(1) 调节不方便，必须退出运行才能调分接头。0 x: ~. e$ F( Y0 c
(2) 判断困难，因为没有实时监测电网电容电流，无法对运行状态作出准确判断，因此很难保证失谐度和中性点位移电压满足要求。4 m/ W& f# C u% L
(3)随着电网规模的扩大，如果电网运行方式经常变化，要求变电站实行无人值班，手动的消弧线圈不可能始终运行在最佳档位，消弧线圈的补偿作用不能得到充分发挥，也不能总保持在过补偿状态下运行。
: K" s4 ^$ x6 F9 C, S 近年来，一些科研及制造厂家研制生产的自动跟踪补偿的消弧线圈，其电感值的改变方法大致可分为调匝式、调气隙、磁阀式、高短路阻抗变压器式和调容式等类型，这些产品在电力系统的推广应用，逐步取得了一定运行经验。
8 B% W; r) ?2 r8 I 3 中性点不同接地方式的比较
& [- A3 k; J6 x ^ 3.1 中性点不接地的配电网" N$ t" k) q6 `- d: |
中性点不接地配电网如果三相电源电压是对称的，则电源中性点的电位为零，但是由于架空线排列不对称而换位又不完全等原因，使各相对地导纳不相等，则中性点将会产生位移电压。一般情况位移电压不超过电源电压的5%，对运行的影响不大。 当中性点不接地配电网发生单相接地故障时，非故障的二相对地电压将升高倍，由于线电压仍保持不变，故对用户继续工作影响不大。1 T6 d o7 [0 t2 c
实践表明，单相接地时，当接地电流大于10A而小于30A时，有可能产生不稳定的间歇性电弧，随着间歇性电弧的产生将引起幅值较高的弧光接地过电压，其最大值不会超过3.5倍相电压，对于正常设备有较大的绝缘裕度，应能承受这种过电压，对绝缘较差的设备、线路上的绝缘弱点和绝缘强度很低的旋转电机有一定威胁，在一定程度上对安全运行有影响。
1 e, [7 b/ _5 \/ ~. o 由于中性点不接地配电网的单相接地电流很小，对邻近通信线路、信号系统的干扰小，这是这种接地方式的一个优点。. `; M" U2 U- V; J H
3.2 中性点经消弧线圈接地( x y2 r0 U3 P7 }/ ?5 C4 f* A
消弧线圈是一个装设于配电网中性点的可调电感线圈，当发生单相接地时，可形成与接地电流大小接近但方向相反的感性电流以补偿容性电流，从而使接地处的电流变得很小或接近于零，当电流过零电弧熄灭后，消弧线圈还可减小故障相电压的恢复速度从而减小电弧重燃的可能性。当完全补偿状态时，中性点位移电压U0将很高，因此一般都采取过补偿方式以减小中性点位移过电压。失谐度大可降低中性点位移电压，但失谐度过大，将使线路接地电流太大，电弧不易熄灭，因此合理地选择失谐度才能使消弧线圈正常运行。失谐度一般选在10%左右，长时间中性点位移电压不应超过额定相电压的15%。" e6 b Z* N6 V
消弧线圈的存在，使电弧重燃的次数大为减少，从而使高幅值的过电压出现的概率减小，一般认为66kV及以下系统发生间歇性电弧接地故障时，消弧红圈接地方式下的最大过电压为3.2Uxg,略低于中性点不接地系统。6 [3 `" r& r) G, z+ B) U. \% L5 Q
中性点经消弧线圈接地的配电网接地电流小，对附近通信线路的干扰小是这种方式的一个优点。
, W/ a. c* D% y# u 一般情况消弧线圈失谐度不大，如果线路不对称度很大，特别是发生断路器非全相操作，线路发生单相或二相断线时，对于消弧线圈接地系统，若阻尼率又较小，在某些条件下有可能引起串联谐振，需加以防止。% F- T+ R$ W) Q0 [# m
3.3 中性点经电阻接地
, K' J: z# b7 w' [# _) A 3.3.1 80年代中期广州等城市10kV配电网发展很快，城市中心区大量敷设电缆，单相接地电容电流增长较快，1987年达到60A以上，虽然装了消弧线圈，由于电容电流较大，且运行方式经常变化，消弧线圈调整困难，还由于使用了一部分绝缘水平低的电缆，为了降低过电压水平，减少相间故障可能性，因此采用了中性点经低电阻接地的方式。% s, c/ |! J$ k& n1 V
根据对广州地区区庄变电站的研究结果，采用中性点经低电阻接地，当Rn≤10Ω，在大多数情况下可使单相接地工频电压升高降低到1.4p.u左右。从限制弧光接地过电压考虑，当电弧点燃到熄灭过程中，系统所积累的多余电荷在熄灭后半个工频周波内能够通过Rn泄漏掉，过电压幅值就可明显下降。根据这个要求可以得到中性点的低电阻值应满足的条件为：+ J( D% |* L2 G% R
Rn≤1/3ωC0
1 o' Y) j, C9 ^$ w6 ^/ [( @ 当Rn=10Ω时，弧光接地过电压则可降至1.9p.u.以下。% S5 r' S0 }/ T$ `3 u
3.3.2 中性点电阻值的选择若取得太低时，则单相接地电流较大，对通信线路干扰大；若阻值取得太大，则继电保护动作不可靠。一般来说,中性点电阻中的电流在100～200A时对通信线路的干扰不成问题，在此条件下，10kV架空线路，中性点电阻值为28.80～57.74Ω。对于电缆为主的配电网，根据日本的经验,中性点电阻中的电流在400～800A时，对通信线的干扰问题不大，据此，10kV电缆配网中性点电阻值的范围应为7.2～14.4Ω。
; H8 Q+ \) [" s 从保证继电保护动作可靠性考虑，发生单相接地故障时应具有较高的灵敏度。接地继电器有2种：一种是接地过流继电器，另一种是根据零序电流方向而动作的接地方向继电器。
4 E: ], Q G8 J9 r 采用过流继电器在发生金属性接地时，保护的灵敏度是没有问题的。但在经过渡电阻接地时，主要是架空线路有相当一部分单相接地故障，故障点的电阻较大，保护的灵敏度存在一些问题。而对于电缆线路，单相接地时的过渡电阻一般都比较小，对继电保护的灵敏度影响不大。
2 _9 C# N# U @2 }+ ]2 _5 j 最后从限制谐振过电压的要求出发，在电缆线路特别长时，有可能出现 jωLe=1/jωC 的情况，而引起谐振，若中性点有适当电阻，则健全相上的异常电压可以得到限制。
. H) g% _2 R3 z1 ` 3.3.3 中性点经低电阻接地的方式，特别是以架空线为主的配电网单相接地时，跳闸次数会大大增加，如果未能实现环网供电或线路没有装设重合闸，则停电次数将会增加，降低了供电可靠性，而对电缆为主的配电因其故障率极低，这个问题不突出。" B/ X" G! _2 A5 \: Y8 k: R
结合我国具体情况，建议以电缆为主的电容电流达到150A以上的配电网可以采用低电阻接地方式，相应的故障电流水平为400～1000A。对10kV系统，中性点接地电阻值可取RN=10～20Ω。* @" Y/ ^* H4 r2 H4 J
4 自动跟踪补偿消弧线圈. S/ z+ \- `+ v# m1 W0 A+ w
自动跟踪补偿消弧线圈装置可以自动适时的监测跟踪电网运行方式的变化，快速地调节消弧线圈的电感值，以跟踪补偿变化的电容电流，使失谐度始终处于规定的范围内。大多数自动跟踪消弧装置在可调的电感线圈下串有阻尼电阻，它可以限制在调节电感量的过程中可能出现的中性点电压升高，以满足规程要求不超过相电压的15%。当电网发生永久性单相接地故障时，阻尼电阻可由控制器将其短路，以防止损坏。其原理接线如图1所示。
1 x8 p, N' U) @) C 自动跟踪补偿消弧线圈按改变电感方法的不同，大致可分为有分接头的调匝式,有可动铁芯的调气隙式，磁阀式调节的消弧线圈，高短路阻抗变压器式消弧系统以及调容式消弧补偿装置等。
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r# j% m, T9 `' Q X 4.1 调匝式自动跟踪补偿消弧线圈
; `1 W# j- v7 D- m, M* d6 Q. y5 d 调匝式是采用有载调压开关调节电抗器的抽头以改变电感值。它可以在电网正常运行时，通过实时测量流过消弧线圈电流的幅值和相位变化，计算出电网当前方式下的对地电容电流，根据预先设定的最小残流值或失谐度，由控制器调节有载调压分接头，使之调节到所需要的补偿档位，在发生接地故障后，故障点的残流可以被限制在设定的范围之内。它的不足之处是不能连续调节，需要合理的选择和确定档位数和每档变化范围，使残流在各种运行方式下都能限制在5A左右，以满足工程需要。2 f. E1 f& Z; L( M* e
4.2 调气隙式自动跟踪补偿消弧线圈" l; z z4 k+ }+ q/ R: E
调气隙式电感是将铁芯分成上下两部分，下部分铁芯同线圈固定在框架上，上部分铁芯用电动机带动传动机构可调，通过调节气隙的大小达到改变电抗值的目的。它能够自动跟踪无级连续可调，安全可靠。其缺点是振动和噪声比较大，在结构设计中应采取措施控制噪声。这类装置也可以将接地变压器和可调电感共箱，使结构更为紧凑。4 g# e$ J+ }. O
4.3 磁阀式调节的消弧线圈7 x3 r- i& D% U: J/ c
其基本原理是用直流控制铁芯的磁饱和度，以实现平滑调节电抗器的容量。一般消弧线圈与接地变压器可以放在一个五柱式的铁芯上，中间3个柱的铁芯上的绕组可以组成Z型接地变压器。两边柱上绕有上下带抽头的对称绕组。不同铁芯柱的上下两绕组交叉连接后并联到接地变压器的中性点N和地之间，构成可调的消弧线圈。可控硅V1、V2分别接在左右2个柱的抽头上，二极管V则横跨在左右交叉绕组的中间。见图2。
& Q! r9 Y+ h* Z, U6 E. T 当电网发生单相接地故障时，出现幅值为相电压的零序电压，它在Z型接地变压器上的电抗压降为零，它全部加在消弧线圈两端。在零序电压作用下，可控硅V1、V2承受正弦电压，一个工频周期内，轮流触发导通，便可调节控制电流的大小，以改变两边柱铁芯的饱和程度，达到平滑调节消弧线圈的容量和自动补偿单相接地电流的目的。
0 _* q6 Q0 y& w% ^9 u& N7 _ 这种磁阀式调节的消弧线圈有如下特点：补偿电流可连续无级调节，调整平滑，线性度好；结构紧凑补偿后残余电流小；其缺点是该装置本身是一谐波源，对电能质量有影响，应采取措施加以解决。
; c! d7 {) J" Q' U1 y1 b 4.4 高短路阻抗变压器式消弧系统
, h- j! H0 O3 z7 |$ @ 该消弧系统主要由高短路阻抗变压器式消弧线圈和控制器组成，同时采用小电流接地选线装置为配套设备。
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0 ^0 ]6 Q6 a0 g: b6 ]. t6 K 该消弧线圈是一种高短路阻抗变压器式可控电抗器，其基本结构和等效电路如图3所示。变压器的一次绕组作为工作绕组接入配电网中性点，二次绕组作为控制绕组由2个反向连接的晶闸管短路，通过调节晶闸管的导通角来调节二次绕组中的短路电流，从而实现电抗值的可控调节。由于采用了晶闸管调节，因此响应速度快，可以实现零至额定电流的无级连续调节。此外，由于是利用变压器的短路阻抗作为补偿用的电感，因而具有良好的伏安特性。( e1 s9 g' ^7 M
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在非接地故障情况下，消弧线圈可以工作在远离谐振点的区域，发生故障调谐使电弧熄灭后，应快速调离谐振点以避免产生串联谐振过电压，因此可以不设置阻尼电阻。
, f. X/ \3 X: o/ Z 4.5 调容式消弧补偿装置: g' j4 E v L! t/ b
根据系统最大运行方式或电网发展情况，确定消弧线圈在过补偿条件下的额定容量，即可确定在接地故障时可提供的电感电流，增设消弧线圈的二次电容负荷绕组，在二次侧并联若干组用真空开关或晶闸管通断的电容器，用来调节二次侧电容的容抗值，以达到减小一次侧电感电流的要求，称其为调容式消弧补偿装置。电容值的大小及组数有多种不同排列组合，以满足调节范围和精度的要求。
3 H/ e6 F ?+ g# v8 k/ ~& j 5 中性点接地方式的选择% \; J# o8 ~( \" l. Y+ {, Y
电力系统中性点接地方式是一个涉及到供电的可靠性、过电压与绝缘配合、继电保护、通信干扰、系统稳定诸多方面的综合技术问题，这个问题在不同的国家和地区，不同的发展水平可以有不同的选择。( r3 }8 M7 p+ Z3 _; u; F
5.1 配电网中性点采用传统的小电流接地方式5 ?$ @( H/ a6 f! B' f# S* |+ [
传统的小电流接地方式主要是指中性点不接地或经手动调整的消弧线圈接地2种方式。! [) c& C& J. d0 D! h T
当系统不大，线路主要是架空线路，网络结构相对比较简单，运行方式变化范围不很大，采用传统的小电流接地方式有明显的优点。
: H0 ^0 P+ w# c; D; r- z+ b 首先是供电可靠性高，由于接地故障电流很小，其电弧可以瞬间自行熄灭。对单相永久性接地故障，允许一定时间内带故障运行，避免了过多的跳闸现象。其次是人身及设备的安全性较好，由于单相接地时故障点电流很小，跨步电压和接触电压都较低，使人身伤亡和弱电设备的损坏率都显著降低。第三是通信干扰小。- x3 q9 o) g) R! z# A* e6 o4 Q
配电网采用小电流接地方式应认真地按《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》(DL/T620-1997)标准的要求执行，对架空线路电容电流在10A以下可以采用不接地方式，而大于10A时，应采用消弧线圈接地方式。采用消弧线圈时应按要求调整好，使中性点位移电压不超过相电压的15%，残余电流不宜超过10A；消弧线圈宜保持过补偿运行。这样，基本上可以使配电网安全可靠运行。
2 k$ H& p2 b& T" F* Y7 f( P 5.2 配电网中性点经低电阻接地3 p! T/ k2 X9 I
在配电网中选用中性点经低电阻接地，可以降低单相接地时非故障相的过电压，抑制弧光接地过电压，消除谐振过电压和大部分断线过电压，避免使单相接地发展为相间故障，接地保护方式比较简单，对电缆为主的系统可以选择较低的绝缘水平，以利节约投资，但是对以架空线为主的配电网因单相接地而引起的跳闸次数则会大大增加。: {6 N- H, e2 S
对以电缆为主的配电网，其电容电流达到150A以上，故障电流水平为400～1000A，经综合比较后可以采用这种接地方式。采用低电阻方式时，对中性点接地电阻的动热稳定应给以充分的重视，以保证运行的安全可靠。+ c6 b- Y$ c' z# T9 k
5.3 配电网采用自动跟踪补偿装置3 x5 S: m* U4 O D. x6 q# \
对于运行方式经常变化，特别是电容电流变化的范围比较大，用手动的消弧线圈已很难适应要求，此外，由于系统的扩大，原有的消弧线圈容量已不够，可能处于欠补偿状态下运行的配电网，采用自动跟踪补偿的消弧线圈，可以将电容电流补偿到残流很小，使瞬时性接地故障自动消除而不影响供电。如果配有自动选线装置，对于永久性故障能正确选出故障线路并跳闸，则可不影响其他非故障线路的正常运行，则是比较合理和很有发展前景的中性点接地方式。
. O+ j1 l4 Q: Q9 l) T" s$ s2 x* k, Z 随着城市配电网的迅速发展，电缆大量增多，电容电流达到很大值(>300A)；用户使用的敏感元件(电脑、电子控制、电力电子)日益增多；配电网与电信网共处的电磁兼容问题日益突出。可以预见低电阻接地方式要限制单相短路电流同时又要满足过电压的要求将很困难。相反自动快速跟踪补偿的消弧装置，配合可靠的自动选线装置则有较大的发展优势。各地区应该根据当地配电网的发展水平、电网结构特点，从长远的发展观点，因地制宜地确定配电网中性点接地方式。 |
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