中性点灵活接地技术在桐乡电网20 kV改造中的应用

曾振源

（国网桐乡供电公司,浙江 桐乡 314500）

0 引言

按技术原理、使用场合的差异，配电网中性点接地方式一般可划分为3类[1-2]，如图1所示。浙江桐乡自2010年起全域开展20 kV改造工作。为尽量利用原有10 kV设备国网桐乡市供电公司尝试对10 kV设备的升压改造（即进行局部加强后直接运行20 kV电压）。很明显，升压改造设备与真正的20 kV设备必然存在差距[3]。为保证配电网运行安全，在20 kV改造伊始，国网桐乡市供电公司规定20 kV电网的中性点接地方式统一采用经小电阻接地。而由图1可知，小电阻接地方式对单相接地故障非常敏感。据统计，2012年—2013年期间，桐乡电网20 kV线路累计跳闸430条次，其中因单相接地引发的占78.9%。虽然馈线保护配置有重合闸功能，大多数单相接地引发的跳闸是能够重合成功的，但桐乡地区有许多变频用户，即使只是短暂失电，也会给用户带来生产上的较大损失。因此，变革20 kV配网中性点接地方式显得尤为迫切。

1 灵活接地技术的原理

1.1 国内外研究现状

20 kV电压等级最早应用于欧洲（以逐步推进的方式达成普及），所采用的设备无升压改造类型，因此其20 kV配网中性点接地方式非经小电阻接地[4]。

就国内来说，20 kV电压试点工作其实开展也有10来年，主要情形是两种[5-6]。

a）20 kV网络全部是电缆形式（如深圳），则其配网中性点接地方式为经小电阻接地。

b）20 kV网络为电缆—架空混合形式（如苏州工业园），但入网设备均为20 kV新设备，具有较高耐压水平，则其配网中性点接地方式为经消弧线圈接地。

目前，国内外应用尚没有可解决桐乡20 kV线路高跳闸率的应对措施。然而，10 kV层面已有关于灵活接地的相关研究，就是以消弧线圈并接小电阻进行接地，但小电阻是否投入需满足一定条件（主要是单相接地故障的持续时间长短），目的是极大程度过滤瞬时接地引起的线路跳闸。显然，这种技术比较契合当前桐乡20 kV电网面临困境的解决。

1.2 原理及架构

根据10 kV层面灵活接地技术的相关思路，结合安全、可靠之期盼，设计以下可用于20 kV层面的灵活接地技术框架。

a）当配网处于正常态势，接地系统应为单一的经消弧线圈接地。

b）当配网出现单相接地异常，消弧线圈首先进行自动补偿。

c）过了设定时间，若异常依然存在，则投入小电阻，即将故障处理由消弧线圈模式转为小电阻接地模式。

图2所示为实现原理和运行流程。

图2用于20 kV配网的中性点灵活接地系统技术原理和运行流程

消弧线圈是始终挂网运行的，其不会对正常态配网产生影响；单相接地发生伊始（“t1”时段），由于配网中性点经消弧线圈接地，因此非故障相电压将抬升至正常值的倍，但只要将“t1”设置合理，就不会有长时间过电压危险（指对那些经由10 kV升压改造的设备）；过了“t1”时段，若接地点电弧依然存在，则判定线路发生的是永久性接地故障（瞬时故障时可通过消弧线圈的自动输出予以消除），因此触发时序逻辑来投入小电阻（消弧线圈被近似短路）；“t2”时段用来保证小电阻接地方式下馈线保护能完成跳闸、重合、重合后加速等一系列动作，目的是实现对接地故障的正确处置；过了“t2”时段，因配网回归正常（理论上原有故障已被隔离或消除），则退出小电阻，继续保持单一的经消弧线圈接地方式，依次循环。

2 灵活接地技术在桐乡20 kV电网改造

2.1 双重化配置和后备保护

鉴于桐乡20 kV推广的特点之一是经由“升压改造”，为100%保证绝缘安全，小电阻能否按照设定作可靠投入以及投入失败后的应急补救成了本次应用研究的关键所在[7]。

图3所示为确保小电阻能可靠投、切而作的双重化配置设计。在系统一次上，小电阻投、切通道有2个，即断路器和接触器，它们的时序逻辑一般无二（同时执行分/合操作）。在系统二次上，断路器控制回路与接触器控制回路是相互独立的，彼此互不干扰。

图3 投退小电阻回路的双重化配置示意图

由于采用双重化设计小电阻投退的成功率已经非常高了，但是，还应考虑最严重情形——2个通道都发生故障。此时，因大量“升压改造”设备不能长时间承受倍过电压（小电阻不投入相当于系统以消弧线圈接地方式运行），将形成大范围的绝缘损坏事件。为规避这种极端情况发生，还应考虑后备保护——当20 kV母线零序电压3U0（U0是单相零序电压）越过设定值一段时间，且投切小电阻双通道的相关接点均没有动作，则经由主变压器非电气量保护来跳开主变压器各侧开关来强行消除接地故障。

2.2 控制电路设计

中性点灵活接地应用技术控制电路设计研究的控制电路主要分为3部分。

2.2.1 断路器支路

该支路的控制依托消弧线圈集成控制器(RCS9705C)和外部继电器的“合作”：前者负责断路器“投入/切除”逻辑的输出，后者负责执行。相关回路如图 4所示，图 4中“DZ”、“SJ”、“ZJ”、“DY”等表示的是相关继电器的线圈或辅助节点。

图4 断路器支路的控制电路

断路器“合”的逻辑设置：中性点零序电压（并联于消弧线圈侧压变采样）→触发消弧线圈控制器内相关集成回路→触发外部中间继电器1DZ→促使断路器机构动作。

断路器“分”的逻辑设置：消弧线圈控制器内计时回路→触发外部中间继电器2DZ→促使断路器机构动作。

2.2.2 接触器支路

接触器支路的控制依托继电器搭接，如图5所示。

接触器“合”的逻辑设置：20 kV母线零序电压 (为保险起见，由两组电压继电器并联提供)→触发外部中间继电器3DZ→触发外部时间继电器SJ1→触发外部中间继电器3ZJ→促使接触器机构动作。

接触器“分”的逻辑设置：接触器机构位置(合)→触发外部时间继电器SJ2(延时动作)→触发外部中间继电器3ZJ失电→促使接触器机构分。

2.2.3 远后备部分

图5 接触器支路的控制电路

远后备动作关系到主变压器失电，必须严格校核。按照“2.1”小节思路，结合前面相关控制回路设计，设定以下“与”逻辑条件：中性点零序电压达到动作值，20 kV母线零序电压达到动作值，中性点无零序电流。以上3条件均满足与小电阻未投入是对应的，因此，可基于此触发远后备计时回路。当计时至指定值后，若中性点零压仍处动作区间，则切主变压器各侧开关，否则应返回。以上叙述辅之以图6说明。

图6小电阻投入失败的远后备补救

2.3 定值设定

要使灵活接地装置在桐乡20 kV配网发挥效益，除科学设计外，还应确定各环节定值。参照文献 [8-10]，结合规范和桐乡电网实际运行工况，制定定值体系如图7所示。

3 应用于20 kV配网的中性点灵活接地系统的效果实证

桐乡20 kV电网于2015年3月开始吸纳灵活接地技术，到2016年初实现对2个变电站的技术改造。表1所示为技改成效。

图7 桐乡20 kV配电网中性点灵活接地系统相关定值整定及要求说明

表1吸纳灵活接地技术前后的跳闸情况统计

2014年，以2个变电所为电源的馈线已经全部实现20 kV运行，变电所内主变压器20 kV侧中性点接地方式为经小电阻接地。由统计可知，因单相接地导致的线路跳闸率超过了80%，佐证了单一经小电阻接地方式的缺憾 (针对当前桐乡20 kV网络构成分析)。2015年，线路规模与2014年持平，由于变电所内技术改造致使外部20 kV馈线多次停运，所以总的单相接地次数有了下降 (割接停电期间不受单相接地影响)，但因单相接地引发的馈线跳闸占比仍徘徊在80%左右。2016年，尽管供电范围有所扩大 (新增或延长了馈线)、总的单相接地次数有所增加，但因灵活接地技术的运用，大量瞬时性单相接地故障被过滤，因单相接地引发的线路跳闸率下降至8.3%，可谓成效显著。

4 结论

灵活接地技术既发扬了小电阻接地方式所特有的隔离故障快、准确性高的优势，又能精准补偿配电网中突发的瞬时性接地异常，对于大幅降低20 kV线路跳闸率作用明显。随着该项技术在桐乡地区的推广，将大大促进20 kV电压序列优化工作的进展。