10kV配电网中性点接地方式分析

潘 莹，袁加妍，魏锦萍

（1.国网上海市电力公司市南供电公司，上海 201100；2.国网上海市电力公司电力科学研究院，上海 200437）

我国10kV配电网中性点接地主要采用中性点经消弧线圈接地和经小电阻接地方式两种。通过分析比较这两种接地方式的特点，并结合上海市南供电公司的实际情况，运用Matlab软件建立了以电缆线路为主的10kV配电网系统模型，分别对中性点经小电阻接地和经消弧线圈接地方式下的单相接地故障进行模拟仿真。仿真结果表明，中性点经小电阻接地方式可以有效地抑制配电系统中的弧光接地过电压以及大部分的铁磁谐振过电压，更适应以电缆为主的10kV配电网的需求。

1 两种中性点接地方式对比

城市配电网多采用环网供电、多电源供电方式，并且以电缆出线为主的电网结构模式会造成电容电流的大幅增加。中性点经消弧线圈接地和经小电阻接地方式的对比见表1。中性点经小电阻接地方式具有以下优点。

1）由于电阻是阻尼元件，可以降低谐振过电压 消弧线圈是谐振元件，当运行方式发生改变时会造成欠补偿引发谐振过电压。

2）可以降低操作过电压 电缆线路的接地故障一般为永久性故障，不宜带故障继续运行。在发生单相接地故障时，中性点经小电阻接地方式与零序保护相配合，迅速切除故障，对故障线路不进行重合闸，不会引起操作过电压。

3）可以适应系统电容电流较大范围的变化在中性点经消弧线圈接地系统中，弧光接地过电压以及铁磁谐振过电压问题始终得不到很好地解决。通过仿真计算和理论分析对中性点经小电阻接地系统中的弧光接地过电压进行重点研究，同时对铁磁谐振过电压进行简单分析。

表1 10kV配电网中性点接地方式的比较

2 建立10kV配电网系统

国网上海市电力公司市南供电公司所辖的10kV配网区域架空线路总长为1 913.67km，电缆线路总长为6 904.41km，电缆线路占总线路长度的78.3%。由此，本文建立的10kV母线共4条出线，其中一条为架空线路，三条为电缆线路。鉴于市南地区68.0%的主变压器采用Dyn11接线形式，因此选择接线形式为Dyn11的变压器，容量选取为6.3MVA。

10kV配电网系统接线图如图1所示。图1中，10kV侧母线采用单母分段接线方式，在正常情况下各母线独自运行，每台主变各带一段母线，互为备用。该系统有1条架空线路，3条电缆线路，以电缆出线为主，架空出线为辅。

图1 10kV配电网系统接线图

10kV配电系统的正序阻抗Zs1（包括110／10kV主变阻抗、110kV系统至10kV变电站线路阻抗及主变出口处电抗器阻抗等）可以由母线的三相短路电流Is或者短路容量Ss得到：Zs1＝为系统额定电压）。对于10 kV配电系统，因回路中各元件的电抗远大于电阻，所以系统的等值正序阻抗Zs1仅以电抗表示。

《城市电力网规划设计导则》中规定：对于10kV城网，母线短路电流及短路容量限值分别为16kA和280MVA。不同短路容量Ss（短路电流Is）的10kV系统对应的等值阻抗Zs1如表2所示。

表2 不同短路容量（短路电流）下的系统等值阻抗

10kV配电系统架空线选用185.0mm2铝绞线，根数／直径为19／3.5mm；实际铝截面为182.8mm2；导线直径为17.5mm；20℃时直流电阻为0.162Ω／km；70℃、80℃、90℃时的载流量分别为366、450、518A。由此计算得到架空出线的线路参数如下：

正序：r1＝0.172 3Ω／km，x1＝0.327 6Ω／km，c1＝0.008uF／km

零序：r0＝0.322 3Ω／km，x0＝1.146 6Ω／km，c0＝0.005uF／km

电缆出线选用YJLV三芯300mm2，电压等级为6／10kV；标称截面为300mm2；计算外径为76mm2；20℃时直流电阻为0.1Ω／km；工作电容为0.47uF／km；空气环境中载流量为440A，泥土环境中载流量为420A。由此计算得到电缆出线的线路参数如下：

正序：r1＝0.105 0Ω／km，x1＝0.080 0Ω／km，c1＝0.470 0uF／km

零序：r0＝1.050 0Ω／km，x0＝0.320 0Ω／km，c0＝0.409 0uF／km

通过比较架空出线和电缆出线的线路参数可以看到，电缆单位长度的对地电容比架空线大得多。所以以电缆出线为主的城市配电网，系统对地电容电流值的大小很大程度地取决于母线上电缆出线的总长度，而架空出线的影响可以忽略。系统的对地电容电流值IC可以由系统的一相零序容抗XC0计算得到：

市南供电公司的自动调匝式消弧线圈为177台，而自动调谐式消弧线圈为26台，分接头档数22%为9档、66%为14档。电容电流变化范围较大，自动跟踪电网电容电流的变化而自动调谐对消弧线圈的动态补偿提出了更高要求。

综上所述，10kV配电网系统可以适当考虑向中性点经小电阻接地方式过渡。

3 Matlab建模仿真

为了得到变压器中性点的电压，建立了Matlab计算模型。10kV配电网系统等值电路模型如图2所示。在Matlab计算中，架空出线和电缆出线都根据具体参数，采用分布参数进行模拟。10kV配电网系统的对地电容电流为56.25A，中性点小电阻取10Ω，L1为6km架空出线，其余L2，L3，L4均为4km电缆出线。假设L2电缆出线的A相发生单相接地故障。

3.1 单相接地故障时的暂态过电压

假设电缆线路的A相发生单相接地故障，小电阻接地方式下三相电压波形、中性点电压波形及接地点电流波形分别如图3所示。

由图3可知，小电阻接地对中性点电压偏移有较好的抑制作用，可以有效地限制弧光接地过电压。单相接地故障时中性点电压幅值和电流幅值均不大，非故障相电压升高小于1.73倍相电压，接地点电流比较大，便于接地故障选线，可与继电保护配合迅速切除故障。

3.2 弧光接地过电压

3.2.1 中性点经小电阻接地方式

以电缆出线为主的10kV城市配电网，由于系统中仍旧有架空出线，当接地故障发生在架空线上时，就可能产生间歇性的弧光接地。在中性点经小电阻接地系统中，仍然可能产生弧光接地过电压，有必要对其进行进一步的研究。

首先分析在其他条件一定时，接地电弧电流大小对弧光接地过电压的影响。为此对于确定的配电网系统，在一定的范围内可改变故障点接地电阻Rf的大小，以此来模拟接地电流大小的改变。计算系统取对地电容电流为56.25A的系统，计算结果见表3，其中Uj表示健全相电压，Un表示中性点电压，均使用标幺值表示。由计算结果可以看到，对于确定的系统，其弧光接地过电压的幅值随着接地故障电流值的增大而增大，其中架空线末端健全相过电压值最大。

表3 空载系统出线首端接地，不同接地电流时一次燃弧过电压的最大值

由表3可知，接地故障电流越大，弧光接地过电压越高。在这个假设前提下，计算系统接地故障电流最大时的情况，能够得到弧光接地过电压理论上的最大值。因而，对空载系统出线首端单相接地（Rf＝0.5Ω），在小电阻范围内进行弧光接地过电压（一次燃弧）计算，计算结果见表4，表中电压均使用标幺值表示。

图2 10kV配电网系统等值电路模型

图3 中性点经小电阻（10Ω）接地方式下单相接地故障暂态过电压电流波形

表4 空载系统出线首端接地，不同中性点小电阻时一次燃弧过电压的最大值

由表4可知，在确定的系统中，健全相弧光接地过电压最大值随着中性点电阻的增大而略有增加，但增幅极小；但是随着中性点电阻增大，中性点暂态电压增加比较大。这同样说明中性点小电阻阻值不能取得太大，尽管其对系统的弧光接地过电压最大值影响不大。比较表3和表4可以发现，中性点经小电阻接地的系统，弧光接地过电压的最大值和相同接地情况下系统的暂态过电压基本相等。

采用小电阻接地方式可以大幅的限制工频熄弧过电压（见表5，表中电压均使用标幺值表示）。这是因为若接地电弧在工频过零时熄灭，健全相对地电容上的电荷不仅要对故障相对地电容进行充电，还要通过中性点的低电阻进行泄放，在下一次重燃前，电荷已经泄放完，电压值也就会相应的较低，但由于流过中性点的是电阻电流，不能补偿线路的电容电流。

表5 小电阻接地的工频熄弧仿真计算

中性点经小电阻（10Ω）接地方式下单相接地故障弧光过电压波形如图4所示。

3.2.2 中性点经消弧线圈接地方式

对于消弧线圈接地方式，只有在单相接地进入稳态后，消弧线圈才能够补偿线路的对地电容电流，熄弧后系统的储能将在三相对地电容和消弧线圈电感之间相互转换，整个系统的电压并不能降下来。因此，这种系统的过电压值比较高，但比不接地系统要低，这是因为线路对地电容和消弧线圈的电感和线路电阻构成衰减的振荡回路故障相的电压难以上升。

中性点经消弧线圈接地的工频熄弧仿真计算结果见表6，表中电压均使用标幺值表示。从表6可以看出，非故障相过电压最大值为2.87pu。

图4 中性点经小电阻（10Ω）接地方式下单相接地故障弧光过电压波形

表6 中性点经消弧线圈接地的工频熄弧仿真计算结果

中性点经消弧线圈（0.952 8H）接地方式下单相接地故障弧光过电压波形如图5所示。

图5 中性点经消弧线圈（0.952 8H）接地方式下单相接地故障弧光过电压波形

3.2.3 两种接地方式比较

由图4和图5可知，消弧线圈接地方式的过电压水平较低。因为对地电容、消弧线圈以及线路的电阻构成了一个衰减振荡回路，消除了一大部分容性电流，在一定程度上限制了过电压的上升。采用小电阻接地方式可以大幅地限制工频熄弧过电压，减少了对系统绝缘程度的要求，提高了系统运行的可靠性和电气设备的寿命。

在中性点经小电阻接地的配电网中，由于中性点小电阻的存在，接地电弧熄弧后，零序残余电荷将通过中性点小电阻提供的回路进行泄漏，从而在发生下一次的燃弧时，过电压的幅值能够得到很大衰减，即使发生多次重燃，弧光接地过电压也不会严重升高（与第一次燃弧情况接近），从而很好地抑制了弧光接地过电压幅值。中性点经小电阻接地系统仍有可能存在弧光接地过电压，但由于小电阻能有效地释放残余电荷，不会因电弧的多次重燃而产生高幅值的弧光接地过电压，其值与相同条件下单相接地故障时的暂态过电压大致相等。

4 结语

中性点经消弧线圈接地和小电阻接地方式各有优缺点，但综合考虑以电缆出线为主的10kV配电网，可以优先考虑中性点经小电阻接地方式。通过Matlab仿真计算表明，在配电网发生单相接地故障时，中性点经小电阻接地方式相对于中性点经消弧线圈接地方式而言，可以有效地限制弧光接地过电压，保证了10kV配电网运行的安全可靠性。

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