农村配电网采用小电阻接地的探讨

喻琢舟

(韶关市擎能设计有限公司，广东 韶关 512026)

农村中压配电网(本文专指10 kV配电网)以架空线为主，电容电流较小，考虑到供电可靠性及设备条件等原因，目前基本采用中性点不接地或经消弧线圈接地方式，并具备多年的运行经验。但此类接地方式本质上存在单相接地时其他两相仍带电运行、故障选线不准确等问题，由于缺相运行导致人身及设备安全事故时有发生。随着农村配网建设的投入加大，部分地区中压线路都实现了环网运行及具备了重合闸的功能，供电可靠性大为提升，在此前提下将中性点改为经小电阻接地能提高电网运行的安全性，及时发现故障。因此，探讨改变接地方式后农村配电网的相关问题是有必要的。

1 农村配电网中性点接地现状

农村中压配电网的特征一是以架空线为主，部分地区导线绝缘化率不高；二是中压线路供电半径长，另外偏远地区还有大量的分支线路，部分线路总长度甚至超过100 km；三是负荷密度低，变电站出线较少，一回线路及分支线就能供电一大片区域；四是由于线路长，环境复杂，引发接地故障的可能性较大。

由于采用架空导线，农村中压配网的电容电流普遍偏小，一般35 kV变电站10 kV出线较少，10 kV侧电容电流在10 A以内，而110 kV变电站10 kV出线相对较多，电容电流在20 A以内。因此，目前农网中35 kV变电站10 kV侧中性点一般采用不接地方式，110 kV变电站10 kV侧采用中性点经消弧线圈接地方式，消弧线圈容量400 kVA～800 kVA不等。

对于中性点不接地和经消弧线圈接地的小电流接地系统故障选线装置，目前通用的单相接地选线方法基本上通过接地故障发生时的故障特征来判断哪条线路发生了故障，这些故障的特征一部分是稳态信号，一部分是暂态信号，一般而言稳态故障特征指的就是零序电流、零序电压以及相位等，暂态特征指的是高次谐波等。但由于故障电流小，甚至不足10 A，另外故障点及接地电阻等因素都可能影响故障零序电流的变化，因此故障特征不明显，也导致了故障选线不准的问题。部分地区农网的故障选线装置甚至对运行起不到正确的参考作用。

根据相关规定，10 kV配电网可在单相接地方式下运行2 h，如果不能及时发现并切除故障相，有可能造成故障相电弧持续燃烧产生过电压及烧断导线等设备事故，而严重的可能造成触电人身伤亡事故，而且此类事故在农网地区时有发生。

2 中性点经小电阻接地系统在农网的推广

中性点经小电阻接地系统原理是利用小电阻的阻尼和耗能作用，在线路接地故障时电弧过零熄灭后，零序残压通过电阻提供的通路泄放掉，使得下一次燃弧时的过电压幅值与从正常情况发生单相接地故障时基本相同。而不接地或经消弧线圈接地系统由于多次燃弧、熄弧而使得过电压幅值升高。

中性点经小电阻接地系统在城市配网中已运行相当成熟，主要优点有以下几项：(1)可降低工频过电压，非故障相相电压不升高或升幅较小；(2)能有效限制间歇性弧光过电压在2.5 p.u.以下；(3)对谐振过电压有很强抑制作用，能消除大部分断线谐振过电压；(4)系统动作灵敏，承受过电压水平低、时间短，可降低设备绝缘水平；(5)利用大接地故障电流可准确判断并及时切除故障线路，防止事故扩大，避免人身伤亡事故。其主要缺点是跳闸率高，特别是对单一电源供电的用户影响很大，易造成供电中断，另外对于高阻接地故障也可能保护不动作等，以上缺点影响了其在农网的推广。

随着近年来国家对农村配网的投入不断增大，部分农网地区大范围内实现了10 kV环网供电，可通过重合闸等排除瞬时故障，线路零序CT等设备完善，基本具备了应用中性点经小电阻接地但确保供电可靠性不明显降低的条件，可以充分发挥中性点经小电阻接地系统的优点，因此在部分地区农网得以开始逐步推广。

3 中性点经小电阻接地系统的理论计算

10 kV中性点经小电阻接地系统的等效电路主要由主变、母线、馈线、接地变、小电阻等组成，其系统接线图见图1，主变等效阻抗为XK，接地变等效阻抗为Xg，线路电容为Cφ，一共有F1至Fn条10 kV馈线。

图1 中性点经小电阻接地系统接线示意图

图2 正序和负序等效电路图

图3 零序等效电路图

在某一条10 kV馈线A相发生单相接地故障的情况下，根据电路等效换算及简化，其各序等效电路图分别见图2、图3。其中Ri、Xi分别为故障线路的各序电阻和电抗，Rg0、Xg0为接地变的零序阻抗，Cφ为系统对地电容。

从等效电路图可计算各序综合阻抗：

其中：

农村配电网系统电容电流一般不超过20 A，则计算系统电容Cφ为909Ω，根据目前某电网公司统一采购的设备参数，中性点小电阻RN大于10Ω，由于线路正序阻抗不大，每千米阻抗小于0.5Ω，一般认为系统单相故障时零序阻抗大于40倍正序阻抗以上，因此如果线路A相故障，其中性点短路电流计算可以简化为以下公式：

式中：Eφ为相电压，

某农村110 kV变电站及接入的中压配网主要配置参数如下：

主变压器一台，容量SN=40 MVA，变比为110/10.5 kV，Uk=10.5%，10 kV侧短路容量为180 MVA；接地变一台，容量Sg=420 kVA，Ugk=4%；线路每千米正序阻抗为(0.12+j0.38)Ω，零序阻抗按(0.27+j1.33)Ω考虑，线路总长30 km；故障点接地电阻为10 Ω；系统接地电容电流为20 A。按目前中性点小电阻阻值为10 Ω、16 Ω两种型号进行计算，计算结果见表1。

表1 接地短路电流计算结果

4 仿真实例

4.1 主要仿真内容

由于农村配网中性点接地方式普遍采用不接地及中性点经消弧线圈接地方式，应用中性点经小电阻接地方式缺乏经验。仿真主要论证对10 Ω、16 Ω两种阻值的小电阻选型及在断线的极端情况下相关参数情况。本实例采用MATLAB/Simulink软件平台进行仿真。配电网主要参数参照上节。

4.2 中性点短路电流仿真

假设10 kV线路在0.2 s时A相发生单相低阻接地短路故障，流经中性点小电阻的短路电流分别图4、图5，图4为中性点接入10 Ω小电阻的情况，图5为中性点接入16 Ω小电阻的情况。根据仿真结果，采用两种小电阻主要差别在短路电流的幅值大小，但中性点电流均超过200 A。

当发生高阻接地时，接地电阻按200 Ω考虑，流经中性点小电阻的短路电流分别图6、图7，中性点电流下降到30 A左右。

图4 流经中性点电流(10Ω)

图5 流经中性点电流(16Ω)

图6 高阻接地中性点电流(10Ω)

图7 高阻接地中性点电流(16Ω)

4.3 断线情况仿真

在部分农网区域，由于线路长，运行维护较困难，存在断线未被发现的情况，且断线点的后段线路发生接地故障，存在较大的安全隐患。

假定线路在A相断线的情况下，A相导线断点后段又发生接地故障情况，无论中性点采用何种阻值的小电阻，流经中性点的电流都很小，只有1 A左右，仿真结果见图8。而断线的负荷侧导线仍存在约800 V的感应电压，0.8 s断线发生接地后电压降到很低，详见图9。

4.4 结果分析

根据比较，仿真结果与理论计算结果基本一致。在发生单相金属性接地及低阻接地时，流经中性点电流超过200 A，有利于保护整定。当发生高阻接地故障时，流经中性点电流减小到30 A左右，接近系统的电容电流，保护整定将难以保证动作的灵敏性。

在导线断线的情况下，发生导线断点后段发生单相接地故障，由于接电源侧的零序网络回路基本断开，而且由于农网大部分时间负荷轻，负荷电流较小，流经中性点的电流很小，无法直接判断是否发生故障。断点后段的导线在未接地的情况下，由于线路仍通过台变与健全相线路耦合，仍有800 V左右的感应电压，如不及时发现并切除，存在重大安全隐患。

图8 断线情况下中性点电流

图9 断线电压

5 结语

本文根据农村配电网运行的特点，通过理论计算及模拟仿真的方法，初步探讨了中性点经小电阻接地系统在农村中压配电网中推广应用的基本问题。根据理论计算及仿真结果分析，可以初步得出以下结论：

(1)农村中压配电网采用中性点经小电阻接地系统，发生单相短路故障时，流经中性点电流较大，能较快发现并切除故障线路，防止接地线路长时间运行，有利于运行安全；

(2)无论采用10 Ω或者16 Ω的小电阻，在发生高阻接地时，流经中性点电流均较小，而且幅值差异不大，都可能存在较难满足保护整定灵敏性要求的情况；

(3)在满足保护整定灵敏性要求的前提下尽量采用较大电阻，以保护系统的绝缘，在短路电流水平变化接近的前提下，采用16 Ω的中性点小电阻符合现状运行要求；

(4)发生单相断线并接地的极端情况下，仅依赖中性点电流的大小较难判断故障情况，仍需要借助其它手段进行监测。

相对于城市配电网，农网具有线路长、负荷轻、电容电流小、导线易受外界破坏影响等特点，将在城市配电网中应用较为成熟的中性点经小电阻接地系统推广至农网，可能会遇到一些特殊的问题，需要进行探讨解决。

考虑到农村配电网的实际运行情况，本文就系统单相接地、高阻接地、断线等情况进行了初步分析，对小电阻的阻值选择进行了比较。对于包括保护整定、故障选线以及复杂故障等问题需要作进一步的研究和探讨。