配电系统中性点接地方式的分析

戴克铭
苏州供电局，江苏省苏州市215004 1　前言
　　文献［1］中规定：“3kV～10kV钢筋混凝土或金属杆塔的架空线路当单相接地故障电容电流超过10A，3kV～10kV电缆线路当单相接地故障电容电流超过30A，又需在接地故障条件下运行时，应采用消弧线圈接地方式”。该标准还规定：“6kV～35kV主要由电缆线路构成的送、配电系统，单相接地故障电容电流较大时，可采用低电阻接地方式，但应考虑供电可靠性要求，故障时瞬态电压、瞬态电流对电气设备的影响、对通信的影响和继电保护技术要求以及本地的运行经验等。”
　　单相接地故障电容电流较大时，一般采用中性点经消弧线圈接地或经电阻接地。在我国城市配电系统中，全电缆出线变电站的单相接地故障电容电流超过30A时采用中性点经电阻接地；全架空线路出线变电站的单相接地故障电容电流超过10A时采用中性点经消弧线圈接地，一般是没有争议的。但是，对电缆与架空线混合线路的单相接地故障电流超过10A时，采用何种方式接地一直存在着2种意见——采用中性点经消弧线圈接地和采用中性点经电阻接地。
　　目前，苏州市新区220kV狮山变电站10kVⅠ段和Ⅱ段母线单相接地故障电容电流分别为41A和63A，装设了2台72．9A的消弧线圈。1999年11月1日实测电容电流时发现10kVⅡ段消弧线圈电流为72．9A时，中性点电位升高，不得不使Ⅱ段消弧线圈处于欠补偿状态运行，但当发生单相接地时单相接地故障电容电流仍较大。110kV何山变电站10kVⅠ段母线单相接地故障电容电流为45A，10kVⅡ段、Ⅲ段母线（为2号变压器所供）单相接地故障电容电流为31A（均不包括用户电缆的电容电流），都没有消弧线圈。如果运行方式改变，由1号主变带Ⅰ段、Ⅱ段母线或任何一台主变带所有10kV线路时单相接地故障电容电流都大大超过文献［1］中规定的电流值（10A）。
2　分析
　　确定配电系统中性点的接地方式，应从供电可靠性、内过电压、对通信线的干扰、继电保护以及确保人身安全诸方面综合考虑。
2．1　供电可靠性
　　单相接地故障可分为永久性故障和非永久性故障，若在电缆与架空线混合线路电缆上发生永久性故障，一般是电缆本体或终端、中间接头击穿；若发生在架空线上，一般为绝缘子碎裂、绝缘导线断线或外物碰及裸导线等。对于永久性接地故障，都应停电排除故障后恢复供电。在中性点经消弧线圈接地时可短时（不超过2 h）带故障运行，但是小接地电流系统中确定单相接地线路的“自动选线装置”在消弧线圈补偿后往往不准，只能试拉线路确定故障线路，试拉时实际上已对很多用户（往往是数条线路上的用户）短时停电。确定某条线路为接地故障后仍旧要停电，只是可在停电前转移负荷或通知用户，但也仅局限于重要用户。在发生单相接地时，另外两相电压升高，可能会发生其他电缆的另一相接地故障。1999年10月7日，狮山变的乐园线C相接地（系用户启动电抗器对地放电），引起商城线B相永久性接地，经查为电缆B相对地击穿。万一线路上单相接地引起过电压致使变电站母线故障，将扩大停电范围（上海、北京都发生过类似事故）。发生非永久性单相接地故障，只会在架空线路的裸导线处，一般是雷击时绝缘子对地闪络或刮风时树枝碰线；在中性点经电阻接地时，线路将跳闸。但是狮山变和何山变的10 kV出线分别为66．6 km和41 km，其中电缆分别为41．4 km和31．2 km，架空线为25．2 km（绝缘导线22．4 km，裸导线2．8 km）和9．8 km（绝缘导线8．3 km，裸导线1．5km），裸导线线路只占4．25％和3．67％，发生非永久性单相接地故障的概率是很低的。据现有资料统计，自1998年1月1日以来狮山变和何山变的出线没有发生过裸导线非永久性单相接地故障。
　　现在城市配网系统已逐步形成手拉手、环网供电网络，一些重要用户由两路或多路电源供电，对用户的供电可靠性不再是依靠允许系统带着单相接地故障维持2 h来保障，而是靠加强电网结构、调度控制和配网自动化来保证。
2．2　内过电压
　　中性点经电阻接地可降低单相接地工频过电压，而且能迅速切除故障线路，工频电压升高持续时间很短，这对于有累积效应的电缆绝缘有利，也为氧化锌避雷器的安全运行创造了良好条件。
　　弧光接地过电压影响范围大、持续时间长，对设备绝缘有较大的威胁。在中性点不接地或经消弧线圈接地系统中，弧光点燃和熄灭过程中会产生严重的弧光接地过电压。武高所与广州供电局在区庄变的模拟试验显示，弧光接地过电压最大可达最高工作相电压峰值的4．76倍；中性点经电阻接地后，电弧点燃和熄灭过程中积聚的多余电荷可通过电阻泄漏入地，中性点电位很快衰减，所以重燃产生的过电压幅值明显降低，区庄变在接地电阻为10Ω时弧光接地过电压只有最高工作相电压峰值的1．52～1．89倍。
　　在中性点不接地系统中，由于电磁式电压互感器（配电系统中都采用此种互感器）的励磁电感和线路的对地电容形成非线性谐振回络，在特定情况下引起分频、工频或高频铁磁谐振过电压。在PT中性点串电阻、PT二次开口三角绕组接入消谐器等的效果并不显著，仍经常发生PT熔丝熔断、PT过热烧毁等。在中性点经电阻接地后谐振无法产生，所以这是消除铁磁揩振过电压最有效的措施。
　　断线谐振过电压也是电力系统中较为常见的。配网中性点不接地系统发生断线时，配电变压器的铁芯电感与线路对地电容组成的串联回路在特定条件下会发生谐振，产生过电压。1999年8月14日，狮山变的佳合线由于925开关前引线接地发生谐振，故障录波器上查得母线U_b＝129．9 V。北京供电局曾在方庄变10 kV系统做过断线谐振过电压的试验，接地于负荷侧，过电压为3．8 pu，中性点经电阻接地谐振自行消除；接地于电源侧时，出线开关零序保护动作，可见中性点经电阻接地可防止断线谐振过电压。
2．3　对通信线的干扰
　　配电网接地故障电流以及正常运行时的零序电流，都会对通信线产生影响，具体表现为对通信线的杂音干扰和电磁危险影响。
　　配电线路对通信线的杂音干扰与两线路间的距离有关，苏州市新区通信线路均为电缆，这些通信电缆有静电屏蔽层，线芯又以不同的节距扭绞成对，抗干扰能力较强，按规定可不必考虑中性点经电阻接地时配电线路对通信线路的杂音干扰。
　　按苏州市规划局的要求，电力电缆与路灯电缆、自来水管道在马路的一侧，通信电缆与煤气管道在马路的另一侧。据广州供电局实测估算，电力电缆与通信电缆在马路两侧敷设时，当零序电流为1 kA、平行1 km，其电磁感应约30 V，按我国原四部协议规定，感应电压一般规定不超过430 V，故允许平行长度可达14．3 km，因而在苏州市新区是不会有问题的。
2．4　继电保护
　　中性点不接地或经消弧线圈接地的配电系统，发生单相接地时继电保护装置只发预告音响，靠试拉线路确定故障线路，在发生2条线路同相2处接地时极易产生错觉，使调度和运行人员很难确定故障线路。
　　对中性点经电阻接地的系统，当发生单相接地时能迅速切除故障。在中性点不接地或经消弧线圈接地改为经电阻接地时，应加装零序电流互感器并增加零序保护。狮山变和何山变的10 kV出线均为电缆，加装零序电流互感器有可能，零序保护一般为两阶段式——零序电流速断保护和零序电流过流保护。为了保证继电保护的选择性，零序电流速断保护动作电流应躲过被保护线路的单相接地电容电流。对于非金属性单相接地，为使各种类型的非金属性接地都能可靠动作，零序电流过流保护定值不宜太大。10 kV母线零序电流保护，只能用三相电流互感器的零序过滤器或零序差动保护。为了保证继电保护的选择性，在高压供电的用户侧也应增加零序电流保护。
2．5　确保人身安全
　　无论配电系统是中性点不接地或经消弧线圈接地还是中性点经电阻接地，如果工作人员误登带电杆塔或在工作中误碰带电导体，即使时间很短也可能造成人员触电伤亡事故。配电系统的架空线一般分布较广，高度也不高，时有发生外物误碰高压线以及高压线断线情况，中性点经电阻接地可以立即跳闸，避免发生高压触电事故，如广州市在10 kV改为中性点经电阻接地后，1990年1月20日区庄变下塘支线12－1～13号C相导线因制造不良断线接地，断线点是行人稠密的大马路，由于零序保护动作及时切除了电源，避免了发生行人触电事故。1991年3月19日一建筑工人将水管碰及三元里变10 kV线路，线路跳闸重合后又跳闸，该人仅感麻电，未发生伤害。同样在广州市10 kV中性点不接地系统，1987年9月4日也曾发生过建筑工人将水管碰及中山医院三院附近的10 kV线路，由于未能及时脱离电源，因而发生死5人伤1人的重大触电伤亡事故。
电缆发生单相接地故障时引起电位升高的危险程度不会很大，这是因为电缆外皮具有分流作用，入地电流只占很小部分。上海、广州、北京、深圳、珠海等地采用中性点经电阻接地的大部分是电缆和架空线混合线路，每年发生多次单相接地故障，但由此发生接触电压或跨步电压而引起的人身安全事故未见报道。快速切除故障是避免发生人身安全事故的重要措施，上海、广州等地地下水位高，土壤电阻率低亦是不产生危险高电压的有利因素。但是，对中性点经电阻接地系统，还应采取一些必要的技术措施，以减小其威胁：对电杆的拉线上部串接绝缘子或在地面2 m处以下加装护套；对安装在电杆上的接地引下线等裸露金属部分在地面2 m处以下加装护套；在倒闸操作时，操作人员戴绝缘手套和穿绝缘靴，以避免接触电压和跨步电压的威胁。
　　但是，中性点经电阻接地系统在配电变压器内部或配电所发生10 kV单相接地故障时，接地电流通过接地装置产生故障电压。若配电变压器低压侧的中性点与配变外壳、配电柜的柜架共同使用一个总的接地体时，该故障电压会沿着PNE线或PE线传到采用保护接零的用户，低压用电设备外壳可能产生接触电压危及人身安全。公用配变供电的居民用户家用电器若均采用外壳接地保护时，当发生上述故障时是不会产生接触电压的。文［2］增加了电阻接地系统接地电阻的规定：向建筑物电气装置供电的配电变压器在该建筑物外，向低压系统供电的配电变压器的高压侧工作于低电阻接地系统情况下，低压系统不得与电源配电变压器的保护接地共用接地装置，低压系统电源点的接地点应在距该配电变压器的适当地点设置专用接地装置，其接地电阻不宜超过4Ω；供电的配电变压器安装在建筑物内，配电变压器高压侧工作于低电阻接地系统时，当该变压器的保护接地接地装置电阻符合R≤2 000／I的要求，且建筑物内采用（含建筑物钢筋）总等电位联结时，低压系统电源接地点可与该变压器保护接地共用接地装置。
3　结论
　　狮山变和何山变10 kV出线中电缆分别占到62．18％和76．13％，裸导线只占4．25％和3．67％，加上狮山变和何山变的10 kV配网自动化已起步，中性点经消弧线圈改为经电阻接地，对供电可靠性影响大；而且内过电压水平低，可降低单相接地工频过电压并大大缩短其持续时间、抑制弧光接地过电压、消除PT铁磁谐振过电压、可防止大部分的断线谐振过电压，减少绝缘老化、延长设备使用寿命，提高网络和设备可靠性；中性点经电阻接地对通信线的干扰不大；在人身安全方面没有大的问题。纵观上海、北京、广州、深圳、珠海等大、中城市配网系统的发展历史，也都由中性点经消弧线圈接地改成中性点经电阻接地，苏州工业园区20 kV全电缆配电系统采用中性点经电阻接地已有3年历史，积累了一定的经验。因此，狮山变和何山变的10 kV系统采用中性点经电阻接地是适宜的，特别是何山变的10 kV单相接地故障电容电流已超过规程要求又没有消弧线圈，可直接采用中性点经电阻接地。对苏州市新区的有关高压用户及新上的高压用户，要求继电保护增加零序保护，接地装置按文献［2］中的有关规定布置，尽可能采用两路电源供电。

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