小电流接地系统选用中性点接地方式的比较分析

引言

在电力系统的核心学科中,中性点接地方式的分析一直是重点,它对电力系统和电磁环境的无害化运行有着非常重要的影响。目前,接地方式主要有四种:中性点直接接地和中性点不接地、中性点经消弧线圈接地、中性点经电阻接地。在这四种接地方式中,中性点直接接地方式是属于大电流接地方式,而其他三种接地系统,我们统称为小电流接地系统。

对于小电流接地系统,我们知道其常用于6~35kV电压等级的电网系统中。伴随着城市化速度的加快,10kV配电系统发生了巨大的改变,传统的架空线路农乡配电网正逐步被电缆为主的城市配电网所取代。在配电系统中,供电系统的可靠性在一定程度上由中性点接地质量所决定。本文主要基于河源地区的实际情况,分析河源10kV电压等级电网几种中性点接地方式的优缺点,并进行了比较。

1河源地区10kV配网系统使用中性点接地方式现状概述

如图1所示,目前河源地区10kV配网所使用的各类系统中,按照粗略统计结果不接地系统占比约29%,经消弧线圈接地系统占比约48%,经小电阻接地系统占比约7%,经消弧线圈并小电阻接地系统占比约16%。

图1 河源地区10kV配网系统使用的中性点接地方式分布

2中性点不接地方式

中性点不接地是小电流接地系统中最早的接地方式,如图2所示。

它的结构非常简单,不需要任何附件,因而其成本相对较低,十分适用于农乡架空线路10kV树形供电网络。它的优势在于,当该系统出现单相接地时,大部分三相电气设备都能正常运行,允许2h内临时运转,可靠性高。但是存在以下问题:

(1)当单相接地时,另外两条非故障相的对地电压上升到线电压,是正常相线的V3倍,对于正常相线路而言,意味着绝缘要求提高,进一步提高了绝缘制作成本。

(2)当电力系统电容电流增大时,故障接地电弧无法自动熄灭,导致故障范围扩大。

(3)在运转过程中,经过故障点的电流只是电网对地的容量电流,并且电流值很小。所以为了精确、迅速地判别故障部位进行故障检修,需要安装绝缘监测装置,以防范安全事故。

3中性点经消弧线圈接地方式

在小电流接地系统中,当3~10kV架空线路单相接地故障容性电流超过10A,或3~10kV电缆线路单相接地故障容性电流超过30A时,应在中性点与接地极之间设置消弧线圈,即通常所说的谐振接地,如图3所示。与中性点不接地系统相比,谐振接地在某些方面具有无可比拟的优势,但其运行要求更为严格。当系统发生单相接地时,通过消弧线圈来避免谐振过电压。消弧线圈接地方式特别适用于架空线路电容电流Ic>10A、瞬时性的单相接地。在电力系统中性点经消弧线圈单相接地系统发生故障时,消弧线圈的电流将转换为感应电流,可有效抑制电弧再燃的可能性,减少电弧再燃的发生,降低高幅值电弧接地过电压出现的可能性。

由于消弧线圈的补偿功能,接地故障点的剩余电流减小,消弧线圈处于过补偿状态,即接地线的零序电流方向与其他线路的零序电流方向相同,提高了正确选择故障线路的难度。

图4为加装消弧线圈后零序电流等效图。

4中性点经小电阻接地方式

随着城镇电网的发展及电缆出线的剧增,电力系统对地电容电流急剧增加,线路发生单相接地后流经故障点的容性电流增大很多,电弧不易熄灭。全国电网普遍采用的谐振接地方式,即在中性点装设消弧线圈的方式,已经难以满足当前客户对设备和人身安全性越来越高的要求。

为了解决上述问题,国网最新《配网技术导则》提出了"小电流接地系统永久性单相接地故障选线选段、就近快速隔离的新要求",参考国际先进经验,改变长期以来单相接地故障下持续运行2h的传统运行方式,提高设备及人身安全性和供电可靠性。南网2016年《小电流接地系统中性点接地方式调研分析报告》要求:选用消弧线圈接地或不接地方式时,应配置小电流接地选线装置,选线装置应延时(3~10s)投入跳闸,并考虑上下级小电流选线装置之间的跳闸时间配合。

从图5可以看出,若10kV青州线发生线路单相接地,零序电流达到零序过流Ⅱ段定值20A并持续0.3s则会向保护发告警信号:但若零序电流持续增大,当达到零序过流段I定值60A并持续0.3s时,则直接跳开10kV青州线716开关,从而切除故障线路。从站内看,切除故障线路后,阻止了故障进一步扩大,影响站内其他设备:从站外看,切除故障线路后,能有效防范线路单相接地造成的社会人员人身触电风险和危害。

以图6为例,当10kVI段母线上的线路断路器在单相接地故障后拒绝动作或时限过长时,10kV#1接地变高压侧的零序过流1时限跳10kV分段512,同时闭锁10kV分段512备自投。紧接着10kV#1接地变高压侧的零序过流2时限同时跳开#1主变低压501开关及10kV#1接地变551开关。这样整定实现了当线路断路器出现拒动的情况时,能由保护经过时限在最短时间自身识别隔离故障点,保证变低开关设备、无故障段母线的设备安全以及人身安全。

从此可以看出,与消弧线圈接地方式相比,中性点经小电阻接地方式的缺点主要有:

(1)当发生单相接地故障时,不管是永久故障,还是瞬时故障跳闸,线路跳闸次数增加,影响用户的正常供电。接地故障越频繁,供电可靠性越低。

图5 35kV合水站10kV青州线716保护定值单

图6 110kV兴隆站10kV#1接地变保护定值单

(2)当出现线路单相接地故障时,如果线路零序保护不能动作,则会越级分段及主变变低开关,扩大停电范围。

5中性点经消弧线圈并电阻接地

正常情况下,接地控制装置运行在接地补偿线圈自动调谐状态:瞬时故障情况下,接地补偿线圈快速对故障进行补偿,避免发展为永久故障:永久故障时,投入接地电阻快速切除故障,确保设备与人身安全。

图7虚框连接部分为并联电阻选线,即在消弧线圈旁通过开关并联一个电阻ZR,正常运行时电阻ZR不投入运行,消弧线圈投入运行,电阻控制开关KM在断开状态。系统发生线路单相接地故障时,若是瞬时接地,消弧线圈零延时对故障点电容电流进行补偿,使故障接地自动消除。若为永久性接地故障,电阻ZR延时1s投入,在接地点产生一个阻性分量电流,使得故障线路与非故障线路上的零序电流出现明显的差异,装置根据计算值就能准确识别出故障线路,达到正确选线的目的。

图8中,U0是接地点的零序电压,C是电网对地电容。当系统发生单相接地永久性故障时,延时1s后,控制开关1K闭合投入电阻ZR。此时,接地点将产生一个阻性分量电流,使得故障线路与非故障线路上的零序电流出现明显的差异。故障点电流矢量如图9所示。

从矢量图可以得出:

从上面对比可以得出:发生单相接地永久性故障时,采用了并联电阻的消弧线圈接地系统流过穿心CT的零序电流比没采用电阻的要大很多,突出了故障线路与其他线路的区别。由于电阻只是在有永久性接地故障时投入,所以相比传统的选线方式具备以下优点:

(1)发生瞬时接地故障时,消弧线圈能够补偿系统电容电流,保证电弧的快速熄灭:发生永久性接地故障时,并联的电阻又能使系统快速隔离故障。

(2)故障线路的零序电流变化较大,非故障线路变化小,选线正确率较高。

中性点经消弧线圈接地在发生永久性故障时准确选线存在一定的困难,难以迅速准确地切除故障。而中性点通过小电阻接地不能区分瞬时接地故障和永久性接地故障,全部启动跳闸,增加了线路跳闸次数,影响供电可靠性。采用电阻并联消弧线圈可以综合它们的优点,解决它们各自的问题,大大提高配网供电的安全性和可靠性。目前,消弧线圈并联小电阻接地控制装置已研制成功,并多次使用于实际电网中。

6分析与对比

随着城市发展,电网架构日趋完善和电缆化,中性点不接地方式的使用价值已经逐步下降,并且在实际使用中,其"短时运转2h"的优点其实伴随着对设备绝缘和人身安全的考验,增加了运维人员的运维负担,所以除非在发展较为落后、电网负荷相对较低的农乡地区,相对发达的中心城区或负荷较重的地区应逐步对现有的中性点不接地方式进行改造。

中性点经消弧线圈接地方式,作为有效应对单相接地故障的形式,在城镇配网依然使用架空线路的区段,其使用足以解决单相接地的容性故障电流对电网和设备的冲击,配置消弧选线装置,也能在一定程度上切除永久性故障,降低运维人员的任务负担。但对于纯电缆出线的线路,由于电容电流大,灭弧效果大为下降,故此种形式虽然目前还是河源地区配网主流中性点接地方式,但随着城市日益发展,线路电缆化进度加快,此种形式也只能作为电网发展的过渡形式。

中性点经小电阻接地方式作为目前河源地区配网改造的重点,其阻尼特性很好地适应了纯电缆出线出现单相接地故障时对选线精度的要求。当故障线路断路器出现拒动时,接地变高压侧零序保护能够经过时限断开相应的母联断路器和变低断路器,从而最大程度缩小故障范围,尽快隔离故障设备,保证系统的可靠和稳定运行,随着城市的发展,它应该逐渐成为10kV配网中性点接地的主要形式。

消弧线圈并电阻中性点接地方式适用范围广,既适用于以大电容电流、架空线/电缆混合线为主的城市配电网,又适用于以小电容电流、架空线为主的农乡配电网。与中性点经消弧线圈接地和中性点经小电阻接地相比,其选择性大大提高,能够迅速并且精确地判断永久性故障与瞬时性故障,降低线路跳闸次数,提高供电可靠性,降低电网设备损坏和频繁停电造成的经济损失。这种形式灵活度较高,但同时提高了设备成本,且配合形式相对复杂,在变电站10kV配网线路电缆化改造过程中,对于一个变电站的10kV出线既有架空线路又存在电缆线路的情况,这是一种适用的中性点接地方式。

7结语

综上所述,针对河源地区现状,在逐步进行电缆化改造的配网线路,应同步进行中性点经小电阻接地方式的改造,保证供电的可靠稳定和设备的安全运转,同时也减轻运维人员的运维负担,降低人身安全风险。另外,结合城市的发展趋势,对于仍以架空线路为主、仍采用中性点不接地方式的配网线路,应逐步通过消弧线圈向采用中性点接地方式转变:在条件允许的情况下,中性点经消弧线圈并联电阻接地,应一个接一个地过渡到过渡区。这也响应了国家提出的"以人为本"的呼吁,符合电网公司"精益化"的要求,同时也贯彻了河源供电局"安全第一、风险预控、知行合一、以人为本"的新安全生产方针。