10kV配電系統(tǒng)中性點接地方式選取的有效性分析

摘要針對10kV配電系統(tǒng)小電流接地方式和故障選線裝置的選取，文章對國內(nèi)中性點接地方式和選線裝置基本原理、優(yōu)缺點以及應(yīng)用情況進(jìn)行了梳理總結(jié)，并對不同接地方式下不同選線原理裝置進(jìn)行了RTDS仿真和現(xiàn)場試驗測試，測試結(jié)果表明：不接地方式下，暫態(tài)法選線裝置選線準(zhǔn)確率較高；消弧線圈接地方式下，暫態(tài)法和穩(wěn)態(tài)法選線準(zhǔn)確率均較低，無法滿足選線要求。0引言近年來配電網(wǎng)斷線特別是架空絕緣導(dǎo)線斷線接地造成的人身傷亡事故頻繁發(fā)生，究其原因是由于架空線路斷線故障發(fā)生后，故障線路不能及時切除，故障點不能及時脫離電源所至，這與配電網(wǎng)中性點接地方式和故障選線方式密切相關(guān)。目前，南方某供電區(qū)域10kV配電網(wǎng)普遍采用中性點非有效接地方式，具體包括：中性點不接地系統(tǒng)、中性點經(jīng)消弧線圈接地、中性點經(jīng)電阻接地系統(tǒng)。中性點不接地方式是中性點非有效接地的一種，實際上可以視為經(jīng)容抗接地。該電容是由電網(wǎng)中的電纜、架空線路、電機、變壓器等所有電氣設(shè)備的對地電容所組成的。當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，流經(jīng)故障點的穩(wěn)態(tài)電流是單相對地電容電流。中性點不接地系統(tǒng)不設(shè)零序保護，按規(guī)定可帶故障運行2h。這種接地方式的缺點是一旦電容電流大到一定值即不適用，還有一旦發(fā)生電網(wǎng)單相斷線接地會對人身構(gòu)成安全威脅。中性點經(jīng)自動跟蹤消弧線圈接地方式的主要優(yōu)勢在于能實時對配電網(wǎng)的運行方式進(jìn)行跟蹤，測量電容電流，調(diào)整消弧線圈的補償電流，把補償后的故障殘流控制在熄弧臨界值以下，以利于瞬時性接地故障的快速可靠熄弧，有效限制鐵磁諧振過電壓，降低配電網(wǎng)雷擊建弧率，使大多瞬時性故障恢復(fù)，使供電可靠性得到提高，顯示了較大的優(yōu)越性。但中性點經(jīng)消弧線圈接地方式目前也暴露出一些問題，例如無法消除永久性故障、降低故障選線準(zhǔn)確率、消弧線圈容量瓶頸等

問題。配電網(wǎng)中性點小電阻接地方式主要應(yīng)用于以電纜為主的配電網(wǎng)，這種接地方式是在電網(wǎng)的中性點接入一個阻值在10～20Ω的電阻，把配電網(wǎng)由非有效接地系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行Ы拥叵到y(tǒng)，各饋線配零序保護，在發(fā)生單相接地時，啟動零序保護把故障線路切除。采用小電阻接地方式時，可有效抑制鐵磁諧振過電壓和弧光接地過電壓，同時在單相接地故障時可快速切除故障線路，不存在消弧線圈接地方式的選線難題。目前，小電阻接地方式主要應(yīng)用在以電纜為主的區(qū)域，如廣州、深圳等大型城市，但當(dāng)應(yīng)用在以架空線為主的供電區(qū)域時，會存在零序保護死區(qū)的問題。1故障選線方法現(xiàn)狀在南方某區(qū)域電網(wǎng)中，與接地方式配合使用的故障選線方法主要有穩(wěn)態(tài)法和暫態(tài)法。其中，穩(wěn)態(tài)分量法主要采用零序電流比幅法、零序電流比相法、群體比幅比相法以及有功分量法等；暫態(tài)分量法主要采用特征頻段法、首半波原理、小波分析法等。1）零序電流比幅法。中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，流過故障回路的零序電流在數(shù)值上等于所有非故障線路對地電容電流之和，即故障線路上的零序電流最大，所以該方法通過零序電流幅值大小比較選出故障線路。但這種方法會受線路長短、系統(tǒng)運行方式及過渡電阻大小的影響，且當(dāng)系統(tǒng)中存在某條線路的電容電流大于其他線路電容電流之和時，會導(dǎo)致選線

錯誤。2）零序電流比相法。中性點不接地系統(tǒng)中故障線路與非故障線路的零序電流分別從線路流向母線和從母線流向線路，因此只要比較零序電流方向就可找出故障線路。但該方法在零序電壓電流較小時，相位判斷困難。且受TA不平衡電流、過渡電阻大小及系統(tǒng)運行方式的影響，易誤判，并對中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中失效。3）群體比幅比相法。其原理是先進(jìn)行零序電流幅值比較，選出幾個幅值較大的作為候選，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行相位比較，選出方向與其他不同的，即為故障線路。該方法在一定程度上解決了前兩種方法存在的問題，但同樣不能排除TA不平衡電流及過渡電阻大小的影響。4）有功分量法。對于中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，消弧線圈不能補償零序電流有功分量，基于以上前提條件，有功分量法的基本原理是：提取各條線路的零序有功分量，非故障線路的零序有功分量方向由母線流向線路，大小等于線路本身的有功損耗電流值；故障線路的零序有功分量方向由線路流向母線，大小等于非故障線路的零序有功分量和消弧線圈的零序有功分量之和。利用零序有功分量的相對大小和相位關(guān)系就可以確定故障線路。5）利用特征頻段的方法進(jìn)行選線。利用特征頻帶的方法選線，即在各條出線零序阻抗均呈容性的頻帶內(nèi)分別提取出各條線路的暫態(tài)零序特征（幅值和方向）來實現(xiàn)選線的方法。6）首半波選線原理。利用故障線路暫態(tài)零序電流和電壓首半波的幅值和方向與正常情況不同的特點，可實現(xiàn)選線。但該方法在首半波電流暫態(tài)分量較小時，容易引起誤判。7）利用小波理論分析暫態(tài)法選線原理。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，故障電壓和電流的暫態(tài)過程持續(xù)時間短并含有豐富的特征量。把一個信號分解成不同尺度和位置的小波之和，利用合適的小波和小波基對暫態(tài)零序電流的特征分量進(jìn)行小波變換后，易看出故障線路分析上暫態(tài)零序電流特征分量的幅值包絡(luò)線高于非故障線路的，且其特征分量的相位也與非故障線路相反，這樣就能構(gòu)造出利用暫態(tài)信號的選線判據(jù)。2接地方式現(xiàn)狀2.1相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀目前針對配電系統(tǒng)中性點接地方式的選取，主要依據(jù)新版國標(biāo)GB/T50064—2014《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設(shè)計規(guī)范》的要求執(zhí)行，而之前主要參考的是DL/T620《交流電氣裝置的過電壓保護與絕緣配合》。新舊版標(biāo)準(zhǔn)存在的區(qū)別主要有：1）新版要求“容性電流10A以下，可采用不接地方式”；老版則為“架空線路容性電流10A以下，電纜線路30A以下，應(yīng)采用不接地方式”。2）新版要求“架空線路構(gòu)成的系統(tǒng)，當(dāng)超過10A又需在接地故障條件下運行時，應(yīng)采用諧振接地方式。電纜線路構(gòu)成的系統(tǒng)，當(dāng)超過10A又需在接地故障條件下運行時，宜采用中性點諧振接地方式”；老版則為“架空線路容性電流10A以上，電纜線路30A以上，又需在接地故障條件下運行時，應(yīng)采用消弧線圈接地

方式”。2.2國外接地方式現(xiàn)狀國外電力系統(tǒng)的接地方式主要以德國、美國兩國為代表，詳見表1。德國是世界上最早使用消弧線圈接地方式的國家，并沿用至今；而美國則主要采用小電阻接地和直接接地方式。表1?各國配電系統(tǒng)中性點接地方式國家接地方式德國、俄羅斯多采用消弧線圈接地方式，但在城市電網(wǎng)開始推廣小電阻接地美國多數(shù)采用中性點直接接地或小電阻接地，在22~70kV電網(wǎng)中，直接接地方式占70%以上英國60kV電網(wǎng)中性點采用小電阻接地方式；33kV及以下架空線路中性點逐漸由直接接地改為消弧線圈接地；電纜組成的配電網(wǎng)采用小電阻接地日本（東京）66kV配電網(wǎng)采用小電阻接地或消弧線圈接地；6.6kV電網(wǎng)采用不接地2.3國內(nèi)接地方式現(xiàn)狀目前，對于中性點接地的方式選取，各地區(qū)根據(jù)自身電網(wǎng)實際情況均有所差異。北京配電系統(tǒng)的特點（以電纜為主），實際選用時基本選用小電阻接地方式。江蘇電網(wǎng)10、35kV

系統(tǒng)中性點接地方式則3種皆有。上海電網(wǎng)明確中性點接地方式選用技術(shù)原則為變電站10kV系統(tǒng)單段供電母線接地容性電流超過100A時宜采用小電阻接地方式，接地容性電流在10～100A之間應(yīng)采用消弧線圈自動補償或小電阻接地方式，而接地容性電流小于10A時可采用不接地系統(tǒng)。目前，國內(nèi)其他省市地區(qū)尚未正式頒布關(guān)于配電系統(tǒng)中性點選取的要求，但部分地區(qū)已開展相關(guān)測試及驗證工作。如：山東電網(wǎng)2016年對各類原理、各個制造廠家生產(chǎn)的選線裝置進(jìn)行了測試。最終確定了以消弧線圈并聯(lián)中電阻+暫態(tài)法選線裝置為主體的消弧線圈配置方案，以提高單相故障時故障選線的準(zhǔn)確性。福建、河南等地目前正在擬開展仿真及實驗室檢測，并以此為依據(jù)開展接地方式及選線裝置的改造工作。經(jīng)統(tǒng)計，南方某供電區(qū)域10kV配電系統(tǒng)中性點接地方式共5種，其中：不接地方式占比最高為49.5%；消弧線圈及小電阻接地方式占比分別為27.5%及22.3%；此外，還有少量經(jīng)故障相接地及消弧+小電阻方式。從該區(qū)域分布來看，西部欠發(fā)達(dá)地區(qū)主要采用不接地方式，而沿海大城市則以小電阻接地方式為主，其他區(qū)域則主要以消弧線圈接地方式為主，地域分布差異明顯。3選線方式現(xiàn)狀仍以南方該供電區(qū)域為例，裝有穩(wěn)態(tài)法選線裝置的變電站比例為42%，裝有暫態(tài)法選線裝置的變電站比例為15%，而還有43%左右的變電站未裝有選線裝置。其中，對于不接地系統(tǒng)，安裝穩(wěn)態(tài)法和暫態(tài)法選線裝置的變電站比例均為22%；對于消弧線圈系統(tǒng)，裝有穩(wěn)態(tài)法和暫態(tài)法選線裝置的變電站比例為78%和4%。因此，從上述分布比例來看，該區(qū)域仍有43%左右的變電站未裝有選線裝置，上述未配置選線跳閘裝置的接地系統(tǒng)在配電線路發(fā)生接地故障時無法及時切除故障，存在一定的人身安全風(fēng)險。另外，雖然大部分變電站安裝了故障選線裝置，但各供電局在日常管理中很少將選線裝置單獨進(jìn)行運維，造成裝置的選線正確率無法準(zhǔn)確統(tǒng)計，從而對防治電網(wǎng)人身安全無法提供有效的數(shù)據(jù)支撐。此外，該區(qū)域裝設(shè)有選線裝置的變電站均未投入跳閘功能，仍然存在人身安全

風(fēng)險。通過前文總結(jié)，可知目前該供電局區(qū)域10kV系統(tǒng)接地方式存在以下4個較為突出的特點和問題：①中性點接地方式區(qū)域差異大；②新舊版標(biāo)準(zhǔn)要求差異；③小電流選線裝置原理較多，選線準(zhǔn)確率無法評估；④裝置無法實現(xiàn)準(zhǔn)確跳閘，存在人身安全風(fēng)險。為此，本文選取了典型廠家的小電流選線裝置，分別開展不同接地方式下RTDS仿真和現(xiàn)場測試試驗，以測量各選線原理裝置的選線準(zhǔn)確率，為該區(qū)域電網(wǎng)不同接地方式下選線裝置的選取提供參考。4試驗測試情況分析4.1?仿真測試情況為了指導(dǎo)接地裝置和選線裝置的選用，本文開展了接地裝置和選線裝置的原理測試工作。通過RTDS仿真實驗平臺針對國內(nèi)主流的小電流接地選線原理，利用RTDS軟件搭建半實物仿真平臺，全面測試裝置的選線準(zhǔn)確率。本次測試共對7個廠家的5種選線原理進(jìn)行了測試，見表2。表2?測試廠家選線原理廠家序號選線原理A暫態(tài)頻帶法B暫態(tài)頻帶法C暫態(tài)極性優(yōu)選法D暫態(tài)法E穩(wěn)態(tài)阻性分量法F穩(wěn)態(tài)五次諧波法G穩(wěn)態(tài)比幅比相法本文中小電流接地系統(tǒng)的仿真平臺是一個10kV配電網(wǎng)，具有10條饋線（包括架空線、電纜以及混合線路）。4.1.1中性點不接地系統(tǒng)對于中性點不接地系統(tǒng)，根據(jù)規(guī)程要求，僅在系統(tǒng)電容電流小于10A時才允許使用，即對應(yīng)的電纜化率將很小。在中性點不接地系統(tǒng)下，測試結(jié)果見圖1。

圖1中性點不接地系統(tǒng)下永久性和瞬時性選線結(jié)果從圖1可知：中性點不接地系統(tǒng)無論發(fā)生永久性故障還是瞬時性故障，暫態(tài)法準(zhǔn)確率均高于穩(wěn)態(tài)法。永久性故障時，暫態(tài)法選線準(zhǔn)確率大于90%，平均準(zhǔn)確率能達(dá)到94.8%，而穩(wěn)態(tài)法選線平均準(zhǔn)確率為75.7%。瞬時性故障時，暫態(tài)法選線準(zhǔn)確率有所降低，準(zhǔn)確率在79.2%~92.7%之間，平均準(zhǔn)確率為88.5%，而穩(wěn)態(tài)法無法對瞬時性故障進(jìn)行選線，其選線準(zhǔn)確率僅在4.2%~9.4%之間。4.1.2中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)仿真測試結(jié)果表明：消弧線圈接地方式下發(fā)生永久性接地故障時，暫態(tài)法選線裝置在過渡電阻≤1000Ω時準(zhǔn)確率為80%，過渡電阻>1000Ω時準(zhǔn)確率為14%。詳見圖2和圖3。圖2消弧接地仿真測試結(jié)果（過渡電阻≤1000Ω）圖3消弧接地仿真測試結(jié)果（過渡電阻＞1000Ω）4.2現(xiàn)場試驗現(xiàn)場試驗中，利用國網(wǎng)漯河智能配電網(wǎng)優(yōu)化控制機運行技術(shù)聯(lián)合實驗室的試驗條件，驗證了中性點不接地系統(tǒng)、消弧線圈接地系統(tǒng)接地狀況下，不同接地裝置對于各類型故障的處理效果，并且對于不同原理選線裝置的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗證。4.2.1?中性點不接地系統(tǒng)對于中性點不接地系統(tǒng)，現(xiàn)場測試表明，暫態(tài)法選線裝置測試結(jié)果整體準(zhǔn)確率能達(dá)到90%。如圖4和圖5所示，可看出過渡電阻≤1000Ω時暫態(tài)法準(zhǔn)確率能達(dá)到100%，過渡電阻>1000Ω時準(zhǔn)確率能達(dá)到85%。而穩(wěn)態(tài)法選線準(zhǔn)確率均較低。

圖4中性點不接地現(xiàn)場測試結(jié)果（過渡電阻≤1000Ω）圖5中性點不接地現(xiàn)場測試結(jié)果（過渡電阻＞1000Ω）4.2.2中性點經(jīng)消弧線圈接地現(xiàn)場測試表明：消弧線圈接地方式下，過渡電阻≤1000Ω時暫態(tài)法選線裝置整體準(zhǔn)確率為83%，見圖6。由于受現(xiàn)場測試條件所限，過渡電阻>1000Ω的試驗無法測試。圖6消弧接地現(xiàn)場測試結(jié)果（過渡電阻≤1000Ω）4.2.3新技術(shù)應(yīng)用情況針對如何有效減少配電系統(tǒng)接地故障引起人身傷亡事件，同時降低對供電可靠性的影響問題。目前國內(nèi)已有廠家及研究機構(gòu)研制出“靈活”或“智能”接地裝置，并在現(xiàn)場得到一定的應(yīng)用，原理結(jié)構(gòu)見圖7。新型接地裝置在提高高阻接地故障判斷準(zhǔn)確率方面有一定的改善。圖7配電網(wǎng)單相接地故障智能處理裝置原理結(jié)構(gòu)圖該裝置通過判別接地故障相，轉(zhuǎn)移故障點的接地電流，鉗制故障點的電位使其電壓近似為零，之后，再結(jié)合選線技術(shù)，選出故障線路，進(jìn)而切除故障線，達(dá)到消除故障點對人身的安全隱患的目的。針對該裝置，本文也在國網(wǎng)河南漯河試驗基地進(jìn)行了測試，測試結(jié)果見圖8。從測試結(jié)果來看，該裝置平均選線準(zhǔn)確率可達(dá)到92%，甚至高于傳統(tǒng)暫態(tài)法和穩(wěn)態(tài)法選線裝置準(zhǔn)確率。圖8單相接地故障智能處理裝置測試結(jié)果

5?結(jié)語從本文測試結(jié)果來看，中性點不接地系統(tǒng)下，暫態(tài)法選線準(zhǔn)確率普遍能達(dá)到85%以上，某些廠家甚至能達(dá)到90%以上，而穩(wěn)態(tài)法選線準(zhǔn)確率則