35kV城网中性点经消弧线圈并联电阻接地方式下弧光接地过电压研究

乔占俊

(华北科技学院 机电工程学院，北京 东燕郊 101601)

0 引言

随着我国城市化建设步伐的加快，配电系统不断更新升级，35kV城市配电网被越来越多地采用，逐渐形成以电缆与架空导线混合的城网结构[1-2]。配网电缆线路数量的增多，使得在发生弧光接地故障时，系统对地电容电流大幅增大，电弧难以自行熄灭，进而在故障相、健全相以及中性点上产生严重的弧光接地过电压或谐振过电压[3-4]。

中性点经消弧线圈并联电阻接地在故障选线的研究中被较多地采用[5-6]，但其对抑制弧光接地过电压的研究却不够深入。本文对35 kV城市配电系统中性点经消弧线圈并联电阻接地方式下，弧光接地过电压的产生机理进行了暂态数值分析，利用ATP软件对某35KV城市配电系统各种中性点接地方式下的暂态过电压进行了仿真比较，对中性点经消弧线圈并联电阻接地方式中过补偿脱谐度、并联电阻值的进行了确定。理论分析及仿真结果表明，过补偿脱谐度相对较小、并联电阻值相对较低的中性点经消弧线圈并联电阻是35kV城市配电系统较为理想的接地方式，可有效抑制弧光接地暂态过电压。

1 消弧线圈并联电阻接地系统的暂态数值分析

图1为某配电网中性点经消弧线圈并联电阻接地示意图，图中，XL为消弧线圈，用于补偿系统电容电流；R0为消弧线圈并联电阻，用于过电压抑制等；Rd为零序等值电阻，包括弧光接地点的过渡电阻和线路的零序电阻，弧光接地故障发生在线路1的C相“K”点。

图1 中性点经消弧线圈并联电阻接地示意图

图2 中性点经消弧线圈并联电阻接地等值电路

图2为忽略消弧线圈损耗和电网对地绝缘电阻的该配电网的等值电路，图中a、b两点表示电弧间隙，开关K表示熄弧和燃弧的状态量，当K断开时，表示电弧熄灭；当K闭合时，表示电弧燃烧，此时流过K的电流为接地残流，b点的电位就是补偿电网中性点零序电位u0(t)。

设发生弧光接地故障时，即当开关K闭合时，消弧线圈零序电流为iL，以u0(t)为研究变量，由等值电路可列出状态方程组：

(1)

解方程组可得出电网中性点零序电压

(2)

(3)

如果开关K断开，即熄弧时，a点的电压有

ua(t)=Umej(ωt+φ)

而b点电压的变化规律是一个振荡衰减过程，有

ub(t)=-Ume-δt·ej(ω0t+φ)

则a、b两点间的电压，即故障相(C相)恢复电压有

uh(t)=Um[ej(ωt+φ)-e-δt·ej(ω0t+φ)]

化简后有

uh(t)=Umcos(ωt+φ)-Ume-δtcos(ω0t+φ)

(4)

则式(4)可写为

(5)

当系统运行在欠补偿即脱谐度ν>0,或者过补偿即脱谐度ν<0状态时，由于式(4)中前后两相的频率不同，恢复电压必然呈拍频性质，该拍振的角频率为ω-ω0。脱谐度过大会造成故障相电压恢复的振荡过电压，而相对较小的脱谐度有利于故障相电压的缓慢上升，且系统较少发生谐振现象，因此，中性点经消弧线圈并联电阻接地系统脱谐度应保持在过补偿10%范围内运行[7]。

中性点经消弧线圈并联电阻接地的配电网，由于并联电阻的损耗作用，使得系统的阻尼率增大，中性点电位衰减加快，故障相恢复到相电压的上升速度比中性点不接地和仅有消弧线圈接地时都缓慢，从而有利于熄弧。另外，在脱谐度为定值时，并联电阻过大，使阻尼率偏小，易在电压恢复后期产生过电压；并联电阻过小，则阻尼率过大，电压恢复速度太快，易产生较大的接地残流，不利于熄弧。通常，并联电阻阻值的选取，应根据配电网的特点和性能要求综合考虑。

2 35 kV城市配电网弧光接地过电压的仿真

间歇性弧光接地过电压可以用高频熄弧理论和工频熄弧理论来解释[8-9]。不过，工频熄弧理论分析所得过电压值更接近工程实测值，因此，本文应用工频熄弧理论，运用ATP(Alternative Transient Program)电磁暂态程序，结合河北廊坊某110/35 kV城市配电网尝试搭建35KV配电系统ATP仿真模型，进行间歇性弧光接地过电压的仿真及比较分析。

2.1 35 kV城市配网系统模型及间歇性弧光接地故障仿真

图3为河北廊坊某110/35 kV城市配电系统,该系统35kV母线侧有5条架空出线，线路L1、L2、L4、L3、L5长度分别为18 km、21 km、25 km、23 km、26 km。线路仿真模型采用Z-T模型，正序电阻0.17 Ω/km，正序感抗1.21 mH/km，正序容抗0.00969 μF/km，零序电阻0.23 Ω/km，零序感抗5.478 mH/km，零序容抗0.00689 μF/km；110/35 kV主变压器T1型号为SFPSZ9-240000/110，接线方式为Y0/Δ0。经测算，该配电系统最大电容电流取14.08 A，考虑到系统扩容等问题，采取过补偿，消弧线圈并联电阻经接地变压器T2与电网相连。线路负荷大小对单相接地故障的零序回路影响较小，因此仿真模型中各出线负荷阻抗统一采用Z=(400+j20)Ω。

图4 中性点经消弧线圈接地和经消弧线圈并联电阻接地方式下中性点的恢复电压变化曲线

图3 某110/35 kV城市配电系统图

利用电磁暂态仿真软件ATP对上述模型进行仿真。仿真时，利用时控开关K来模拟电弧的燃烧与熄灭。按最严重的过电压发生机理考虑，弧光接地故障发生在C相电压峰值时刻。仿真中，每次燃弧时间间隔半个工频周期(即10 ms)，时控开关K的控制顺序是：

第一次“燃弧-熄弧”：0.02215 s开关K闭合，0.03215 s开关K断开；

第二次“燃弧-熄弧”：0.04215 s开关K闭合，0.05215 s开关K断开；

第三次“燃弧-熄弧”：0.06215 s开关K闭合，0.07215 s开关K断开，接地故障消失。

2.2 中性点接地方式的选择

结合该35 kV城市配电系统，将中性点接地方式分为不接地、经小电阻接地、经中值电阻接地、经消弧线圈接地、经消弧线圈串联电阻接地、经消弧线圈并联电阻接地六种情况进行比较分析。假设间歇性弧光接地故障发生在线路L5距离变压器12 km处的C相。仿真中，间歇性弧光接地故障发生时按理想状况取燃弧的弧道电阻为4 Ω，小电阻值取为5 Ω，中值电阻值取为50 Ω，串联电阻取为5 Ω，并联电阻亦取为5 Ω，过补偿脱谐度取0.06，对应消弧线圈电感值取为4.767 H，其他参数值相同。

表1 35 kV配电网中性点不同接地方式下的间歇性弧光接地过电压

对六种中性点不同接地方式下的配网模型进行ATP仿真，观察仿真后故障相电压、健全相电压、中性点恢复电压的变化曲线图可以知,中性点不接地系统在发生弧光接地后,不但有较高的过电压产生,而且故障后A、B、C相电压均产生了长期、较严重的偏移，这会严重影响电力设备绝缘性能。再比较剩余五种35 kV配电网中性点接地系统在发生间歇性弧光接地后,A、B健全相、故障相C相以及中性点恢复电压的过电压(见表1)，可以看出，五种接地方式下A、B健全相、故障相C相的过电压相差并不大，但经消弧线圈接地和经消弧线圈并联电阻接地方式下中性点的恢复电压最小。综合比较后认为，中性点经消弧线圈接地和经消弧线圈并联电阻接地方式是相对较优的接地方式。

再比较中性点经消弧线圈接地和经消弧线圈并联电阻接地两种方式下中性点的恢复电压及其衰减过程，如图4所示。可以看出，经消弧线圈并联电阻接地方式下中性点的恢复电压衰减速度远高于经消弧线圈接地方式，在第三次燃弧熄灭后的第五个周期后就已经衰减到10%以内，这主要是由于并联电阻快速泄放对地电容的零序电荷所致。至此，可以初步确定，对该35KV城市配电系统，中性点经消弧线圈并联电阻是较理想的接地方式。这种接地方式下，在发生三次间歇性燃弧的情况下，故障相C相、健全相A、B相以及中性点的电压变化情况如图5所示。

图5 35 kV城市配电系统中性点经消弧线圈并联电阻接地方式下的间歇性弧光接地过电压变化曲线

2.3 过补偿脱谐度的选择

在并联电阻分别取值为5欧姆和50欧姆的情况下，选取脱谐度为0.04与0.08两种过补偿度进行间歇性弧光接地的ATP仿真，仿真后的A、B健全相电压、故障相C相电压以及中性点恢复电压见表2。

表2 四种不同情况下的弧光接地情况下相电压最大值和中性点恢复电压最大值过电压

由表2可以看出，在并联电阻阻值相同而过补偿脱谐度不同的情况下，尽管A、B健全相、故障相C相的过电压相差不大，但中性点的恢复电压相差较为明显，在过补偿脱谐度较低的0.04情况下发生单相弧光接地故障时的前几个周波，中性点恢复电压上升时间延长、上升速度缓慢，而且上升幅值相对较低，如图6所示。因此，中性点经消弧线圈并联电阻接地方式下，过补偿脱谐度较低的0.04是相对较优的选择，且系统较少发生谐振现象。

2.4 消弧线圈并联电阻值的选择

在选择较小过补偿脱谐度的条件下，35 kV城市配电系统中性点经消弧线圈并联电阻接地方式中，尽管A、B健全相、故障相C相的过电压相差不大，但中性点恢复电压的变化却相差较为明显。这主要体现在消弧线圈并联较大阻值的电阻时，发生三次燃弧后的过电压较大，而且其衰减速度相对较慢，如图7所示。经比较，在相同过补偿脱谐度的条件下，阻值相对较低的5欧姆并联电阻是较优选择。

因此，结合35 kV城市配电系统的特点和性能要求，以过补偿脱谐度相对较小的消弧线圈补偿电容电流，以阻值相对较低的电阻增加系统阻尼率的中性点经消弧线圈并联电阻接地方式是最优的选择。

3 结论

经暂态理论分析及ATP仿真，结果表明，中性点经消弧线圈并联电阻接地是适用于电缆与架空导线混合的35 kV城市配电系统的一种较为理想的接地方式。在这种接地方式中，须选取过补偿脱谐度相对较小的消弧线圈以有效补偿电容电流，促使电弧熄灭、限制电弧重燃、提高单相接地故障自恢复概率；同时，须结合配电系统的特点和性能要求，选取阻值相对较低的并联电阻以快速泄放对地电容的零序电荷，提高健全相、故障相及中性点的过电压衰减速度，减小熄弧后中性点恢复电压的上升速度和幅值，从而起到有效抑制暂态过电压的作用。

图6 过补偿脱谐度为0.04与0.08的中性点的恢复电压变化曲线

图7 过补偿脱谐度为0.04，并联电阻为5欧姆与50欧姆两种情况下的中性点的恢复电压变化曲线

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