220 kV三亚东10 kV小电阻接地变容量的选择

张晓东，周利柱，何 顺，张希蔚，朱明伟(.海南电力设计研究院，海南 海口 5700；.中南大学，湖南 长沙 400)



220 kV三亚东10 kV小电阻接地变容量的选择

张晓东1，周利柱1，何 顺1，张希蔚2，朱明伟1
(1.海南电力设计研究院，海南 海口 571100；2.中南大学，湖南 长沙 410012)

摘要：本文以海南电网220 kV三亚东变电站10kV纯电缆构成的配电系统为例，对采用小电阻接地方式的有关技术问题进行了理论阐述，并按照规程规：对人身安全、供电可靠性，故障时舜态电压、瞬态电流对电气设备以及对通信的影响和继电保护技术有关要求进行了校验、分析和计算,因采用小电阻接地方式对配电变压器保护引起的问题提出了具体的解决方法。

关键词：跨步电压；接触电压；暂态过电压；通信线路危险影响；配电系统。

关键词：跨步电压；接触电压；暂态过电压；通信线路危险影响；配电系统。

1　概述

220kV三亚东变电站位于海南省三亚市城区，根据电网规划，10 kV系统采用电缆出线30回，电缆截面3×300 mm2，一般的纯电缆线路无论是不接地或经消弧线圈接地都不能带单相接地故障运行，这两种接地方式产生的过高的接地弧光过电压会击穿电缆薄弱绝缘；同时也不能进行重合闸操作，永久性故障的重合闸会引起事故扩大，为了限制弧光接地过电压。6 ～35 kV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大于150 A时，为了降低单相故障时健全相的弧光过电压，可采用低电阻接地方式。

2　三亚东的电容电流

10 kV出线30回，根据要求A类负荷区两110 kV变电站之间距离6 km左右，考虑10 kV电源相互备自投，深入对侧300 m，电缆长度每回3.3 km，电缆截面3×300 mm2，查厂家资料6/10 kV该截面电容0.4706 μF/km，则每公里电容电流为：

单相故障电流：

接地故障：

总接地故障电流：

220kV三亚东变电站10 kV侧采用小电阻接地系统。

3　问题分析

3.1人身安全

3.1.1满足接触电压短路电流的最大值计算

式中：Ut为接触电位差允许值(V)；t为零序电流保护动作时间(s)；ρf为人脚站内处地表面的土壤电阻率(Ω·m)。

接地网最大接触电势，即网孔中心对接地网接地体的最大电势按下式计算：

式中：Kj为接触系数；Ejm为最大接触电势(V)。

式中：Ew为接地装置的电位(V)；I为计算入地短路电流(A)；R为接地装置的接地电阻(Ω)。

于是，Ejm≤Uj，KjEw≤Uj，KjIR≤Uj，

当接地体的埋深h=0.6～0.8 m时，Kj可按式(7)计算。

式中：Kd，KL，Kn，Ks为与接触电网相关系数，对于尺寸在30×30 m2～500×500 m2的

接地网，其计算公式为：

式中：D为均压带等效直径(m)；L1，L2分别为接地网的长度与宽度(m)；N为均压带计算根数；S为接地网总面积(m2)；L为接地体总长度(m)；L0为接地往外缘边线总长度(m)。

计算得：Kj=KdKLKnKs=0.183

当R=0.5Ω，ρ=150(Ω·m)时，

容许电流远远大于实际短路电流500 A，满足设计要求。

3.1.2满足跨步电压短路电流的最大值计算

式中：UKY为跨步电压允许值；t为零序电流保护动作时间(s)；ρf为人脚站内处地表面的土壤电阻率(Ω·m)。

发生接地短路时，接地往外的地表的最大跨步电势为：

式中：KK为跨步系数；EKm为最大跨步电势。

于是，

按下式进行计算：

容许电流远远大于实际短路电流500 A，满足设计要求。

3.2暂态电压

当中性点经小电阻接地后非故障相的工频电压升高。中性点经电阻接地，且忽略线路的和，则正、负和零序阻抗分别为，和，即零序阻抗为纯电阻。根据图1的等值回路，

图1　中性点经电阻接地的等值电路

可以求出单相接地电流：

也可以写成：

图2　电压三角形图

延长向量至F点，使得：

中性点经过小电阻接地系统可以降低单相接地工频过电压而且能快速切除故障线路，这对于有积累效应的电缆线路运行有利，也为无间隙氧化锌避雷器的安全运行创造了有利条件。

单相故障电流的幅值大小与中性点接地电阻的大小成反比，单相故障时健全相的电弧过电压与接地电阻的大小成正比，中性点经小电阻接地系统，在发生接地故障时，间歇性弧光接地过电压应不大于2.5p.u.。

3.3瞬态电流

小接地电阻电流的确定选取对于35 kV、20 kV、10 kV电压等级的非有效接地系统，当单相接地故障电流达到150A以上的水平时，宜改为低电阻接地系统。对于35 kV、20 kV、10 kV电压等级的中性点经低压电阻接地系统，在发生单相接地故障时，20 kV、10 kV接地电流宜控制在150 A～500 A范围内，35 kV接地电流为1000 A，应考虑跳闸停运，并注意与重合闸的配合。

根据运行经验和分析证明，当接地故障电流在150～600 A时，接地电弧能够稳定燃烧有利于继电保护的动作。过高的故障电流会灼伤周围电缆。一般取比较合适。

根据南网企业标准《110 kV及以下的配电网装备技术导则》，接地故障电流一般取电容电流的，电容电流最大值257.4 A，按2倍考虑，取500 A。

3.4对电信线路危险影响计算

取平行接近距离0.25 m电流A，可能的最长平行接近长度3300 m，极端情况大地导电率最小值时互感系数最大，σ =1×10- 3S/m。

电信电缆线路上磁感应纵电动势计算式为：

式中：ES为电信线路上磁感应纵电动势(V)；ω为输电线路电流的角频率(rad/s)，ω =2πf，f=50 Hz，Ipi为输电线路第i段接近段长度(km)；Isi为输电线路一相或两相接地在不同地点同时接地的短路电流(A)；k50为50 Hz时接近段内各种接地导体的电磁综合屏蔽系数；Mi为50 Hz时输电线路与电信线路间第i段的互感系数。

互感系数计算过程如下：

当时，值可由下式近似计算，

式中，

式中：μ0为真空磁导率，μ0=4π×10- 7H/m；ω为影响电流角频率(rad/s)；S为50 Hz大地电导率(S/m)；a为送电线路与通信线路的平行接近距离或等值接近距离(m)。

代入实际数据后，得到：

根据《四部协议》第44条，由于双方均为电缆：

由规程要求，须有E≤650 V，求得最大短路电流最大值为575 A，即短路电流小于575 A，平行接近0.25 m，平行敷设距离长度小于3300 m则满足电磁干扰。设计实际取值500 A小于575 A满足设计要求。

4　变压器容量选择

4.1中性点低阻接地方式

中性点低阻接地方式时，接地电阻和消耗功率选择如下：

电阻额定电压

电阻值：

接地电阻消耗功率：

式中：RN为中心点接地电阻值(Ω)；UN系统线电压(V)；Id选定单相短路电流(500 A)。

4.2接地变容量选择

10 kV接地变压器中性点通过短路电流500 A，持续额定容量

求接地变压器的短时容量。根据表1，接地变短时容量式中：10.5为过载倍数。

根据IEEE - C62.92.3标准做出的过载系数的规定，换算变压器的短时容量和持续额定容量，见表1。

表1　换算系数

如果站用变容量与接地变容量均较小，可以考虑接地变兼站用变，容量为变压器的短时容量+站用变之和，假设变电站站用负荷SN≥303 kVA，则

型号选择：DKSC - 600/315kVA -35/0.4GY型三相变压器。

5　可靠性

中线点经小阻接地有较好的灵敏性，对小电阻接地环网电缆供电线路单相接地故障电流要远正常运行电容电流，以及运行时的负荷电流，表2各种截面电缆在运行情况下的最大长期容许电流，一般运行电流要比表2值小很多。450A电流满足小电阻接地系统为获得快速选择性继电保护所需足够电流。

表2　各种截面电缆在运行情况下的最大长期容许电流

6　其他说明

(1)小电阻接地适合电缆线路网络，降低弧光接地过电压。

(2)小电阻接地系统适用在配电网络完善地区，负荷双电源供电电源互为备用的；因为10～35 kV电缆发单相接地基本上是永久故障，不能带故障运行，不能重合闸。而小电阻接地系统零序瞬时动作跳闸不带故障运行，对设备保护有利。

(3)消弧线圈接地与小电阻接地的电缆选型的区别。

电力电缆绝缘水平选择电缆的额定电压应根据电缆导体与电缆屏蔽层或金属护套之间的额定工频电压(U0)、任何两相线之间的额定工频电压U、任何两相之间的最高运行电压Um进行选择：

小电阻接地系统皆为电缆线路U0/U：10 kV系统6 kV/10 kV，35 kV系统选择21 kV/35 kV；

不接地或经消弧线圈接地或架空线与电缆混合线路U0/U∶10kV系统选择8.7 kV/10 kV，35 kV系统选择26 kV/35 kV。

(4)对配电还有引起TN - C - S的问题。

一般配网的标准设计，配电变压器防雷接地保护是针对消弧线圈或不接地系统的。采用小电阻接地系统后，应将10 kV侧的保护接地(即所有电气设备外壳接地)和低压侧的系统接地(即低压中性点的接地装置)分开，这两个接地系统电气距离要保持大于10 m。。低压侧可以从配电盘的N线母排用绝缘电缆引出接地线另设接地装置，也可以从低压架空出线电杆上引下接地线，接地线不能太长，尽量减少接地线上的Ldi/dt的残压。

小电阻接地系统接地电阻一般符合下式。

式中：R为考虑季节变化的最大接地电阻(Ω)；I为计算时经接地装置的入地短路电流(A)。

独立设置的低压配电系统电源接地装置接地电阻不应大于4Ω。

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Selection of Low Resistance Grounding Transformer Capacity of 220 kV Substation Sanyadong

ZHANG Xiao-dong1, ZHOU Li-zhu1, HE Shun1, ZHANG Xi-wei2, ZHU Ming-wei1,
(1. Hainan Electric Power Design And Research Institute, Haikou 571100, China; 2. Central South University, Changsha 410012, China)

Abstract:In this paper, correlated issues in low resistance grounding mode are investigated with the example of all cable 10kV distribution network of Sanyadong 220kV Substation in Hainan power grid. Regarding to related standards(4): Check, analysis and calculation have been done in earch field of personal safety, reliability of power supply, the effect in electrical devices and communication caused by fault transient voltage(FTV) and fault transient current (FTC), relaying protection. The specific solutions of distribution transformer protection in low resistance grounding mode are proposed in this paper.

Key words:step voltage; touch voltage; transient overvoltage; communication line risk; power distribution system.

中图分类号：TM862

文献标志码：B

文章编号：1671-9913(2016)01-0055-05

* 收稿日期：2015-05-06

作者简介：张晓东(1967- )，男，湖南沅陵人，硕士，注册电气工程师，从事线路设计工作。