适合于城市电网中性点接地方式的选择

薛宏波, 唐颖杰, 吴芳芳, 何成春, 王喜梅

(国网西宁供电公司, 青海 西宁 810003)



适合于城市电网中性点接地方式的选择

薛宏波, 唐颖杰, 吴芳芳, 何成春, 王喜梅

(国网西宁供电公司, 青海 西宁 810003)

中性点接地是一个涉及城市电网各个方面的综合性问题,不同的接地方式对电网的运行、安全及可靠性产生不同的影响.城市电网在不同的发展阶段需要对接地方式进行重新评估和优化.通过国内外各种不同接地方式的比较分析,选取西宁城市电网作为研究对象,提出了一种适合于城市电网中性点接地方式的选择方法.

中性点接地方式; 不接地; 消弧线圈接地; 经阻抗接地; 直接接地

在正常电网的运行中,中性点接地并不是一个特别重要的问题,但若发生接地故障,就会变得很重要.根据统计,80%的电网故障都是由接地故障引起的,在某些地区和电网中存在几十年都保持不变的接地方式.由于负荷的增长和电网结构的变化,这种保持不变的接地方式已经不是最优的方案了.

一般来说,接地方式的选择主要取决于电网的规模和结构、电缆和架空线的分布,以及供电可靠性的要求等.随着我国经济的快速发展,很多城市都出现了诸如电网快速扩张、电缆线路的大量使用及因接地故障导致供电可靠性水平下降等共性现象.

本文通过分析比较国内外中性点接地方式,选取西宁城市电网作为研究对象,使用PSS®SINCAL软件对其进行仿真研究,从而为中性点接地方式提供选择方法和参考依据.

1 国内外中性点接地方式

电网中性点接线方式主要根据本国和本地区的运行经验、历史沿袭和发展阶段来选择和确定.由于各个国家的地理位置、人口数量、政治情况、历史发展及电网结构不尽相同,所以其中性点接地方式也各不相同.对于城市电网来说,主要的中性点接地方式有不接地、直接接地、消弧线圈(谐振)接地和经阻抗接地4种,如图1所示[1].

图1 城市电网主要中性点接地方式

1.1 国外中性点接地方式

欧洲各国中,德国城市电网中性点接地方式如表1所示.俄罗斯,法国,英国,西班牙,波兰和土耳其等更多的国家使用配备自动调谐装置的消弧线圈接地或低阻抗中性点接地方案[2-3];另外,在欧洲带有自动调谐装置的消弧线圈接地是一种趋势;为了快速地恢复供电,自动故障定位对于控制和保护系统来说也是非常重要的[4-6].

表1 德国电网中性点接地方式

美国的中压电网中性点一般采用直接接地方式,或经低阻抗接地方式;而在日本,中性点不接地、电阻接地和采用通过接消弧线圈接地的方式较为普遍.

1.2 国内中性点接地方式

对于我国城市110 kV电网来说,中性点一般直接接地;对于35 kV和10 kV电网来说,中性点接地方式主要有中性点不接地、消弧线圈接地或低电阻接地等方式.我国中性点接地方式的选择主要考虑负荷密度,电缆使用率,短路电路水平等.例如,上海、深圳、广州、苏州等经济发展较快地区的城市电网由于电缆使用率增加,近几年都先后逐步向低电阻接地方式过渡;济南等经济发展中等地区的城市电网主要采用经消弧线圈接地方式;而西宁等经济发展偏慢地区的城市电网主要采用不接地方式[7-10].

2 中性点接地方式选择

2.1 接地方式比较

选择何种接地方式需要考虑的主要因素有:短路电流水平;保护方案;接地条件;通讯干扰;接地故障时过电压水平和负荷水平等.不同的接地方式特性比较如表2所示.

表2 中性点接地方式特性比较

城市110 kV电网一般采用直接接地方式,而35 kV和10 kV电网主要采用不接地、消弧线圈接地和经阻抗接地3种方式.其中,从电网容性电流的角度来看,根据德国VDE 0845-6-2标准,35 kV电网接地电流超过45 A,10 kV电网接地电流超过35 A,电弧不能自熄灭,若采用不接地系统就容易引起多重故障,需要考虑消弧线圈或者经阻抗接地的方式.从子网络电缆率的角度来看,电缆率较高的子网络,电网容性电流较大,且电缆线路不能长时间带故障运行,宜采用低电阻接地方式,以快速切断故障;若电缆率较低,则可考虑采用消弧线圈、高阻抗接地和不接地系统.从电网运行可靠性的角度来看,实际运行中,不接地系统选线较为困难,且非故障相电压升高,发生多重故障的可能性较高.而从整体电网可靠性的角度来看,建议采用消弧线圈和阻抗接地方式.

2.2 接地方式评估

对于城市电网中每个特定的子网络来说,需要对整个电网进行数据收集建模,计算分析每个子网络的短路电流水平,并考虑电网未来的发展规划,从技术经济性的角度来选择合适的中性点接地方式.另外,对于需要改变中性点接地方式的子网络,还需要进行保护配合、通讯干扰等适应性分析.典型的接地方式评估步骤如表3所示.

表3 中性点接地方式评估步骤

2.3 接地方式选择方法

根据上述中性点接地方式评估步骤,需要对各个变电站逐一进行评估分析.但在实际电网规划和建设中,一方面需要保证科学选择合理的中性点接地方式,另一方面需要避免大量的重复评估工作,提高实际工作效率.因此,在对其城市电网进行科学计算分析的基础上,归纳总结一种适合于城市电网中性点接地方式的快速选择方法,在实际工作中具有重要意义,可以便于电网公司进行中性点接地方式的优化,提高其工作效率.

2.3.1 110 kV接地方式选择方法

对于110 kV电网,中性点基本上都采用直接接地方式,在短路电流正常的情况下,仍然采用该方式进行接地,可以满足正常运行需要.

2.3.2 35 kV和10 kV接地方式选择方法

对于35 kV和10 kV电网,针对每个特定的子网络,需要在不接地、消弧线圈接地和经阻抗中选取一种合适的接地方式.

根据上述分析,本文拟从电网容性电流、子网络电缆率、可靠性和经济性这4个主要因素来综合考虑.其中,各个子网络的容性电流和子网络电缆率可以在接地方式评估阶段通过电网数据收集和建模仿真计算直接得到.对于可靠性和经济性来说,则需要结合电缆率和容性电流的实际进行讨论.若是电缆率较高的子网络,则需要采用低阻抗;若是电缆率较低的子网络,在容性电流较低时,建议采用高阻抗接地方式代替不接地方式.这是因为通过检测阻性电流可以快速完成故障选线,提高运行的可靠性;与消弧线圈相比,高阻抗的投资也较低.在容性电流较高时,建议采用消弧线圈或低阻抗接地方式.

综上,本文提出以电网容性电流和子网络电缆率为主,兼顾可靠性和经济性的矩阵式城市电网中性点接地方式选择方法,如表4所示.其中,根据对我国诸多城市电网电缆率的统计,并结合我国现阶段发展情况,横轴选取了电缆率<30%,>90%,30%～90% 3档,分别代表不发达地区、发达地区和发展中地区.纵轴选取了容性电流<10 A,>35(45) A,10～35(45) A 3档,这是根据电弧自熄灭的电流值来划分的.

表4 35/10 kV电网矩阵式中性点接地方式选择方法

注:加*为推荐方案,未加*为备选方案;若为45 kV电网,则表中电流35 A更换为45 A.

整个矩阵式选择共分为9种类型,每种类型结合可靠性和经济性推荐了各自适合的接地方式.在实际应用中,可先对整体电网进行数据收集建模,计算现况和远景水平年各个节点的短路电流,并统计各个子网络的电缆率情况,最后根据远近结合、协调统一的原则对35 kV和10 kV电网的中性点接地方式进行选择.

3 研究对象建模计算

本文选取西宁城市电网作为研究对象,进行中性点接地方式的评估与选择.

3.1 西宁城市电网

西宁市位于青海省东部,地处青藏高原和黄土高原的交界处.西宁城区总面积为466 km2,城区常住总人口约为123万.国网西宁供电公司负责西宁110 kV及以下电压等级电网的运行.根据西宁配电网“十三五”规划,2016～2020年,西宁城区最大负荷将从1 370 MW左右增加至2 000 MW.

未来几年,西宁城市电网将会新建较多变电站,也将新建大量的电缆线路,因此需要对中性点接地方式进行整体评估.

3.1.1 2016年西宁城市电网规模

2016年,西宁城市电网中共有31座110 kV变电站,110 kV线路总长度约860 km.其中,有6个110 kV变电站配置110/35/10 kV三绕组变压器,有13段35 kV母线的供电负荷,35 kV线路总长度约170 km.西宁市辖区10 kV电网约有61个子网络,其规模大小取决于开环点的位置.10 kV线路总长度约2 470 km,其中电缆约1 360 km,架空线约1 110 km.正常情况下,西宁城市电网解环运行.主要的电网规模如表5所示.

表5 2016年西宁城市电网规模

3.1.2 2020年西宁城市电网规模

根据西宁配电网“十三五”规划,2020年西宁城市电网共新增12座110 kV变电站,110 kV线路总长度约1 030 km,比2016年增长了约20%;35 kV市辖区电网大小基本保持不变;10 kV电网约有88个子网络,其规模大小取决于开环点的位置.10 kV线路总长度约3 040 km,增长了23%,其中电缆约1 700 km,增长了55%,架空线约1 340 km.正常情况下,西宁城市电网解环运行.2020年西宁市主要的电网规模如表6所示.

表6 2020年西宁城市电网规模

3.2 研究工具

PSS®SINCAL (Siemens Network Calculation) 是由西门子公司开发的电网规划综合分析软件,包括机电和电磁暂态的仿真计算功能,其模块包括潮流计算、短路电流计算、无功配置及优化、动态稳定性计算、保护配合、可靠性分析等.

本文主要使用SINCAL软件的短路计算功能模块.SINCAL工具可以计算单个节点或整个子网络单相故障、两相故障、两相对地和三相故障的短路电流水平.计算标准包括:ANSI C37,IEC 61363-1,VDE 0102,ICE 60909,ERG74.此外,SINCAL还可以计算非对称故障电流.

3.3 计算条件

本文进行的短路计算按照IEC 60909标准执行.根据该标准规定,所有变压器的抽头均处于中间位置,并考虑最大短路电流的计算条件.

计算时采用的运行电压分别为121 kV,38.5 kV,11 kV.计算故障类型为单相故障和三相故障.计算水平年为2016年和2020年.计算时110 kV系统直接接地,35 kV和10 kV系统不接地,整个电网解环运行.

3.4 系统模型

本文对西宁城市电网数据进行收集整理,使用SINCAL软件进行系统建模,其模型如图2所示.

其中,各电压等级电网中电气元件的主要参数及型号如下.

(1) 110 kV电网中,双卷变、三卷变压器单台容量主要以40 MW和50 MW为主;导线型号包括LGJ-240,LGJ-300,LGJ-400等.

(2) 35 kV电网中,导线型号包括LGJ-70,LGJ120,LGJ-150,LGJ-185等.

(3) 10 kV电网中,架空线以JKLGYJ-185为主,电缆型号包括YJV22-3×240,YJV22-3×300,YJV22-3×400等.

3.5 短路电流计算

3.5.1 110 kV电网短路电流分析

2016年,西宁市辖区110 kV电网的短路电流主要由故障地点决定.最大的电流发生在主要的变电站附近(景阳站110 kV侧短路电流约为40.5 kA),而最小的电流发生在长线路的末端(东关站1#母线的短路电流约为3.0 kA).

图2 电网模型示意

2020年,西宁市辖区110 kV电网的短路电流水平变化不大.最大的电流发生在主要的变电站附近(景阳站110 kV侧短路电流约为38.4kA),而最小的电流发生在长线路的末端(例如东关1#母线的短路电流约为3.1 kA).其中,两个水平年在一些站点均出现单相短路电流比三相短路电流高的现象,如表7所示.对于这些节点,需要检查短路电流是否超过开关的遮断电流.

表7 两个水平年110 kV单相短路电流超过三相短路电流的变电站

3.5.2 35 kV电网短路电流分析

由于西宁市辖区的35 kV电网在两个水平年的规模上基本无变化,短路电流水平较小,2016年和2020年的短路电流均在几安培,均小于10 A.

3.5.3 10 kV电网短路电流分析

2016年,西宁市辖区10 kV电网短路电流水平分布从几安培(架空线路)至122 A(电缆线路,滨河10 kV母线1)不等.2020年与2016年类似,短路电流水平也是从几安培(架空线路)至116 A(电缆馈线,节点祁家城低压1)不等.总体来看,其短路电流主要由子网络的大小和电缆率决定.

对10 kV电网短路电流水平进行分析,结果如图3所示.由图3可知,2016年和2020年分别有69%和78%的子网络短路电流水平超过35 A,而低于35 A的网络中,分别有15%和9%的子网络短路电流水平小于10 A.

图3 10 kV子网络短路电流统计

4 研究对象接地方式选择

4.1 110 kV中性点接地方式选择

目前,西宁城市电网中330/110/35 kV(自耦变),110/10 kV,110/35/10 kV的110 kV中性点均直接接地.根据计算的110 kV短路电流结果可知,可继续保持直接接地不变,并提出以下优化建议.

(1) 330 kV主变压器为自耦变,在一个电压等级改变中性点接地方式会影响另一个电压等级.因此,330/110/35 kV变压器的110 kV中性点直接接地方式不变.

(2) 未来西宁110 kV短路电流水平处于合理水平,110/10 kV,110/35/10 kV变压器的110 kV中性点直接接地方式不变.

(3) 对于单相短路电流大于三相短路电流的站点,可以通过以下两种方式进行调整:一是在3台或4台330 kV主变压器并列运行的变电站,将其中1台330 kV主变的中性点直接接地方式改成不接地方式;二是在相关变压器上安装中性点接地电抗.

上述两种方式都可以限制短路电流水平,但均应仔细评估中性点不接地方式改变后主变压器对330 kV电网的影响.

4.2 35 kV中性点接地方式选择

西宁市35 kV电网中有不接地系统(4个子网络)和消弧线圈接地系统(2个子网络),但是目前所有的消弧线圈均为离线状态,因此整个西宁市35 kV电网均采用中性点不接地方式.

由于35 kV电网的短路电流水平均低于10 A,且未来西宁城市电网的规划思路将不再大规模发展35 kV电网,因此目前采用的中性点不接地方式在技术上能够满足电网运行要求.但考虑到中性点接地方式的缺点以及已经安装的消弧线圈设备的经济性,提出如下建议.

(1) 中性点不接地运行,过电压水平在健全相上过高,有发展为多重故障的可能,且人工选线效率较低,存在铁芯谐振和间歇性短路故障的风险.因此,在条件允许的情况下,考虑采用中性点高阻抗接地方式,通过测量阻性电流进行快速选线,以减少带故障运行时间,提高系统运行可靠性,且投资成本也较小.

(2) 目前,配备的消弧线圈安装在站内所有主变压器的35 kV中性点,若某一子网络发生接地故障,耦合互联的子网络都会出现暂态过电压、电压位移和短路故障电流等状况,会增加发生双相接地故障和大规模断电的风险.因此,推荐采用分开的消弧线圈连接方式.

(3) 在投入消弧线圈运行前,需要明确相关子网络的谐振曲线,避免过电压损坏电压互感器.

4.3 10 kV中性点接地方式选择

西宁市10 kV电网中有不接地系统和消弧线圈接地系统,但目前所有安装的消弧线圈均处于离线状态,因此整个西宁市10 kV电网均采用中性点不接地方式.

对整个西宁市10 kV电网的电缆率进行统计,结果如图4所示.由图4可知,未来几年的电缆使用率将逐步增加;另外,根据图3统计的10 kV电网的短路电流水平,超过70%的子网络短路电流均超过35 A,因此故障电弧不能自动熄灭.

图4 10 kV子网络中电缆率统计结果

根据表4的选择方法,结合图3和图4,选择的中性点接地方式统计如图5所示.

图5 10 kV电网中性点接地方式优化方案统计

其中,2016年各子网络方案均考虑未来电网发展情况,与2020年推荐方案基本保持一致,一方面对某些子网络利用已安装但未使用的消弧线圈,另一方面对某些子网络考虑提前投资.另外,与35 kV电网相同,为避免过电压损坏电压互感器,在投入消弧线圈运行前,需要明确相关子网络的谐振曲线.

4.4 中性点接地方式应用

按照上述选择的中性点接地方式,对青海省城市电网中现有和新建的部分变电站的中性点接地方式进行了改造和优化.其中,在建议使用消弧线圈的子网络中,需要明确其谐振曲线;在建议使用高阻抗接地的子网络中,本文给出了高阻抗的设计原则.并且在中性点接地方式优化的过程中,指出了需要进行的具体工作步骤.

4.4.1 谐振曲线测量

针对使用消弧线圈的35 kV和10 kV子网络,需要明确相关子网络的谐振曲线.按照相关测量步骤,并根据消弧线圈控制器的设置,从低补偿电流开始,然后逐步阶梯式增加至最大补偿电流,来测量相电压和中性点电压.并且可以开断部分线路,重新进行数次上述控制测量过程,以验证其谐振曲线.谐振曲线图如图6所示.

图6 谐振曲线示例

4.4.2 高阻抗接地电阻设计原则

高阻抗接地方式中,阻性接地故障电流通过中性点接地电阻来限制,可以将其大小设计成等于或者稍微超过故障点最大的电容电流.

例如,故障点电容电流为Ice= 20 A,电阻电流为Ire=20 A,则对地电流为:

4.4.3 工作步骤

在实际改造和优化过程中,除校核仿真计算结果和推荐的中性点接地方式外,还需要对相关设备的适应性、保护配合、通讯干扰等进行重新评估,并对工作人员进行培训.另外,也需要通知相关因中性点接地方式改变而受到影响的用户.

5 结 语

中性点接地方式的选择需要结合目标电网的地理位置、人口数量、政治情况、历史发展及电网结构等因素,综合考虑电压要求、电流要求、运行要求、规划需要及投资的经济性等,提出适合自身的方案.

本文通过分析对比国内外中性点接地方式,提出了一种适合于城市电网中性点接地方式的选择方法,并通过对西宁电网的研究和应用验证了该方法的准确性.

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(编辑 胡小萍)

A Selection Method for City Grid Neutral Point Grounding Treatment

XUE Hongbo, TANG Yingjie, WU Fangfang, HE Chengchun, WANG Ximei

(StateGridXiningPowerSupplyCompany,Xining810003,China)

Neutral grounding is a comprehensive issue to the city grid.Different methods have different impacts on the operation,security and reliability of network.Evaluation and optimization of neutral treatment is needed in the different development stage of city grid.After comparison of relevant neutral earthing methods and their application worldwide,current earth fault levels and practices for Xining networks are analyzed,and the preliminary selection method is presented.

neutral point grounding treatment; isolated neutral; resonant earthing; impedance earthing; solid earthing

10.3969/j.issn.1006-4729.2017.03.003

2017-01-03

薛宏波(1982-),男,大学本科,工程师,青海西宁人.主要研究方向为电网规划,项目管理.E-mail:flyshowad@163.com.

TM862.3;TM727.2

A

1006-4729(2017)03-0221-08