6～35kV小电阻接地系统接地设备选择

张 玮，盛和乐，谢 敏

(中国电力工程顾问集团华北电力设计院有限公司，北京 100120)

6～35kV小电阻接地系统接地设备选择

张 玮，盛和乐，谢 敏

(中国电力工程顾问集团华北电力设计院有限公司，北京 100120)

为了确定中压小电阻接地系统接地电阻及其配套设备的选择方法，本文总结归纳了常用6～35kV小电阻接地系统的现状，通过对现行规程要求分析，并进一步剖析了中性点接地过电压的危害及小电阻接地保护系统的工作原理，总结归纳了小电阻接地系统中接地电阻阻值的合理选择范围，及其配套电流互感器等保护设备选型，对中压系统小电阻接地设备的计算选型工作有较实用的指导意义。

中性点；电阻接地系统；过电压；电容电流；继电保护。

三相交流电力系统中性点接地方式的选择是一个综合问题，涉及电网的安全可靠性、经济性，它与电网的电压等级、过电压水平、保护配置等均有关系，并直接影响系统设备绝缘水平、继电保护方式、甚至产生通信网络电磁干扰等。

对于6～35kV中压系统的中性点接地方式，在各个地区、各个网络都有不同的选择形式和判断依据。6～35kV中压系统常见的中性点接地方式有不接地、经消弧线圈接地和经电阻接地方式。

本文将重点对经电阻接地方式的应用现状及原理进行分析，并对经电阻接地方式中接地电阻阻值的选择提出观点。

1 工程现状

中性点电阻和消弧线圈都是在中性点上用来接地的，作用都是在系统发生单相接地故障时，起到防止因接地故障引起的弧光过电压以及在单相接地故障时，因系统中故障电流引起危及电网安全的其它危害。消弧线圈的接入对系统单相故障时故障电流的抑制是采用通过自身向系统中注入感性电流来补偿(也可以说是抵消)系统中的故障电容电流，使之所剩的残流在设备允许范围内，所以采用随时自动跟踪补偿的消弧线圈来抵消故障电流的危害，可以保证系统带故障运行2 h，这就为一些不便于立即停电跳闸的供电系统提供不停电处理故障的时间，保证供电连续性。而它的缺点是相对于中性点电阻柜来说结构较为复杂，同样故障电流参数下设备占地面积较大，安装投入资金大，设备运行维护相对繁琐等。中性点经小电阻接地或高阻接地，其原理是将一个电阻接到系统中，当系统发生单相接地故障，系统中性点电压将升高，加在中性点电阻上的电压通过电阻会向系统产生电流，这个电流会随着中性点电压的升高而加大。同时这个产生的电流会流经发生单相接地的那条线路的开关柜流回系统母线，而系统中每面出线柜的综合保护中都应事先设置好零序保护电流的动作值，当流经开关柜的电流值大于设定值时会当即使故障柜跳闸，也就使发生单相接地故障的开关柜从系统中被切除，系统其他部分恢复了正常运行。中性点电阻接地的优点是结构简单，设备运行维护量小，造价成本相对较低。缺点是当系统发生单相接地故障时会立即跳开故障线路，对于一些仅有一回路馈电而又要求不能随意停电跳闸的系统不适用，同时开关柜综合保护单相故障跳闸定位一定要设置精确，否则影响系统及电阻柜自身的安全运行。因此，在设计当中如何选择合适的接地电阻值就成为中性点电阻接地系统的关键点和难点。

1.1 常规火电厂厂用电系统

根据收集到的资料，对于火电厂6kV厂用电系统，各设计单位的设计方案不尽相同，有的设计院按固定电阻电流值200 A进行选择，选取接地电阻阻值为18 Ω，有的设计院按具体工程电缆长度计算电容电流值进行选择，但选取的电容电流放大倍数并不统一，因而在实际工程中，各电厂接地电阻电流值从100～700 A不等，其典型配置接线见图1。

图1 火电厂高压厂用电系统中性点接地方式

1.2 各地区城市网络35kV及10kV系统中性点电阻值的选取

在城市网络中，地区电力系统主要依据DL/T 584—2007《3kV～110kV电网继电保护装置运行整定规程》，根据城市网络电力线路长度及未来发展，对该地区的10kV及35kV系统中性点接地电阻阻值做出相应的规定。根据收集到的资料显示：北京地区10kV系统为10 Ω，电阻电流值为600 A。天津地区和深圳地区35kV系统采用1300 A 16.5 Ω。

1.3 风电、光伏等新能源项目

风电、光伏类工程大多采用35kV集电线路，将多台风力发电机组或太阳能电池单元并联汇集后接入附近升压站二次升压送出，因此，大多数风电、光伏项目35kV接地电容电流都超过了规程允许的10 A。同时，根据国家电网公司2011年974号文件《关于印发风电并网运行反事故措施要点的通知》“风电场汇集线系统单相故障应快速切除”的要求，为了准确选线跳闸，大多数风电、光伏项目35kV中性点采用电阻接地系统。但在接地电阻的阻值选择上，各工程存在一定的差异，对于以架空集电线路为主的风电场，由于其接地电容电流值一般在30 A左右，故电阻电流的选择一般在100～200 A左右，对于大型全电缆集电线路风电场，有的设计院将电阻电流限制在固定值200A或400A，有的设计院根据实际计算出的电容电流值并放大1.5～2倍进行选择。

风电、光伏类工程的35kV中性点电阻主要有两种连接方式：一种是将主变压器35kV侧直接选为Y型接线，将中性点接地电阻直接接于主变压器35kV中性点侧，见图2。

另一种是通过Z型接线的接地变，制造一个35kV中性点，将接地电阻接于由接地变引出的中性点端，根据接地变在主接线中的位置和作用的不同，又可分为三种情况：其一，接地变为专用接地变，并直接T接在主变35kV进线侧，见图3(a)；其二，接地变为专用接地变，通过35kV开关柜与35kV母线连接，见图3(b)；其三，接地变二次侧兼做所用变压器，通过35kV开关柜与35kV母线连接，见图3(c)。

图2 接于主变中性点

图3 经接地变引出的中性点

2 相关规程规范

《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》GB/T 50064—2014 第2.0.2条中性点低电阻接地方式 系统中至少有一根导线或一点经过低电阻接地，系统等值零序电阻不小于2倍系统等值零序感抗(新版国标中未规定低电阻接地系统的电阻值范围，在DL/T620—1997(已作废)中第2.1条指明低电阻接地的系统“一般采用接地故障电流为100 A～1000 A”)。第3.1.4条规定： 6kV～35kV主要由电缆线路构成的配电系统、发电厂厂用电系统、风力发电场集电系统和除矿井的工业企业供电系统，当单相接地故障电容电流较大时，可采用中性点低电阻接地方式。变压器中性点电阻器的电阻，在满足单相继电保护可靠性和过电压绝缘配合的前提下宜选较大值。

《导体和电器选择设计技术规定》DL/T 5222—2005 第18.2.5条规定，对于高电阻接地系统，计算中性点接地电阻值时，取单相对地短路时电阻电流与电容电流的比值为1.1。第18.2.6条规定，低电阻接地系统，中性点接地电阻值按选定的单相接地电流值计算，即。规程中未对Id(即选定的单相接地电流值)的大小进行规定和说明。

《火力发电厂厂用电设计技术规程》DL/T 5153—2014 第3.4.1条规定，火电厂高压厂用电系统中性点接地方式可采用不接地或经电阻接地方式。当高压厂用电系统的接地电容电流在7 A及以下时，可采用不接地或经高电阻接地，在7 A以上且在10 A及以下时可采用不接地或经低电阻接地方式，当高压厂用电系统的接地电容电流在10 A以上时，中性点宜采用低电阻接地方式。对于低电阻接地系统，接地电阻的选择应使发生单相接地故障时，电阻电流不小于电容电流，并且单相接地故障总电流值应使保护装置准确且灵敏的动作于跳闸。在其附录C中进一步明确，阻性电流可按1.1倍容性电流选取。

《3kV～110kV电网继电保护装置运行整定规程》DL/T 584—2007 第6.2.8.2条规定，10kV～35kV低电阻接地系统中接地电阻的选取宜为6Ω～30Ω，单相接地故障时零序电流(3I0)以1000 A左右为宜。

可见，对于6kV～35kV中压网络的小电阻接地系统，各类规程规范中的标准并不明确统一，有的只写列出了选型原则，有的给出了选择范围。那么工程实践中究竟电阻电流和电容电流按何种比值关系设计更为合理，需要通过中性点电阻接地系统的工作原理进行进一步剖析。

3 中性点小电阻接地系统的工作原理

3.1 中性点电阻怎样限制过电压

接在电网中性点的接地电阻对过电压有限制作用。在解释这一现象时，有三种说法：

相位说——间隙性弧光接地过电压的产生，是发生单相接地时相角超前电压90%的大的电容电流所致。在接地电容电流过零熄弧时，适逢电压的峰值，再由于电流较大，周围空气环境游离，耐压强度降低，而极易发生重燃，导致了暂态和稳态过电压的发生。在电网中性点接入电阻后，给接地点加注入了阻性电流。接地点流过的阻容性电流和电压之间的相位角会小于90°。若阻性电流与容性电流相等时，相位角为45°；若阻性电流大于容性电流，则相位角变得更小。这时，接地电流过零时，故障点的电压已经下降很多，降低了重燃的或燃率。

泄漏说——在不接地系统中，发生单相接地时产生的过电压皆是在电容上聚集的能量无从泄漏所致。电弧的点燃、熄灭、重燃的过程，使中性点不接地电网中积累了多余的能量，加剧了重燃时的电磁振荡，增大了弧光接地过电压。在电网中性点接入适量的电阻，是把积累的能量，在电弧熄灭至重燃前(半个工频周期内)，泄入大地。过电压就可以降低。电阻越小，释放的越快。释放速度决定于回路中的，γ=3CNRN(3CN为三相对地电容，RN为中性点电阻)，设阻性电流IR与电容电流IC相等，则

当τ为半个周波，即τ= 1/2f，此时，

可见，半个周期内，积累电量已经基本泄漏完毕。所以，只要

就能有效地限制弧光接地过电压。

阻尼说——这是一种更加宏观的说法。当电网中性点不接地，特别是轻负荷时，可以把电网的构成看作是电感电容的交织网络，虚浮在大地之上。当其受到拨动、袭扰时，将会振荡不已，久久不能平静。线路发生的单相接地便类似于这种情景。在网络的零序回路接入电阻，相当于在网络与大地之间，连接了一支阻尼电阻，阻尼振荡。这一说法的提倡者，建议将电阻接入到一台特制变压器的三角形绕组的开口上，也是在零序回路之中。

3.2 过电压倍数与IR/IC的关系及其数值确定

中性点电阻阻值RN的大小，决定了单相接地时流经接地点阻性电流IR的大小，并直接影响了过电压倍数。

设K=IR/IC，当A相发生单相接地时，可以推导出健全相Ub或Uc电压升高值与故障前相电压Ua的比值

如下式：

式中：Ua为电网A相故障前的相电压(kV)；Ub、Uc为健全相的电压(kV)；IR为接地点阻性电流(A)；IC为电网中的电容电流(A)。

图4 过电压倍数与IR/IC的关系

给出不同的K值，即可算出相应的Ub/Ua或Uc/Ua的比值，见图4。

由图可见，

由此可见，当IR≧IC时，健全相的过电压倍数可限制在2.8倍以下。当K大于2时，其限制效果已不明显趋于饱和。一味的追求减小RN加大IR，试图把过电压再降低，将事倍功半。

在实际工程中，K值应根据系统中电气设备的工频耐受电压进行合理选择，通常变电站电气设备在0.1 s的短时工频耐受电压在1.0～2.4 p.u.之间，因此，K值的选择在1.5～3时比较安全。

3.3 小电阻接地系统的继电保护原理

对于小电阻接地系统，当电网发生单相接地故障时，由于人为地增加了一个与电网接地电容电流相位相差90°的有功电流，流过故障点的接地电流就等于电容电流和有功电流的相量和。应该说，根据零序电流或电阻性电流的大小和方向也是很容易区分故障支路和非故障支路的。

由于单相接地时故障电流大，必须切除故障线路，故其保护配置可为：限时(瞬时)电流速断保护，低电压闭锁过流保护，两段式零序保护，所有保护均作用于跳闸。对于架空输电线路，应配置一、二次(或多次)自动重合闸，使得瞬时性故障后可尽快恢复供电，同时在永久性故障时，加速继电保护动作于跳闸；对于电缆输电线路，考虑其故障必定是永久性故障(或永久性故障所占故障比例很大)，故不必设置自动重合闸。另外，为保证可靠地切除故障线路，保护一次设备的安全，考虑到故障线路的保护或开关存在拒动的可能，所以应在中性点接地电阻回路中加装电流互感器(TA)，接入零序后备保护(或称接地电阻零序保护)，加适当延时后，作用于跳开变压器低压侧开关。

4 中性点零序电流互感器的选择

《导体和电器选择设计技术规定》第15.0.9条规定：“对中性点直接接地或经电阻接地系统，由接地电流和电流互感器准确限值系数确定电流互感器额定一次电流，由二次负载和电流互感器的容量确定二次额定电流。”此外需：“按电缆根数及外径选择电缆式零序电流互感器窗口直径，按一次额定电流选择母线式零序电流互感器母线截面。”

从安装方式上分，电缆式零序电流互感器分为开合式和整体式两种，其电气性能基本相同，差异很小，考虑检修维护和安装的方便，开合式较整体式更为灵活，拆装无需重新制作电缆头。

配合保护方面，目前6～35kV中压系统大都采用微机保护装置，微机保护装置阻抗一般不超过0.2～0.4 Ω，在零序互感器的变比和容量选择上，应根据不平衡电流值并考虑保护灵敏系数及互感器的误差限值等因素，保证微机保护装置可靠动作而确定。通常50/1(5)、100/1(5)变比即可满足要求，但当接地电流值较大时应复核电流互感器短路电流倍数，避免CT饱和后造成继电保护失灵。

容量的选择上，主要与二次保护装置的阻抗匹配，以保证精度。通常微机综合保护装置的阻抗在0.2～0.4 Ω，因此对于二次变比在5 A的零序互感器，容量为5～10 VA即可满足要求，对于二次变比在1A的零序互感器，容量为0.2～0.4 VA即可满足要求，但当回路电缆较长时，应考虑回路阻抗，适当加大容量。

5 小结

综上所述，电阻接地系统由于回路中流过中性点的阻性电流值的大小及方向都很明确，便于继电保护的正确选线和跳闸，可以迅速排除故障，避免事故扩大。尽管如此，断路器的动作时间不可能达到绝对的零秒，通常都会有0.06 s左右的延迟，在这段时间内，足以产生弧光接地过电压。因此，从限制过电压、保证一次设备绝缘安全的角度考虑，只有电阻值选取的合适，才能够保证系统过电压被限定在设备绝缘能够承受的范围内，保证系统设备安全。所以，在《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》GB/T 50064—2014 第3.1.4条规定：“变压器中性点电阻器的电阻，在满足单相继电保护可靠性和过电压绝缘配合的前提下宜选较大值。”是我们进行电阻接地系统电气设备选择的基本原则。也就是说，电阻接地的作用是在限制过电压的同时，帮助继电保护正确选线，保护作用于跳闸，从而快速切除故障、维护系统安全。限制过电压、满足继电保护动作可靠性两者缺一不可。

在实际工程操作中，对于不同的项目，应按照实际计算出的电容电流大小并充分考虑远期扩建后电容电流的增加值，对接地电阻阻值进行合理的选择，当项目终期规模比较确定，接地电容电流计算比较精确时，可按1.5～2倍电容电流值选择，当终期规模不定，无法精确计算接地电容电流值时，应适当放大至2～3倍电容电流值选择。通常在电容电流计算值为100 A以下时，最小以不小于200 A为宜，以满足过电压及继电保护可靠动作的要求，这个倍数相对保守、可靠，给系统发展留有较大的裕度。但当系统较大，电缆线路较长，接地电容电流值达到800 A以上，且无远期扩建可能时，考虑到小电阻接地系统的继电保护选线跳闸方式较为灵活可靠，建议电阻、电流值按不小于电容电流值选择较为经济，同时也可满足过电压保护与绝缘配合的最基本要求。

[1]GB/T 50064—2014，交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范[S].

[2]DL/T 5222—2005，导体和电器选择设计技术规定[S].

[3]DL/T 5153—2014，火力发电厂厂用电设计技术规程[S].

[4]DL/T 584—2007，3kV～110kV电网继电保护装置运行整定规程[S].

[5]许铁军，李岳.开关柜中零序电流互感器设计选型[J].电气技术，2013，(3).

[6]张芬.小电阻接地系统的继电保护[J].云南电力技术，2010，(6).

[7]干耀生，等.城市中压配网中性点小电阻接地方式分析[J].电力系统及其自动化学报，2013，(3).

[8]童奕宾，尤智文，李姝.小电阻接地系统间歇性弧光过电压分析[J].电力系统及其自动化学报，2012，(3).

Grounding Equipment Selection of 6～35kV Small Resistance Grounding System

ZHANG Wei,SHENG He-le,XIE Min
(North China Power Engineering Co.,Ltd.,Beijing 100120,China)

In order to determine the medium voltage low resistance grounding system resistance and its ancillary equipment selection method,this paper summarizes the commonly used in the 6 ～ 35kV low resistance status of the grounding system,by analyzing the requirement of current rules,and it further analyzes the harm of over voltage of neutral point grounding and working principle of small resistance grounding protection system,sums up the small resistance grounding system connected to resistance the reasonable selection range of and supporting current transformer and protection equipment selection,there are more practical significance about equipment selection and calculation work of small resistance of medium voltage system.

neutral point; resistance neutral grounding; overvoltage; capacitive current; relay protection.

TM61

B

1671-9913(2017)05-0071-06

2016-02-05

张玮(1979- )，女，江苏武进人，高级工程师，从事新能源发电电气设计工作。