关于一种灵活的配电网中性点接地设计研究

王伟

【摘  要】从国内设计规范对配网中性点接地方式选择的要求出发，分析了目前主要的配网中性点接地方式的适用情况及优缺点。针对目前在电网规划设计中出现的新趋势，分析了传统中性点接地方式的局限性和不足。根据目前新出现的消弧线圈并小电阻接地方式的工作原理及其优点，提出了一种灵活的配电网中性点接地设计方案，并介绍了在配网发展的不同阶段此设计方案所具备的灵活性，以及能够降低重复投资，避免后期改造，提高供电质量等诸多优点。

【关键词】中性点接地方式;灵活性;设计方案;消弧线圈;小电阻

随着我国经济的快速发展，电网建设也进入了一个快速发展阶段。相对的中压配电网的自动化及网架完善升级最近才开始加大投入力度，特别随着城市化进程的加快，越来越多的中压配电网不再采用传统的架空线路而改为采用对环境及景观影响更小的电缆线路，故而在配电网中性点接地的设计上传统的不接地或消弧线圈接地方案不再与新的情况相适应。在这种情况下新的变电站规划设计时，我们需要一种灵活的，能更好适应变电站配电网架不同发展阶段的中性点接地设计方案。

1 中压配电网中性点接地形式

1.1 不接地及消弧线圈接地

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》[1]，3.1.3条：“1、35kV、66kV系统和不直接连接发电机，由钢筋混凝土杆或金属杆塔的架空线路构成的6kV～20kV系统，当单相接地故障电容电流不大于10A时，可采用中性点不接地方式;当大于10A又需在接地故障条件下运行时，应采用中性点谐振接地方式。2、不直接连接发电机、由电缆线路构成的6kV～20kV系统，当单相接地故障电容电流不大于10A时，可采用中性点不接地方式，当大于10A由需在接地故障条件下运行时，宜采用中性点谐振接地方式。”根据上述规范对于中压配电网，当单相接地故障电容电流不大于10A时，架空配电线路及电缆配电线路都可以采用中性点不接地方式，而大于10A时也都可以采用谐振接地（消弧线圈接地）方式。

1.2 小电阻接地

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》[1]，3.1.4条：“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。”根据上述规范对于中压配电网，当单相接地故障电容电流远大于10A时，电缆配电线路可以采用中性点低电阻（小电阻）接地方式。

2 中性点接地方式的选择

根据设计规范，6kV～35kV配电系统采用架空线路形式时主要采用不接地方式及谐振接地方式，而采用电缆线路形式时除了上述两种接地方式以外还增加了低电阻接地方式。另外，规范中强调架空线路配电系统需要在接地故障条件下运行时应采用谐振接地，那么如果架空线路无需在接地故障下运行，我们也可以考虑采用低电阻接地方式的可能性。

故在变电站的配电网中性点接地方式选择中，我们需要关注以下三个关键点：（1）6kV～35kV配电线路的形式是以架空线为主，还是以电缆线路为主;（2）配电线路的单相接地故障电容电流是否大于10A，或是否远大于10A;（3）配电线路是否需要在接地故障条件下继续运行一段时间。

根據设计规范及以上关键点，在变电站规模小、以架空线路为主且架空配电线路长度短的情况下，配电线路单相接地故障电容电流不大于10A，此时大都可以采用中性点不接地方式，例如偏远地区为村镇供电的35kV变电站。对于变电站规模大、以架空线路为主且架空配电线路长度较长，配电线路单相接地故障电容电流大于10A，根据变电站的供电半径及以往的设计经验，配电线路的单相接地故障电容电流不会远超10A，即若采用消弧线圈接地方式时，消弧线圈的容量不会超出常规的选择范围;此时除非架空配电网架十分强大，又需要能够准确判断接地故障线路、限制单相接地故障过电压等情况，一般采用消弧线圈接地方式，例如内陆地区普通县级供电的110kV变电站。

对于变电站规模大，以电缆线路为主且电缆配电线路长度较长的情况下，配电线路的单相接地故障电容电流往往比较大，此时选择消弧线圈比较困难。电缆的主绝缘在出现绝缘故障的情况下多是不可恢复的，而架空线则不同大多可以自恢复，电缆提高绝缘的成本也较架空线高得多，单相接地故障时正常相的电压升高及接地故障过电压对电缆线路的绝缘危害比架空线要大得多。从延长电缆绝缘寿命、避免因为接地电弧导致电缆火灾、以及避免因为故障过电压导致电缆绝缘永久故障的角度出发，让电缆线路长时间在单相接地故障状态下运行也是不合适的。因此，在这种情况下，配电网的中性点接地方式采用小电阻接地更合理，此外上述情况大多发生在大城市的中心城区，配电网往往能实现“手拉手”或环网，线路不需要在发生接地故障时还继续运行。

3 工程规划设计过程中中性点接地方式选择存在的问题

在电力工程实际规划设计过程中，我们经常会遇到无法准确预测变电站建成后配电线路的形式和长度的问题。例如对于大城市的城郊及内陆地区地级市的市区，目前其中压配电网大多还是以架空线的形式为主，然而随着大城市城区范围的扩大，以及地级市城市建设水平的提高，架空线改造为电缆线路是一个大趋势，这时配电网中性点选择采用消弧线圈接地或是小电阻接地方式，都不尽合理，无法实现近期与远期的兼顾。此外，在变电站建成初期，无论是采用架空线路还是电缆线路，大都不会出现接地故障电容电流大于10A的情况，初期都可以采用中性点不接地方式。但同时也存在单相接地故障电流小，小电流接地选线装置无法准确判断故障线路的情况。此时若能将不接地系统临时切换为小电阻接地系统，则可辅助判断永久接地故障线路并通过线路零序保护将其跳开来提高故障排除效率并减少不必要的停电。

4 一种灵活的中压配电网中性点接地设计方案

在中压配电网由架空线向电缆线路改造升级的过程当中，我们需要一种能够兼顾两种形式配电网的中性点接地设计方案。以往采用的消弧线圈接地方式，我们上文中已经阐述了在以电缆线路为主的配电网中的不足。对于架空线路为主的配电网，若采用小电阻接地方式也会存在一些问题。从上文中规范描述可知在不考虑带单相接地故障运行的情况下，架空线配电网也可采用小电阻接地方式，然而小电阻接地存在无论临时故障还是永久故障都会使故障线路跳开的问题，即使配合线路重合闸也会使得配电网的停电时间及次数大大增加。

随着电网技术的发展，一种兼具消弧线圈接地及小电阻接地优点的新的接地方式出现了。配电网系统采用消弧线圈并联小电阻的接地方式，在接地故障发生后一定时间内具有谐振接地系统的性质，接地电弧可由消弧线圈熄灭;当故障持续一定时间，判定为永久接地故障时，通过投切装置投入小电阻，以启动线路零序保护切除故障。这种接地方式保证架空配电线路故障点在高电阻的条件下也能正确选线，从而切除故障线路。[2]

消弧线圈并联小电阻接地装置的工作原理接线，系统既能够完成电容电流的计算，自动调节消弧线圈处在要求的补偿位置，又能在永久性接地故障情况下控制小电阻的投切，来在两种接地方式间转换。

基于消弧线圈并联小电阻装置的工作原理及相应具备的优点，并结合电网规划设计过程中分期建设、节约投资同时保证灵活性的思想，从而创造出了一种灵活的配电网中性点接地设计方案。此灵活的配电网中性点设计方案分为初期接线和终期接线，能够很好的兼顾中性点不接地方式、消弧线圈接地方式及小电阻接地方式，并能够在三种接地方式间灵活切换，能够满足不同时期不同形式中压配电网中性点接地的需求。对于在变电站的建设初期，投运的中压配电线路较少、长度较短，接地故障电容电流不大于10A，我们此时可采用初期接线形式，其接线如下图1。此时中性点接地系统只投入可投切小电阻装置，正常运行时可打开可投切小电阻前的隔离开关K1作为完全不接地系统运行。而如果小电流接地选线装置的选线正确率不满足要求，或电缆线路占比较高，从降低电缆线路接地故障过电压及火灾风险角度出发，可以合上小电阻前隔离开关K1采用可投切小电阻接地方式运行，也可同时合上可投切开关作为小电阻接地方式运行。当作为可投切小电阻接地方式运行时，正常时可投切开关是打开的，对于瞬时接地故障由于接地电容电流较小，大多可自行熄弧恢复绝缘，若经过一段时间（时间根据电网情况可自行设定）没有熄弧演变为永久故障时，则合上可投切开关由不接地切换至小电阻接地运行方式利用线路的零序保护切除故障线路，待故障切除后在打开可投切开关恢复正常运行状态。如此可极大提高故障线路的选择准确率（基本上可达到100%的选择正确率），避免因切错无故障线路导致停电范围扩大和停电次数增加，降低调度及运维压力。中性点并联的另一组隔离接地开关K2则用于在未来变电站接入的架空配电线路增加后，单相接地故障电容电流大于10A时，可在较短停电或不停电的情况下安装并联的消弧线圈装置，以形成消弧线圈并小电阻接地形式。

在变电站建成，并按初期接线形式完成配网中性点接地后，则可根据后期配网的发展情况来适时判断是否需要再安装并联的消弧线圈装置。若后期由于城市范围的扩大或配网系统的升级，变电站新建的配网线路以电缆线路为主，并且网架较强无需线路带接地故障运行，则变电站中压配网的中性点接线所采用的初期接线形式就直接演变为终期接线，不再做调整。若后期新接入变电站的配网线路还是以架空线为主，并且单相接地故障电容电流超过了10A，则此时可在初期接线的基礎上，在隔离开关K2下接入消弧线圈后完善消弧线圈并小电阻的接地形式，最终形成终期接线形式。采用这一灵活的配网中性点接地设计方案的一个重点及难点在于初期对接地变容量的选择。为了避免后期更换接地变及造成停电，最优的方案即是在初期接线时接地变的容量就能够满足后期可能的消弧线圈接入的要求，以避免后期接入消弧线圈时对接地变的更换。

5 结论

通过采用这一灵活的配网中性点接地设计方案，我们可以在电网规划设计阶段就能够保证变电站配网中性点接地方式的足够灵活及适应未来变化的能力，避免了配网形式预测错误及后期配网形式出现较大变化情况下对中性点接地方式进行改造的投资浪费、减少停电时间及避免改造风险。

参考文献：

[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]。

（作者单位：云南恒安电力工程有限公司）