10kV配电网小电阻接地技术研究

北京大学人民医院 许文杰

小电阻接地是指电路的某一节点与地电相连，以使电路与接地之间电阻减小，达到增加电流反应速度的目的，并起到避免静电干扰，防止设备受损的作用。为保证小电阻接地技术的高效运用，本文将以某城区10kV配电网作为研究对象，设计中性点小电阻接地方案，提出具体的实施路径。故研究此项课题，具有十分重要的意义。

1 工程概况

某城市10kV配电网线路长度为7470km，变压器容量达到5970MVA，开关台数达到7700台，配电线路绝缘化率达到85%，电缆化率达到48.8%，共计128台高耗能配电变压器。根据实际调查显示，城市配电线路平均负载率在24%左右，在2021年配网共发生停电740次，设备本体故障出现240次。通过对配电网故障原因进行分析可以发现，系统故障中单相接地故障的占比较高，究其原因在于电容电流较大，电压异常上升，导致设备绝缘水平达不到安全标准，存在较大的负荷损失。

为解决此类问题，降低配电网故障率，某城市最终决定开展10kV配电网中性点小电阻接地方案，使架空绝缘线路比重得到进一步提升，将总电容电流维持在10A以上，加强系统过电压的限制效果，避免产生相间故障，并打造具备双电源供电条件的配网结构。

2 10kV配电网小电阻接地技术的实现路径

2.1 方案设计

2.1.1 接地方式组成

通常来说，中性点小电阻接地系统的主要组成包括接地变、小电阻等装置，由于本次配电网项目的主变10kV侧属于三角接线，因此系统中性点应由接地变提供。在电阻选择方面须充分考虑基地变压器的具体容量，最终确定接入Z型变压器中性点。此类结构的接地变压器特点在于：将三相铁心芯柱绕组分为两段，依照Z型连接法接成星型接线，两段绕组极性相反。至于Z型接地变压器则要具备以下特性：对电流呈现高阻抗，绕组中只通过较低的激磁电流，此时两绕组形成的磁通会相互抵消，导致对零序电流呈现漏抗，而零序电流的压降则会随之降低。

2.1.2 接地变容量设计

首先要选择适合的计算方法，遵循IEEEC62.92.3中的相关规定，即变压器10s内允许过载系数在额定容量的10.5倍，计算10s内接地变压器通流容量，确定连续运行时的额定容量；其次要明确计算步骤，根据已知系统额定电压（Un）、额定相电压、短时通流（In）、标称电阻值、短时通流时间，计算接地变压器10s通流容量，公式为：，之后将通流容量折算为额定容量，公式为：Sn=KS10s/10.5。

2.1.3 电阻选择

当系统总电容电流达到100A时，需采用电阻为15Ω的中性点接地电阻，若产生单相接地故障，经过接地电阻的额定电流为400A，具体的电阻选择计算，需要充分结合配电网过电压水平、保护整定、对通信的影响、人身安全、电缆运行。

2.1.4 环境、电流监测设备设计

由于某城市电力公司是第一次尝试中性点小电阻接地技术，为了提高设备的检测效果，累积运行经验，还要专门设计接地电阻器的监测设备，用以实时掌握电阻柜运行温度等参数，获取单相接地故障情况下电阻元件温度变化。且设备要具备电流越限告警功能，利用通信接口，将获取后的数据传送至微机监控系统，通过监测模块插件，采集故障电流等信息，为后续的故障分析提供数据支撑。同时，在设计时还要尽可能保持CT接线电缆长度较短，避免长度过高影响精确性，且CT额定负载能力需超过接地电阻装置监测设备，精度控制在0.1级。将CT接到测试盒，之后实现调控的远程监控，借助防电磁的双绞屏蔽电缆，长度控制在1000m以内，相关设备的通讯接口正负极性保持连接准确，至于电缆屏蔽层只可一端接地。再利用通信电缆实现接地电阻监测设备的接线作业，将接地告警信号、中性点电阻温度等数据传报至监控后台，由监控后台将遥测转送到集控中心，用以调度作业人员完成远方监视。

2.1.5 保护计算

首先完成零序保护配置，用以保护系统单相接地故障，搭配零序电流互感器，将原有的电磁保护替换为微机保护设备，在系统中添加相关单元零件。具体配置情况表现为：系统中的馈线与电容器单元需要安装零序电流保护，作用在断路器跳闸；接地变则要增配反应单相，以此保护馈线单相接地，动作于主变断路器跳闸。

其次实施零序保护的整定，对于零序电流保护的一次动作电流来说，应结合单相接地电容电流完成整定作业，计算公式为：Idzl=KK×Icl，其中：Idzl代表保护设备一次动作电流，KK表示可靠系数，Icl表示被保护线路单相接地电容电流。之后还要做好变压器的零序保护整定，计算方法为：Idzl=KK×Iclmax，其中：Iclmax表示馈线单相接地电容电流最大值。根据上述分析计算后可发现，10kV系统馈线与电容器单元都需要完成零序电流保护配置，并将其作为单相接地故障保护。

2.2 方案实施

为确保上述设计方案的准确实施，还需要做好整体进度的把控，收集大量信息资料，完成变电站系统电容电流测试，选取适合的小电阻阻值以及接地变容量。充分考虑招标管理要求，编制招标采购标书，签订系统商务、技术合同，在小电阻接地系统安装结束后，开展线路零序保护的整定计算与保护调试[1]。

2.2.1 电容电流计算

对于架空线路来说，需要根据以下公式完成电容电流的计算，即：Ic=（2.7～3.3）U1L×10-3，其中：U1表示线路额定线电压，L表示线路长度。对于水泥杆架空线路，需要在计算时提高10%左右的电容电流。至于电力电缆，则要结合以下公式计算：Ic（u）=[（95+1.44S）/（2200+0.25S）]U1。其中：Ic(u)表示线缆电容电流，S表示电缆芯线截面积。同时，也可借助电气设备的预防性试验获取电容值，在进行电容电流测试时，要保证两段母线分段运行，将外加电容器电容量调整至80nF和39nF。在合闸后，将外加电容接入三相，测量中性点位置电压，通过改变外加电容值发现，电容电流值差距较小，此时便可将其作为测试结果，具体数据见表1。

表1 电容电流测量结果

根据上述分析可知，采用中性点小电阻接地，在电阻值的选取上要充分考虑单相接地电容电流，根据系统过电压倍数限制情况，结合继电保护灵敏度。在测试后发现，变电站母线电容电流为35A，超过消弧线圈的实际容量。为此，需要将电容电流调整至50A以上，设置2台主变，考虑其中1台主变带全部负荷，假设依照单相接地电容电流100A完成电阻验证，并进行元消弧线圈10kV间隔的改造。

2.2.2 组配接地成套设备

通过理论计算发现，改造项目更适合配置小电阻接地设备。其中，干式接地变压器要预先开展理论性试验，满足安全质量标准，最终采用环氧树脂浇注的三相电力变压器，其额定容量、电压、电流分别达到500kV、10kV、27kA。而中性点电阻则要采用不锈钢电热金属进行制作，保证其具备耐高温、抗拉强度高等特性，即便在高温环境下，仍能保持良好的热工金属性能。而在零序电流互感器方面，则要将变比设计为150/5。

2.2.3 配套装置与保护改造

在处于正常运行的状态下，10kV单母线需保持分段运行，确保接地挂在线段上，并考虑在分段开关运行的过程中，可能产生2台接地变一同运行的问题，导致零序网络受到不良影响，进一步增大零序电流，因此要注意不可2台接地变保持并列运行。并充分考虑变电站的自动化改造需求，调整自投保护设备，增加自投逻辑。保证即便出现母线失电的情况，也可通过跳开主变低压侧开关与接地变和分段开关，不断完善二次回路，通过开关试验传动，为系统的安全运行保驾护航[2]。

2.2.4 设备试验

要完成绝缘电阻检查，具体数据见表2；要进行设备检查，包括变电源输出电压，数值须低于0.05V；逆变电源输出电压，数值须低于0.05V；电源监视灯的零漂测试，零漂测试量须低于0.05A；交流通道，零漂测试量须低于0.05A；要完成采样精度检查，判断交流电流线性范围，保证回路电流输入值与测量值之间的相对误差低于±2.5%；要进行交流电压线性范围的检查，开入、开出量的正确性检验，确保开入、开出接点均正确动作。

表2 绝缘电阻值

要完成固定值校验，在CT变比为150/5的基础上，当故障类型变现为过流，定值为Iset=1.5A，Tset=1s，输入模拟量为1.05Iset，0.95Iset，动作时间为1s跳本开关，动作情况为可靠动作与不动作。当故障类型变现为速断，定值为Iset=5A，Tset=0s，输入模拟量为1.05Iset，0.95Iset，动作时间为0s跳本开关，动作情况为可靠动作与不动作。当故障类型变现为零序过流，定值为Iset=2A，Tset=1.6s，输入模拟量为1.05Iset、0.95Iset，动作时间为1.6s跳本开关，动作情况为可靠动作与不动作。

接地变中性点接地电阻器监测设备检查，要求绝缘电阻超过50MΩ，采样精度的相对误差不超过±1%。且开入、开出节点均保持正确动作；定值校验，在加入零序电流132A后，电流会超过上限，此时后台若发出告警信号，则证明装置试验达标，之后降低温度定值，使温度超过定值上限，若后台发出告警信号，则证明装置可以正常使用。

2.3 运行分析

首先要进行单相接地故障分析，自投入中性点小电阻接地设备以来，设备运行稳定，在发生单相接地故障时，保护可产生正确动作，切除故障。以2022年7月发生的一起单相接地故障为例，10kV线路发生A相接地，零序保护动作开关跳闸，无法正常实现重合。在巡检后阀芯，有树杈压在线路上，在处理后线路能够正常送出。通过对故障录波进行研究后发现，A相接地故障持续时间大约在580ms，故障期间母线变化相对较低。而在调度监控中心可观测到信号灯点亮，存在接地变温度告警与电流告警。由此可见，利用重合闸的校正处理，可实现重合成功，确保供电的可靠性。

其次要分析接地次数，自设备投运以来，变电站10kV配电网共发生7次单相接地故障，保护装置动作切除故障点为7次，动作正确率高达100%。而在投入运行以前，通过调度记录发现，每年因单相接地故障，试拉开关超过25次，操作开关消除接地故障的时长大约在70min。通过此类数据比对可看出，单相接地故障发生频率大幅度降低，能够为供电可靠性提供安全保障。

最后要探究对人身安全、机电保护设备、绝缘配合产生的影响。自10kV配电系统中性点实施小电阻接地，该变电站未发生过因单相接地故障引发接地电压、电弧烧伤等人员伤亡事故，也未对工作人员生命安全产生威胁。在通讯方面，以往的电力系统会在一定程度上受到电磁耦合、静电感应的影响。而在采用中性点小电阻接地后，即便出现单相接地故障，也不会对通信产生信号干扰，能够维持主控室电话系统正常，无信号失真的问题。

综上所述，通过以某地方城区10kV配网作为研究对象，阐述现阶段配电网存在的故障问题，并提出利用中性点小电阻接地的方式实现自动化变电站改造，以此维护配电网的安全运行，通过准确计算接地变容量、科学组配接地设备、开展系统的设备调试，进一步总结运行经验，促进电力企业经济效益与社会效益的增长。