（南京工程学院 211100）
摘要：近年来，随着配电网的不断发展，电缆线路比例不断攀升，导致容性电流大大增加，使得原有接地方式的弊端日益显露，使得某些电网存在消弧线圈容量不足、电弧难以熄灭、永久性接地故障增加等问题。着重分析了中性点不接地、中性点经消弧线圈接地及中性点经电阻接地三种接地方式的利弊，以如皋市10kV、35kV配电网为例，分别计算当前及未来的各区域容性电流变化，选择最佳的中性点接地方式。研究结果表明，如皋市10kV配电网由于电缆线路比例的增加，个别区域的容性电流已超过150A，在目前选择中性点经消弧线圈接地的情况下极有可能出现线圈容量不够的情况，在提出增容改造之外，提出一种灵活接地方式，从而提高配电网的供电可靠性。35KV配网应考虑到未来随着电缆率增加电流不断增加情况下的应对措施。
关键词：电缆；容性电流；中性点；接地方式；配电网
0.引言
随着电网的不断发展，我国10kV城市配电网大规模改造中使得城网的结构发生了很大的变化。电缆线路所占的比重越来越大, 城市输电线路越来越多地采用地下电缆线路，而城市周边的线路仍然以架空线为主，从而导致了电缆—架空线混合线路的大量出现，这将给配电网的运行带来了一系列的问题。其中，随着电缆的大量应用和线路长度的不断增加，将导致发生永久性单相接地故障下电容电流的增大，由此将造成非故障相过电压水平高、电弧难以熄灭、削弱供电可靠性等一系列问题。
本文将以如皋市配电网为例，着重分析10kV配电网的电缆运行对中性点运行方式选择的影响。详细分析比较多种接地方式，通过计算当前电缆-架空线混合情况下的接地电容电流，找出较为合理的中性点运行方式。并试图提出一种将电阻接地方式与消弧线圈接地方式灵活切换的构想，以优化中性点的运行方式。
1.中性点接地方式的比较
1.1中性点不接地方式
中性点不接地系统是一种较为简单的接地方式，如图1-1所示。
在三相对地电压作用下，三相分布电容中分别产生对地电容电流I1、I2、I3。在三相对地绝缘良好的情况下，三相导线的对地电容相等，可视为三相对称负载。此时，各相对地电容电流也是对称的，并且分别超前各相的相电压90°，三相对地电容电流的相量和为零，大地中无电容电流流过。所以，三相系统正常运行时，系统中性点的电位与大地电位相等，各相对地电压都等于电源的相电压，三相系统对称。
实际应用中，单相接地电容电流常用下列经验公式：[5]
由（1-1）、（1-2）得，单相接地电容电流与电网电压和线路长度成正比。在高电压、长距离输电过程中，若单相接地电容电流超过一定限度(3～10kV 电网为30A；35～60kV 电网为10A)，接地点就容易发生电弧周期性熄灭与重燃，形成断续电弧或间歇电弧。断续电弧在线路的电感和对地电容形成的振荡回路中引起谐振，产生过电压，可能击穿设备的绝缘。因此，中性点不接地方式主要适用于单相接地电流不超过30A 的3～10kV 供电系统和单相接地电流不超过l0A 的35～60kV 供电系统。
1.2中性点经消弧线圈接地方式
中性点经消弧线圈接地方式示意图如图1-2所示
实际应用中的消弧线圈实质上是带有铁芯的可调节电感线圈，消弧线圈对熄灭接地点的电弧有两个作用：一是利用自身产生的感性电流来补偿流经接地点的容性电流，由于两者电流方向相反，使得接地残流大大减小甚至为零；二是随着脱谐度的降低，恢复电压的上升速度变缓，使弧隙不易重燃，达到减缓电弧媳灭后接地点瞬时恢复电压的上升速度的目的，避免产生弧光接地过电压，保证电气设备安全可靠性运行。
在3～60kV 高压供电系统中．当单相接地电容电流超过相应的限度时中性点经电抗接地电网在单相接地时，短路电流通过中性点接地电抗造成的功率损失小，而且接感抗的话，感性电流在故障点可以补偿电容电流，减小故障点电流，有助于减少设备损伤，提高故障电弧的自熄能力。
1.3中性点经电阻接地方式
中性点经电阻接地系统，就是在中性点与大地之间接入一定阻值的电阻。该电阻与系统对地电容构成并联回路，由于电阻是耗能元件，在中性点经电阻接地的配网中，当接地电弧熄弧后，系统对地电容中的残荷将通过中性点电阻泄放掉，所以当发生下一次燃弧时其过电压幅值和从正常运行情况发生单相接地故障的情况相同，不会产生很高的过电压，可以有效地限制弧光接地过电压。中性点电阻也相当于在谐振回路中的系统对地电容两端并接的阻尼电阻，由于电阻的阻尼作用，基本上可以消除系统的各种谐振过电压。
其中，对于10kV、35kV城网中以电缆为主的电网，必要时可采用中性点经小电阻或中电阻接地。确定中性点运行方式时，必须全面考虑供电可靠性要求、单相接地时健全相的工频电压升高、单相接地故障电流对通信线路的干扰影响、单相接地时继电保护的灵敏度和选择性等。
2.实例说明如皋市10kV配电网中性点运行方式的选择
2.1接地电流的计算及接地方式的确定
以如皋市10kv电网为例，截止2013年，如皋市共有257条公用线路，其中架空线路206条，电缆线路51条。
其中共有10kV配电线路257回，总长度4197.09km，平均供电半径6.16km。平均单条线路配变装接容量11.15MVA。架空线路绝缘化率为3.64%，电缆化率为11.08%。专用线路19条，线路总长度为95.65km。
其中：B区共有10kV公用线路70条总长532.24km。其中电缆长度224.73km，电缆化率42.22%；平均单条线路装接配变容量11.31MVA/条，其中装接容量大于12MVA线路共33条，占总数的47.14%.
C区共有10kV公用线路24条总长334.28公里。其中电缆长度74.66公里，电缆化率22.33%；平均单条线路装接配变容量15.02MVA/条，其中装接容量大于12MVA线路共13条，占总数的54.17%。
D区共有10kV公用线路163条总长3330.57公里。其中电缆长度165.76公里，电缆化率4.98%；平均单条线路装接配变容量10.51MVA/条，其中装接容量大于12MVA线路共60条，占总数的36.81%。
电网单相接地的电容电流可用下式进行计算[8]
表2-1 2013年如皋市10kV线路导线主干截面分布
根据表2-1所给数据，可分别算出B、C、D三区的单相接地电流：
由表2-2可以算出，B区母线上出线电容电流为262.19A，若此区域全为架空线，则该区域电流为2.80A，足足下降了98.93%；
C区母线上出线电容电流为20.83A，若此区域全为架空线，则该区域电流为1.86A，下降了91.07%；
D区母线上出线电容电流为113.51A，若此区域全为架空线，则该区域电流为15.80A，下降了86.35%。
由此可见，现如今电网中多采用的架空—电缆混合线路，会使线路中的容性电流大大上升，当发生接地故障时，单相接地时所产生的接地电流将在故障处形成电弧。电弧的大小与接地电流成正比。当接地电流不大时，则电流过零值时电弧将自动熄灭，接地故障随之消失，电网即可恢复正常运行；但是，当接地电流较大时（30A以上）时，将形成稳定的电弧，造成持续性的电弧接地，强烈的电弧将会烧坏附近的设备；当接地电流与5—10A而小于30A时，有可能形成一种不稳定的间歇性电弧，呈现熄弧与重燃交替的状态；这种电弧将引起较严重的过电压，造成对地电压升高，当存在绝缘薄弱点时，可能发生击穿而造成短路。
根据《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》中规定：3-10kV架空线路构成的系统和所有35、66kV的电网，当单相接地电流大于10A时，应装设消弧线圈；对于3-10kV电缆线路构成的系统，单相接地电流大于30A，应装设消弧线圈[2]。
由于B,D区的出线单相接地电容电流超过30A，同时结合如皋市配电网中性点接地方式运行现状，建议采用消弧线圈接地方式，故应装设消弧线圈。
2. 2消弧线圈容量的计算
事实上，如皋市10kV配电网实际采用的是中性点经消弧线圈接地。线路中消弧线圈所需容量可根据下列公式计算求得[6]
根据表2-1-2中计算得出的电容电流，可以计算出不同类型线路所需要的消弧线圈容量：
必须指出的是，消弧线圈接入线路，必须采用过补偿的方式，及消弧线圈中的感性电流必须高于电容电流，因为线路电容电流的大小与线路长度有关，线路越短，电容电流越小。线路在运行中，可能因保护动作而切除部分线路，形成线路电容电流减少的情况，而我们采用过补偿的设定，即使线路减少，也总能够保证过补偿。
2. 3 未来如皋市10kV配电网电容电流估算及中性点选择
如皋2017-2018年10kV公用电网共新建线路38条，新建架空线路总长度512.05km，电缆线路总长度13.2km；共改造线路74条，改造架空线路总长度276.786km，电缆线路总长度13.159km。
如皋10kV新建线路规模详见表2-1-4
根据上表，可以根据下列估算公式[6]
估算未来三年内如皋市10kV配网电容电流增量：
由上表可知，未来三年内，B区电流将大大超过150A，D区电流也将逼近150A，根据《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》中的规定，当电容电流大于150A时，通常选择电阻接地[7]。
在未来由于馈线长度的增加，电容电流将会超过150A，此时通过消弧线圈补偿存在较大困难。如果消弧线圈容量不足，无法保证足够的过补偿度，极易造成严重的串联谐振过电压，即使调到欠补，如系统断线极易产生幅值比较高的断线谐振过电压，理论上讲最高可达到8.6倍相电压，严重威胁着系统安全。对自动跟踪消弧线圈来说容量不足就无法自动调谐到残流最小的最佳工作点，从而影响消弧线圈的灭弧功能。现提出两种解决方案：
首先，考虑增容改造。增容改造方案要根据具体情况因地制宜的进行，大体上有下列几种做法供参考：
1、如果容量不足的消弧线圈已运行多年，设备技术状况又不很好时，就要采取更新的办法，最好选用改进型性能比较稳定可靠的自动跟踪式消弧线圈系统，为安全准确的调谐打基础，将使消弧线圈的功能得到充分的发挥。
2、如果运行的消弧线圈，运行年限又不长，技术状况良好时，可以在系统内调整使用，对老式消弧线圈适当改造，增设阻尼和内过电压保护部分以提高消弧线圈功能，以免造成设备的积压。
3、如果容量不足的消弧线圈，运行年限不长、技术状况又良好。系统内又无法调整使用时，对于10kV配电网，可采取如下措施：
这种系统的消弧线圈必须配套接地变压器接入系统，如果容量不足时，对于老式消弧线圈系统，应增加一台自动跟踪的消弧线圈系统；布置方式可同地布置也可异地布置。这样整个系统改造为自动跟踪、自动调谐系统，技术水平大幅提高。
建议进行灵活接地方式的改造，即采用控制器完成两种接地方式：中性点经消弧线圈接地、经小电阻接地的切换与控制，其核心为控制器能够准确检测电网运行状态，并能够在电网发生永久性故障时可靠切除故障线路[7]。
当电网处于正常运行时，自动调节消弧线圈处于过补偿状态，此时接地电阻退出运行；控制器实时监测电容电流，完成消弧线圈自动调谐。
当电网发生瞬时接地故障时，控制器经判定不发出电阻投切指令，消弧线圈自行补偿电容电流；当发生永久性接地故障时，控制器经判定后发出电阻投切指令。但这种接地方式在实际应用中仍存在不足：控制器仅使用单一零序电压判据，易造成误动作。未对接地方式切换电阻投切时刻进行选择易对电网造成过电压冲击；未对电阻投切回路故障、高接借地、短时间内多次发生瞬时性故障等特殊情况进行判断与处理，影响电网的可靠运行。因此需要完善控制器的设计，并充分考虑电网在实际运行中可能出现的极端情况。由于本文主要着重于中性点接地方式的选择，对于这种灵活接地方式仅仅提出一种构想，具体有关控制器设计方面的问题本文不做赘述。
3.结语
随着配电网的进一步发展，电缆率的不断上升，单一的中性点接地方式的弊端日益显露。对于如如皋市配电网这样的情况，单一的经消弧线圈接地方式已经远远不能满足，所以应实际出发，根据电压等级的高低、系统容量的大小、线路的长短和运行气象条件等因素，权衡利弊、因地制宜地选用合适的接地方式，达到最好的工程效果。
参考文献
[1]张勇军，李启峰等.220/20kV电压序列的技术经济性分析[J].电网技术，2011,35（8）：156-160.
[2]马勇，魏旭，周志成等.配电网灵活接地方式运行特性的仿真研究[J].江苏电机工程，2011,30（4）：26-29.
[3]朱维明，徐建强，仇群辉等.关于20kV配电网灵活接地方式若干问题的探讨[J].浙江电力，2012,33（1）：54-56.
[4]盛方正，王文成，华月申.35kV变电站中性点接地方式研究[J].上海电力，2011,40（4）:335-338.
[5]于兆丽.供电系统中性点的运行方式研究与运用[J].2013,15(9):154.
[6]姚春球.发电厂电气部分[M].中国电力出版社，2014.
[7]赵张磊，20kV配电网中性点灵活接地方式研究[D].南京：南京工程学院，2015.
[8]陈珩.电力系统稳态分析[M].北京：中国电力出版社，2013.
[9]蔡雅萍.10kV配电网中性点灵活接地方式及接地故障检测系统的研究[D].北京：中国电力科学研究院，2002.
[10]肖遥.配电网电容电流影响及补偿研究[D].郑州：郑州大学，2014.
[11]周远芳.110/20kV变电站设计中相关技术问题研究[D].浙江：浙江大学，2011.
[12]傅知兰.电力系统电气设备选择与实用计算[M].北京：中国电力出版社，2004.
[13]中华人民共和国电力行业标准.《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》DL/T620-1997[S].电力工业部，1997.
[14]H.S.Behera,P.K.Dash.Power quality time series data mining using s-transform and fuzzy expert systerm.Appl.Soft Computer,Vol.10,No 3,PP.945-955,Feb.2010.
[15]Shinji Shinnaka.A novel fast-tracking d-estimation method for single-phase singnals.IEEE Transactions on Power Electronics,Vol.26,No.4,PP.1081-1088,April 2011.
[16]殷莎.宁波地区中性点配电网接地方式的探讨及应用[D].北京：华北电力大学，2014.
[17]杜忠宝.10kV配电网中性点运行方式的选择[D].南京：河海大学，2006.
作者简介
项目号:214145214301580，项目名称:10kv混合馈线配电网关键技术问题研究。
论文作者:倪爽,胡明澈
论文发表刊物:《电力设备》2016年第2期
论文发表时间:2016/5/23
标签：电流论文; 弧线论文; 过电压论文; 电容论文; 线路论文; 方式论文; 电弧论文; 《电力设备》2016年第2期论文;