杨 帆1,2，沈 煜1,2，周志强1,2，杨志淳1,2，王 珂1
（1.国网湖北省电力公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077；2.国家电网公司高压电气设备现场试验技术重点实验室，湖北 武汉 430077）
[摘 要] 中性点接地方式是涉及到技术、经济和安全等多个方面的综合问题，具有理论研究与实践经验密切结合的特点，也是配电网系统实现安全与经济运行的基础之一。从供电可靠性与设备及人身安全两个维度对配电网中性点不同接地方式的影响及适应性进行了比较分析，并指出了经消弧线圈接地及经小电阻接地两种方式下需重点考虑的问题，为配电网中性点接地方式及其相关设备的选择提供依据和参考。
[关键词] 配电网；中性点接地方式；消弧线圈；小电阻接地；供电可靠性；设备及人身安全
在配电网的规划设计和建设改造过程中，中性点接地方式的选择是需要解决的基本技术问题[1]，且是与诸多因素相关的综合问题。不同地区、设备水平、网架结构以及规模的配电网，其中性点接地方式的限制因素差异明显。配电网中性点的接地方式也随着配电网结构、系统电容电流、供电可靠性要求以及保护、消弧技术的发展在不断改进。国内早期主要采用不接地及经消弧线圈接地。近年来，城市电网电缆化率逐步提升导致系统电容电流不断增长，上海、天津、广东等地区逐步试点中性点经小电阻接地方式的改造与建设。因此，随着城市配电网规模的不断扩展，以及对设备人身安全、供电质量和可靠性要求的不断提高，中性点接地方式的选择作为影响配电网发展的重要因素，是当前亟待研究与论证的问题。
根据我国相关国家标准的规定[2]：在系统或指定部分的各点上，零序电抗与正序电抗之比不大于3，且零序电阻对正序电抗之比不大于1时，该系统或该部分是中性点有效接地方式，否则是非有效接地方式。而根据单相接地故障电流的大小，又可分为需要断路器遮断短路电流的大电流接地方式与接地电流可自熄弧的小电流接地方式[3]。
我国配电网中性点主要采用三种接地方式：中性点不接地、中性点经消弧线圈接地和中性点经低电阻接地。根据国网公司企业标准，对于10 kV配网中性点接地方式，当单相接地故障电容电流在10 A及以下，宜采用中性点不接地方式；超过10 A且小于100～150 A时，宜采用中性点经消弧线圈接地方式；超过100～150 A以上，或以电缆网为主时，宜采用中性点经低电阻接地方式。
图1所示为中性点几种典型接地方式下，单相（A相）接地故障的复合序网络图，其中，Z1、Z2、Z0分别为系统的正序、负序、零序阻抗，Zf为故障点的过渡电阻，Xc为系统总对地电容值，Rn、Ln分别为经小电阻接地与经消弧线圈接地方式下的电阻值与感抗值。
图1 单相接地故障复合序网图
Fig.1 Compound sequence network of single-phase grounding fault
则单相接地故障电流为
故障后各相电压为
式中，U̇AN、U̇RN、U̇CN分别为 A、B、C 相故障前相电压。
不同中性点接地方式的区别主要体现在复合序网中零序阻抗Z0的不同。中性点不接地系统，零序阻抗为系统本身对地电容；中性点经消弧线圈接地，零序阻抗为消弧线圈与系统对地电容的并联；中性点经电阻接地系统，零序阻抗为中性点电阻与系统对地电容并联。上述差异导致不同中性点接地方式下的非故障相工频过电压及单相接地故障电流不同。
配电网中性点接地方式的选择是一项综合性的技术问题，应从实际情况出发，根据电容电流，统筹考虑负荷特点、设备绝缘水平以及电缆化率、地理环境、线路故障特性等因素，综合权衡利弊。本文从供电可靠性、设备及人身安全两个维度对中性点经消弧线圈接地和小电阻接地两种接地方式的特点进行比较分析。
在中性点经消弧线圈接地方式下，发生单相接地故障时，消弧线圈通过产生零序感性电流对系统的零序容性电流进行补偿，一方面将补偿后故障点残流减小至允许范围之内，降低其建弧率；另一方面通过降低故障相接地电弧两端电压的恢复速度来减小电弧重燃发生的概率[4]。
对于单相接地后系统的工频过电压，由前述分析可知，与接地点的过渡电阻、故障点发生的位置及中性点接地方式等因素相关，经消弧线圈接地方式下，健全相工频过电压最大一般为线电压或稍高于线电压，因此采用此类接地方式，系统绝缘水平应按线电压考虑。但健全线路若长时(2 h)运行在线电压下，极易引发绝缘薄弱点的击穿造成相间短路故障，且加大了因人体接近与接触配电网导体或坠地导线引起的人身伤害风险。
此外，与中性点不接地系统相比，发生单相接地后的零序回路中，消弧线圈的感抗与电压互感器的感抗是并联关系，从数值而言，消弧线圈的感抗比电压互感器的励磁电抗小的多，因而零序回路中的总电抗取决于消弧线圈的感抗，因此可有效避免PT谐振及故障电流经电压互感器由故障线路向非故障线路充放电过程所造成的PT烧损。但对于因不对称运行引起的谐振过电压，以及由此导致的“虚幻接地”问题，其难以从根本上抑制。
对于瞬时性故障，经消弧线圈接地方式下，特别是采用具有自动跟踪补偿功能的消弧线圈时，由于故障点接地残流可控制在较低水平，大多数瞬时性电弧均能可靠熄灭，不会发展成为永久性接地故障，亦不会影响供电可靠性。因此，此类接地方式，对于提高以瞬时性接地为主的架空网络供电可靠性，具有一定优势。
对于永久性故障，中性点经消弧线圈接地方式下，虽然健全相对地电压升高，但三相线电压仍然保持对称和幅值不变，因而可带故障运行2 h。调度及运维人员可以在此段时间内提前隔离故障，并转带负荷，理论上不影响连续供电。然而，由于小电流接地方式下，单相接地故障特征不明显，特别是经消弧线圈补偿后，零序工频电流稳态量将进一步降低，选线难度较大，实际作法中往往采用人工轮切馈线的方式进行选线，准确率受随机因素影响较大，特别当发生同一母线两条出线同时发生单相接地时，需断开所有出线，在一定程度上扩大了故障影响范围。因此，从某种意义而言，缺少可靠的小电流接地故障选线及区段定位手段是制约采用此类中性点接地方式下供电可靠性提升的重要技术瓶颈。
在中性点经小电阻接地方式下，发生单相接地故障时，电阻与系统对地电容构成并联回路，电阻是耗能原件，也是零序残余电荷的释放元件，在电弧燃熄过程中系统积累的多余电荷再从电弧熄灭到重燃前的一段时间内（半个工频周期）通过接地电阻泄放，从而抑制电弧重燃及其引起的弧光过电压[5]。
在经小电阻接地方式下，系统工频过电压水平相比于经消弧线圈接地方式更低，且保护迅速动作于跳闸，持续时间短，一次设备的绝缘水平可按相电压选择，对设备安全有利。
然而，相较于经消弧线圈接地方式，由于故障点电流显著增加，一方面增大了故障特征量，易于与保护实现配合，快速切除故障，但另一方面，当零序保护拒动或不及时动作，将危害故障点附近的绝缘，导致相间故障，此外，因故障电流过大引起的通信干扰及跨步电压与接触电势造成的人身风险亦应综合考虑，总体而言，应尽可能缩短故障切除时间。
无论是瞬时性故障还是永久性故障均会造成线路跳闸，势必造成线路跳闸次数增多，造成线路的短时停运。与消弧线圈不同，采用此种中性点接地方式，对于瞬时性故障只能依靠重合闸投入来进行清除。
而对于架空线路而言，绝大部分接地故障由雷电、树枝碰线以及污秽造成绝缘子闪络等原因引起，这些故障中瞬时性占据一定比例[6]。根据广东电网的统计结果，该辖区某110 kV变电站一年共发生159次单相接地故障，其中148次为小于10 s的瞬时性故障，占比93%[7]。因此对于以架空线路为主的配电网络，采用小电阻接地方式，将对供电可靠性造成一定影响。
对于以电缆线路为主的配电网络，传统认为其故障类型以永久性故障为主，随着当前城市配网网架结构的逐步完善、配电自动化的覆盖区域及实用化水平不断提升，保护快速跳闸对供电可靠性的影响理论上可通过故障段的及时隔离、转供予以保障，但对于部分电压质量敏感用户，因短时供电中断带来的影响亦需综合考虑，合理评估。
1）加强系统母线电容电流的实测，在架空线路入地改造、用户专线电缆报装、配电线路切改等工程实施后均要跟踪实测母线电容电流变化，确保消弧线圈补偿容量满足将故障残流限制在10 A以下的水平。
2）加强消弧线圈装置的验收与日常运维，在交接验收阶段，应进行整套调试，包括控制器模拟试验、电容电流跟踪校核试验及控制器交流电压及电流测量误差试验。在日常运维阶段，需定期巡视检查消弧线圈控制器是否有故障信息报出，记录电容电流、故障点残流、脱谐度、中性点电压及电流，并对照后台显示的数值是否与控制器一致，确认消弧线圈是否运行于正常工作状态。
近年来，小电流接地选线与区段定位技术已取得突破，随着配电自动化实用化水平的不断提升，已明确提出结合新型配电线路故障指示器的应用，采用暂态录波法、暂态特征法、外施信号注入法等多种技术途径解决小电流接地选线及区段定位问题，实现就近快速判断和隔离永久性单相接地故障功能，以适应采用经消弧线圈接地方式下，精准切除故障区段，及时消除接地故障的需求，避免沿用盲目“试拉”的方式扩大停电影响范围，以及因长时带故障运行对设备及人身安全造成的影响。
从考虑抑制间歇性弧光过电压的角度而言，根据有关仿真计算、实际模拟以及国内外大量应用经验表明表明[8]，中性点经小电阻接地系统的过电压水平随着单相接地故障情况下流过中性点电阻的额定电流IR的增加而降低。当IR≈IC时，过电压水平降到2.5 p.u.以下;当IR≈2IC时，过电压水平降到2.2 p.u.以下;当 IR≈4IC时，过电压水平降到2.0 p.u.以下。当IR进一步增加时，则抑制弧光过电压的效果不会发生太大变化。因此，中性点接地电阻的取值通常按照式（3）进行计算。
式中:R为中性点电阻值；Un为系统相电压；Ic为系统电容电流。
接地电阻的选取还需考虑接地故障电流的大小应控制在一定范围。从保证继电保护灵敏度考虑，电阻值越小则接地故障电流越大，反馈到继电保护输入侧的特征量越明显，但接地故障电流过大会对通信线路以及人身安全带来影响。根据国家电网公司企业标准的要求，对于35 kV及以下中性点经小电阻接地的配电系统，故障电流应控制在1 000 A以下。因此，接地电阻的选择要综合考虑上述两项因素，合理制定。
现有配电变压器大多采用防雷接地、高压系统金属外壳的保护接地及低压系统的工作接地三点接入共点的方式。若配电变压器单相高压侧对外壳击穿时，则高压侧故障电流因接地电阻产生的电位升高，因保护接地与工作接地共点，加之民用建筑低压系统中常采用的TN-S接线方式，接地装置上产生的电压将沿低压侧中性线传递到用电设备的金属外壳上。
在中性点经消弧线圈接地方式下，由于故障电流较小，即使因低压侧接地与保护接地共用，对人身而言亦是相对安全的。在中性点经小电阻接地系统中，由于故障电流增大，若高压侧的故障电流未能及时切除，将导致低压设备金属外壳产生危险的对地电位。如果电气装置位于建筑物内，且建筑物内有总电位联结时，人体在伸臂范围的所有金属外壳都是同一个电位，没有电位差，理论上不会发生触电事故。因此，采用中性点经小电阻接地方式时，应务必做好建筑物内保护总等电位联接，降低人身触电伤害风险[9]，或者将配电变压器工作接地与保护接地分开设置，从根本上解决高压侧故障电流传递到低压侧所带来的风险隐患。
对于全电缆线路而言，一般不配置重合闸，主要考虑运行过程中电缆线路发生的故障一般为永久性故障，重合闸操作带来的短路冲击和操作过电压，将对设备带来损伤，使事故进一步扩大。但根据公开文献[3]报道，电缆的瞬时性故障比例超过30%，其主要故障类型为电缆接头及终端处的闪络性高阻故障。此外，对于电缆网络，与之相连接的配变、避雷器及用户内部设备亦可能发生瞬时性故障。因此，针对电缆线路重合闸的配置策略是否考虑“一刀切”，亦或是混联线路中电缆线路占多大比例时应配置重合闸，是经小电阻接地方式下需考虑与论证的问题。
若实施消弧线圈改低电阻接地方式，宜根据电容电流数值、供区发展规划、线路类型等因素，成片进行改造，避免同一供区同时存在两种中性点接地方式的运行方式，不利于负荷转供。此外，实施改造时，用户侧和系统侧应同步实施，在变电站相应的接地变、出线及开闭所（配电室）的馈线侧与进线侧同步配置零序保护，并同步整定与校核定值。
1）经消弧线圈接地方式，能够避免因瞬时性接地故障引起的跳闸率增高问题，推荐用于以瞬时性故障为主的架空线网络，可在相当程度上保障其供电可靠性。
2）小电阻接地方式，能够有效降低单相接地故障引起的工频过电压、弧光过电压，从根本上抑制PT谐振、不对称运行引起的谐振过电压，故障持续时间短，对于设备绝缘水平要求相对较低，且能够在一定程度上满足系统电容电流不断增长的实际情况，推荐用于以永久性故障为主的电缆网络。
3）从设备及人身安全角度出发，无论对于经消弧线圈接地还是小电阻接地，都应结合有效判别技术，快速判断与隔离永久性故障区段，避免长时带故障运行扩大故障及其影响范围。
4）中性点经消弧线圈并联电阻接地方式保留了经消弧线圈接地补偿故障点残流，能够抑制瞬时性故障的优点，同时也继承了经电阻接地方式下，故障特征量突出，易于实现继电保护配合及故障选线与区段定位的优势[10]，在我国南方地区已逐步推广应用，并积累了大量运行经验，具有一定的推广价值与前景，可应用于架空-电缆混联线路中电缆比例不超过50%，且对供电可靠性要求较高的配电网络。
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Adaptability Analysis and Selection of Neutral Grounding Mode of Urban Distribution Networks
YANG Fan1,2，SHEN Yu1,2，ZHOU Zhiqiang1,2，YANG Zhichun1,2，WANG Ke1
（1.State Grid Hubei Electric Power Research Institute,Wuhan Hubei 430077,China;2.Key Laboratory of High-Voltage Field-Test Technique of SGCC,Wuhan Hubei 430077,China）
[Abstract]Neutral grounding mode involves many aspects including technology,economy and safety,with the characteristics of theoretical research closely combined with practical experience,which is one of the foundation for the security and economical operation of the power distribution system.From two dimensions of the equipment and personal safety and power supply reliability of the distribution network,neutral point grounding effect and adaptability are analyzed in this pa⁃per,and?the problems that need to be considered in the two ways of grounding?are pointed out,which provides reference for the neutral grounding of distribution power network the way and the se⁃lection of related equipments.
[Key words]distribution network;neutral grounding mode;arc suppression coil;small resistance grounding;power supply reliability;equipment and personal safety
[中图分类号]TM862
[文献标志码]A
[文章编号]1006-3986(2016)11-0018-05
DOI:10.19308/j.hep.2016.11.004
[收稿日期]2016-10-08
[作者简介] 杨 帆（1982），男，辽宁营口人，博士，高级工程师。
[基金项目] 国网湖北省电力公司科技项目(52153216001F)。
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