配电网中性点经高阻接地安全性能的分析报告

./摘要本论文主要阐述了配电网中性点经高阻接地的可行性,并对高阻接地的安全性进行了论述,通过安全性的分析可知从过电压情况来看,中性点不接地方式最高,对于电气设备的绝缘有较大的威胁；采用消弧线圈的接地方式,仍不能减小电弧接地过电压,因而最好采用中性点经高电阻接地方式。从实现继电保护的难易程度看,中性点不接地方式比较难,若采用消弧线圈接地方式则更难；因此最好采用中性点经高电阻接地方式。从人身安全的角度看RN=1／3ωC0,人身触电电流将要大大增加,对安全不利；不仅如此,单相接地电流增大,对安全也没有好处,将会增加煤矿瓦斯煤尘爆炸的可能性。因此,对于煤矿井下来讲,最好是RN取较大数值。关键词：配电网络中性点高阻接地安全性能分析。AbstractThispapermainlyexpoundsthedistributionnetworkneutralpointviahighresistancegroundingisfeasible,andthehighresistancegroundingsafetywerediscussed,throughsafetyanalysisfromovervoltageconditions,neutralpointgroundingmodeishighest,forelectricalequipmentinsulationtoagreaterthreat;adoptingarcsuppressioncoilgrounding,stillcannotreducethearcgroundingovervoltage,thusthebestuseofneutralpointviahighresistancegroundingmode.Fromtheimplementationofrelayprotectiondifficultydegree,neutralpointgroundingmodeismoredifficult,ifthearcsuppressioncoilgroundingmodeismoredifficult;thereforeitisbesttoadoptneutralpointviahighresistancegroundingmode.FromthepersonalsafetyofangleRN=1/3WC0,personalelectricshockcurrentwillincreasegreatly,adversetosafety;notonlysuch,single-phasegroundingcurrentisincreased,thesecurityisnotgood,willincreasethepossibilityofcoalminegasandcoaldustexplosion.Therefore,forthecoalminewelldowntotalk,itisbesttotakealargervaluesofRN.KEYWORD：DistributionnetworkneutralpointHighresistancegroundingSafetyperformanceanalysis目录TOC\o"1-4"\h\z第一章绪言1第一节电力系统中性点接地的种类与特点2第二节目前中压系统中性点运行方式存在的问题2第三节中性点经高电阻接地运行方式的工作原理和实现方式3第二章采用高阻接地的可行性5第一节中性点经高电阻接地特点与影响5第二节高阻接地方式和低阻接地方式的比较7第三章电网中性点经高阻接地时的过电压试验9第四章中性点电阻值的选取原则12第五章结论15结束语16谢辞17参考文献18.第一章绪言中性点经电阻接地在国外从上世纪40年代已开始使用。从1995年XX某电气公司率先从美国PGR公司引进中性点接地不锈钢电阻器,《FNGR系列配电网中性点接地电阻柜》产品先后在XX,XX,,XX,XX,XX等地区供电局与石化,钢铁,地铁,发电厂行业使用。通过2000台/年电阻柜的使用表明,其性能先进可靠。随着国民经济的发展,某些城市与部分企业的供配电网已改变了过去以架空线路为主的局面,而是以电缆线路为主。同时,一些结构紧凑的封闭式设备<如SF6开关柜>、聚乙烯电缆与氧化锌避雷器的广泛应用,使原有的非有效接地方式,已不能适应当前电力系统的发展需要。基于以上情况,我国个别地区的配电网络中性点已采用经低电阻接地的运行方式。这种接地方式可以降低单相接地时的暂态过电压,消除弧光接地过电压,使用简单的保护装置就能迅速选择故障支路,消除故障。但是,随着带来线路跳闸频繁、断路器维护工作量的增大与人身触电电流的增大,直接影响到供电系统的可靠性与安全性。从国外电网的发展来看,美、日等国家采用低电阻接地方式居多,并认为低电阻接地是今后的发展趋势。我国从西方国家引进的成套工厂设备,高压配电系统都采用低电阻的接地方式。从国内来说,目前电力系统正在制定电阻接地的有关措施,并将逐步实施。我们通过试验研究后认为,采用中性点经低电阻接地的方式,并不一定是适合我国城市或企业配电网发展的最佳方式；目前,电力系统尚有不同的观点和做法。因此,我们将通过下面的模拟试验,对中性点接地方式的有关问题作进一步的研究与探讨。第一节电力系统中性点接地的种类与特点电力系统中性点接地的种类与特点电力系统中性点的接地方式可分为两大类,即大电流接地方式和小电流接地方式,而大电流接地方式又可细分为中性点直接接地和中性点经小电阻接地；小电流接地方式可细分为中性点不接地、中性点谐振接地和中性点经高阻接地。当接地故障发生时,限制非故障相的工频过电压水平与限制单相接地故障电流是矛盾的两方面,两者很难兼顾。综合考虑经济与技术因素,我们认为在电网中,对于电压等级较高的电力系统,其主要矛盾是限制工频电压的升高和降低绝缘水平；而对于电压等级较低的电力系统,主要矛盾则转化为限制单相接地故障电流的危害性,而降低绝缘水平则成为次要矛盾,这是电力系统求得最佳技术经济指标的理论基础。对于中压电网而言,电力设备绝缘强度受经济因素的制约作用相对较小,工频电压升高的不良影响明显降低,因此限制单相接地故障电流与其一系列危害作用的任务就显得十分重要,对于低压电网主要限制人身触电电流和对故障相的检测就尤为重要。影响中性点接地方式的因素很多,本文不可能对各种因素逐一全面研究,只能针对电缆供电的特点,着重对一些影响中性点接地方式的安全问题进行研究；主要对高阻接地情况下的参数选择进行分析比较,以寻求更为合理的中性点接地方式。第二节目前中压系统中性点运行方式存在的问题根据原水利电力部颁发的《电力设备过电压保护设计技术规程SDJ7-79》中的明确规定,从20世纪50年代至80年代中期,我国各地中压系统的中性点都已逐步改造为采用不接地或经消弧线圈接地两种运行方式。从80年代中期起,我国许多大中城市〔京、沪、穗、深等〕在10kV配电网中开始采用低电阻接地方式。中性点不接地方式因其中性点是绝缘的,电网对地电容中储存的能量没有释放通路。在发生弧光接地时,电弧的反复熄灭与重燃,也是向电容反复充电的过程。由于对地电容中的能量不能释放,造成电压升高,从而产生弧光接地过电压或谐振过电压,对设备绝缘造成威胁。中性点经消弧线圈接地方式,若采用自动跟踪补偿,消弧线圈价格昂贵,而手动的传统消弧线圈则主要存在以下问题：一是调节不方便,必须退出运行才能调分接头,且无载分接开关,靠人工凭经验操作实现过补偿比较难。二是因电网发生单相接地的故障是随机的,无法实时监测电网电容电流,无法对运行状态做出准确判断,寻找发现故障点比较难,也很难保证失谐度和中性点位移电压满足要求。三是随着电网规模的扩大,要求变电站实行无人值班,如果电网运行方式经常变化,手动的消弧线圈不可能始终运行在最佳档位,消弧线圈的补偿作用不能得到充分发挥,也无法一直保持在过补偿状态下运行。中性点经低电阻接地的方式,特别是以架空线为主的配电网单相接地时,跳闸次数会大大增加,如果未能实现环网供电或线路没有装设重合闸,则停电次数将会增加,降低了供电可靠性。实际上,在我国曾推广该方式的几个城市,因供电可靠性的下降和人身伤亡事故的增多,早已进行了限制,有些甚至彻底更改为谐振接地。显然,只有更好地限制单相接地故障电流,降低接触电压和跨步电压,以保障人身设备安全、电磁环境和提高供电可靠性等,这才是中压电网合理的接地方式。鉴于此,中性点经高电阻接地运行方式是值得推广的一种。第三节中性点经高电阻接地运行方式的工作原理和实现方式中性点经高电阻接地的运行方式,按美国IEEE142-1991标准规定,是在中性点与大地之间有目的地接入较高电阻值的电阻,以限制接地故障电流到10A或以下。该高阻的设计应满足使单相地故障时的电阻电流被限制到等于或略大于系统总电容电流,即IRN≥3ICO。由于电阻是耗能元件,也是电容电荷释放元件和谐振的阻压元件,对防止串联谐振过电压和间歇性电弧接地过电压,有很好的抑制作用。显然,RN越大,则Ijd越小。按单相接地电流选取RN,应保证最大的接地电流满足开断容量的要求,且留有一定的裕度。一般应控制单相接地电流小于三相短路电流,最小单相接地电流应满足接地继电器灵敏度的要求。高电阻接地实现的方式：根据中压系统变压器绕组的联结组别不同,高电阻接地的实现方式也不同。若绕组为Ｙ形接法,可直接在中性点与大地公共接地装置之间接一电阻元件,其阻值RN＝100Ω～400Ω,具体量值按RN≤XCO/3进行选择；若主变绕组为Ｄ接法,则需要制造人为中性点。主要有以下几种具体接线方式：一是Z型线圈＋高压电阻接线方式,即利用Z型变压器中的人造中性点与高压电阻相连,电阻的另一端接地。二是Z型线圈＋单相接地变压器＋低压电阻接线方式,即利用Z型变压器中的人造中性点与一单相变压器连接,变压器低压侧并接一低压电阻。三是N,d〔开口〕＋接线方式,即将N,d联结变压器的三角形侧开口并接低压电阻。当系统正常运行时开口处电压为0,当系统单相接地时电压为三相电压之和。第二章采用高阻接地的可行性应用原理：利用电阻的耗能和阻尼作用,降低系统的弧光接地、谐振与操作过电压水平。中性点高值电阻器接地系统是限制接地故障电流水平为10A以下,高电阻接地系统设计应符合每相零序电阻Ro≤Xco每相对地容抗准则,以限制于间歇性电弧接地故障时产生的瞬态过电压。第一节中性点经高电阻接地特点与影响1、中性点经高电阻接地特点：a、限制暂态过电压在2.5倍额定相电压以下。b、有效地限制间歇性弧光接地过电压；c、有效地消除谐振过电压；d、降低各种操作过电压；e、可准确判断并与时切除故障线路；〔或按矿业系统的特殊要求也以带电连续运行。〕f、系统设备承受过电压水平低、时间短。可适当降低设备的绝缘水平,提高系统设备的使用寿命。具有很好的经济效益；g、有利于过氧化锌避雷器MOA的应用；降低雷电过电压水平；h、提高系统安全、可靠运行水平；i、适应系统对地电容电流较大X围变化,电阻不需调节；j、设备简单、可靠,投资比消弧线圈接地方式少,使用寿命长。以上是高电阻接地装置在各个行业运行经验中总结的实际情况。尤其能有效的限制了系统过电压幅值。2、当发生单相接地时,如何选择故障线路。这是选用高阻接地方式与变电站综合自动化保护的基本配合。a、采用定<不同>时限零序过电流保护或单相接地、零序保护方式可以准确判断出故障线路,实现有选择性的断开故障线路。b、单相接地故障零序保护的配置:每条馈线首端配置限时零序电流保护;线路末端有开关站时,开关站的进线；和出线上也装设零序电流保护,保护动作跳闸。c、主变压器低压侧进线间隔装设反映单相接地故障的零序保护,作为母线单相接地故障的主保护和馈线单相接地的后备保护；d、对电容电流过小、接地过渡电阻较大的架空线路当保护灵敏度不够时,可采用单相接地方向过电流保护。e、环网供电的馈线,用户端不装设单相接地零序保护。3、从保护整定考虑：当某一条线路发生接地故障时,其接地故障电流为I02=IR2+〔IC－I2〕2,I2为故障线路本身的电容电流,与整个系统总的电容电流相比,计算时可以忽略。所以I02≈〔IR2+IC2〕从保证继电保护灵敏度考虑,电阻值越小即流过电阻的电流越大越好。目前的微机保护一般都有零序保护功能,且启动的电流值相当小,单相接地故障电流远大于每条线路的对地电容电流,一般都能满足零序保护的灵敏度要求。因此,按照继电保护灵敏度和接地过渡电阻来考虑,选择较小的电阻电流IR,在保护整定时可确保继电保护的灵敏度和可靠性。4、选用高阻接地方式对通信的影响：从降低对通信的干扰考虑,流过电阻的电流不宜选的过大。我国四部协议规定,如通信电缆与大地间未装放电器时,危险影响电压不得大于430V；对高可靠线路不大于630V；而采用高电阻接地方式后,发生单相接地故障时,故障电压可控制在200V以内完全没有问题；这样就不会对通信线路造成任何影响。5、人身安全考虑：从人身安全考虑,中性点接地电阻的通流越小越好。因为中性点经低电阻接地在发生单相接地故障时,通过故障点的接地短路电流比较大,引起故障点地电位升高,有可能造成跨步电压,接触电势超过允许值。因此在选择电阻值时,把故障电流控制在10A以下,应根据地网接地电阻,保护动作时间,接地短路电流核算跨步电压和接触电势都没有超过规程。根据全国许多实践经验,并未因采用高电阻接地造成跨步电压和接触电势过高产生人身事故,因此选择高电阻通过小电流是较为适宜的。我国城市配电网自上世纪80年代末期开始采用中性点经电阻接地方式,1997年已将中性点经电阻接地方式写入我国电力行业规程,并得到迅速推广。应用在各个行业例如：各大城市供电局、发电厂、地铁、机场、港口、钢铁厂、石化厂等等。运行实践证明,中性点经电阻接地对降低系统过电压、提高系统运行的可靠性和安全性具有良好的效果。由此可见配电网中性点经电阻接地完全符合电气设备的正常运行和维护同时,配电网中性点经高电阻接地也完全能够满足电力系统的最基本要求：1、可靠性,对用户连续供电。真正的解决了过电压水平。2、保证电能质量,快速选择故障线路,快速有效地投入备用电源,把故障解决在最小的X围,X围小就很容易快速解决排出故障。3、经济性,比其它的方式投资小,使用寿命可长达20~30年。4、防止环境污染,电阻的良好特性本身就不会破坏生态环境,它运行时只会产生热能。第二节高阻接地方式和低阻接地方式的比较低阻接地方式：低阻接地方式继承了直接接地方式无工频过电压和操作过电压较小的优点,却保留了故障电流较大、跳闸率较高的缺点。而且,低阻接地方式下接地故障电流已不是直接短路电流,但依然靠继电保护装置来隔离接地回路,继电保护装置同时承担着短路时的过电流保护和接地时的零序电流保护的任务。而短路电流的幅值受短路部位、短路阻抗的影响变化X围很大,接地时由于接地性质不同<金属性接地或高阻性接地>、接地部位不同,零序电流幅值也会在大X围内变动,这样,基于零序电量的继电保护装置就难以兼顾在大X围内都保证有足够的灵敏度和准确度,仅靠调节定值很难实现在较大的正常负荷电流下不误动而在单相接地时又不拒动,使其动作正确性的不利因素增加。特别是对于占绝大多数的高阻性接地,漏跳的可能性很高,实际上也发生过在单相接地时继电保护拒动的事例。一旦出现继电保护装置拒动的情况,则对设备、对人身安全都有很大危害。高阻接地方式：高阻接地方式利用高阻大大减少了故障电流,使低阻接地方式故障电流大的缺点得到一定程度的克服。但当系统电容电流太大时必须增加并联电感进行接地电流的补偿。采用高阻接地方式,在单相接地故障时可以运行,也可以立即跳闸隔离接地回路。如果同不接地方式一样在单相接地时继续运行,则同样具有较高工频过电压和操作过电压的固有缺点；若同低阻接地方式一样在单相接地时立即跳闸,则由于同样靠继电保护装置来隔离接地回路,使继电保护装置所存在的问题,即难以兼顾在较大的正常负荷电流下不误动而在单相接地时又不拒动的问题更为突出。虽然继电保护装置拒动时零序电流幅值已比低阻接地方式减少很多,但长时间的故障电流仍对设备和人身安全不利,且因未能找出并隔离故障支路,使潜在的危险依然存在。值得注意的是,若系统电容电流较小,采用高阻接地方式就使接地故障电流由电容电流变成短路电流,虽该电流被电阻限制到比直接短路时小很多,但往往反而比不接地时的电容电流还要大,亦即增大了故障电流,带来了不稳定的因素,在某些情况下可能会促成故障的发展,显然这是不可取的第三章电网中性点经高阻接地时的过电压试验高电阻接地是这样定义的：电力系统中性点通过一电阻接地,其单相接地故障时的电阻电流被限制到等于或略大于系统总电容电流,即IRN≥3IC0,如图1所示。图中RN≤XC0／3,RN为接地电阻,XC0为系统每相对地容抗,3IC0为总电容电流,IRN为流过电阻器的电流。图1配电网中性点经高电阻接地原理图Fig.1Principlediagramofneutral-pointearthingbyhigh-resistanceinpowerdistributionnetwork当发生电弧接地时,接地电流为Ijd=<1/RN+j3ωC0>UA=IRN+jIC单相接地将使非故障相对地电压升高3倍,变成线电压；此时,电网的线电压仍维持对称状态,对负荷没有影响。如果发生的是间歇性电弧接地故障,非故障相对地电压将大大超过3倍,而且波与整个电网,使那些绝缘薄弱环节相继发生绝缘击穿,使事故扩大。试验时,在高压模拟电网<3.3kV>上用低阻尼电容分压器、磁带记录仪记录过电压信息,由计算机采集分析系统采集记录在磁带仪上的过电压信息并加以分析,计算机采集分析系统记录的过电压波形如图2所示。过电压波形特点分析<皆在A相发生间歇性电弧接地>：<1>相对地过电压线间电容降低过电压作用不明显,A相接地时C相过电压高于B相。过电压倍数与中性点电阻值有关,RN＞1／3ωC0时,过电压明显增加；RN=1／3ωC0时过电压降低；当RN=1.8kΩ＞＞1／3ωC0时,故障相最高过电压达2.1Vxg<Vxg表示正常供电时的相对地电压峰值>,健全相最高过电压达3.4Vxg；当RN=237Ω≈1／3ωC0=232Ω时,故障相过电压≯2.2Vxg,健全相过电压≯1.3Vxg。<2>相间过电压低于相对地过电压。<3>最大过电压发生时刻在接地相工频电压幅值附近。<4>熄弧性质高频和工频兼有,接地电流较大时熄弧困难。图2配电网中性点经高阻接地的过电压波形图<a>起弧、重燃波形<b>起弧、重燃展宽后的波形Fig.2Overvoltagewavepatternofneutral-pointearthingbyhigh-resistanceinpowerdistributionnetwork<5>波头长度与过电压振荡频率高频振荡频率约在3000～4000Hz之间<与试验电路有关>。<6>中性点波形间歇性重燃时V0为衰减的梯形波叠加高频振荡,即中性点积累的电荷经电阻RN泄放较快；试验中最大过电压在1.5～3.5Vxg之间。<7>从试验中可以看出,基本上是每半个工频周期发生一次燃弧,每相与中性点电压都有明显的振荡；当发生间歇性燃弧时,随着中性点电阻值的减小,中性点电位在半个工频周期内衰减加快,即系统能量泄放较快,从而有效地降低了各相与中性点的过电压幅值。试验表明,中性点电阻对串联谐振过电压与间歇性电弧接地过电压起到了很好的抑制作用。当RN=1／3ωC0时,中性点位移电压在半个周期内降到原来的4.32%,这就降低了故障相上的最大恢复电压数值,使电弧重燃不致引起高幅值的过电压,但接地点的电流增加较大。取RN=2／3ωC0,将大大减小接地点的电流,此时中性点电位在半个工频周期内衰减较小,降到原来的20.8%。电阻的存在,大大降低了故障相恢复电压的上升速度,减少了电弧重燃的可能。试验中,每次燃弧基本上都是在故障相电压的最大值处发生,与恢复电压达到最大且大于介质恢复强度时,发生击穿而使电弧重燃。从试验结果分析看,RN的值越大,电弧重燃越易,且电弧能量也较大；随着RN值的减小,燃弧变得较难,电弧能量也逐渐减小,这与理论分析相符。电网中性点经高阻接地后,对电弧接地过电压和串联谐振过电压有较大的抑制作用,从而有效地防止了异常过电压对电机、电缆绝缘的危害,保证了用电设备的安全运行。当接地故障电流较大时,持续的故障电流所引起的热效应,会使电缆在接地故障处的相间绝缘因过热燃毁而发展为相间短路。所以,当电网的电容电流较小时,应采用中性点经高阻接地的方式；尤其是对高压电动机的电缆线路较多且运行多年的老电网,由于电动机和电缆绝缘都已降低和老化,容易受异常过电压的破坏,将这类电网的中性点改为经高阻接地时非常适合的。只要中性点电阻选择合适,即使电网参数发生变化,也不需要再调节电阻值,且运行简单,效益显著。中性点经电阻接地系统的另一个突出优点是易于实现选择性的继电保护。第四章中性点电阻值的选取原则根据电网的实际情况。安全电阻值的选取一般应考虑以下几个问题。3.1过电压的限制水平与降低人身触电的危险只要RN≤1／3ωC0,弧光接地过电压被限制在2.2Uxg以下,对不同的系统,C0不同,RN取值不同,一般在100Ω以上。它属于高阻X围,对RN无论是低阻<RN=10Ω>还是高阻<RN=100～400Ω>都能达到抑制电压互感器<PT>谐振过电压和断线谐振过电压的目的,当然,RN越小,过电压水平越低。但同时应兼顾对通过人体的接地电流不造成明显的增加。运用戴维南定理,对图3的电网情况转化成为下边的等效电路图；此时的等效开路电压等于人身未触电以前A相的对地电压<UA>,而等效阻抗Z等于三相电网对地的绝缘电阻r和电容C与中性点接地电阻RN并联后的数值,人身电阻为RR,即式中Z0——零序阻抗图3人触电时的电网情况与等效电路图Fig.3Stateofelectrifiedwirenettingwhenmangetselectricshockandtheequivalentcircuit然后,根据等效电路图,即可求得通过人体的接地电流IR为可以看出,由于RN的接入,r和3RN是并联关系,相当于把电网对地的绝缘电阻值减小了。因此,人身触电电流将随RN的变化而变化；当C0一定时,也有某一个电阻r使人身触电电流值为最小。也就是说,当r和C0一定时,改变RN的值,将会在某一个RN的条件下,人身触电电流值为最小。图4的实测曲线,说明了人身触电电流随RN的变化规律。由此可见,在r和C0一定的条件下,接入RN总会使人身触电电流值减小,而不是增大,对安全是有好处的。但是,也应该看到,RN的变化,实际上对人身触电电流的影响很小；因为在电容值较大的情况下,起决定作用的仍然是电容电流。图4通过人身的接地电流与配电网中性点电阻RN的变化规律Fig.4RelationshipbetweencurrentthroughbodyIRandneutral-pointresistanceRNinpowerdistributionnetwork从图4可以看出,随着RN的增大,IR趋于稳定,在合适的X围内选取RN值,IR增加不明显。图5进一步说明了人身触电电流随绝缘电阻r和电容C的变化规律。表1说明了电网3300V电压下,随着中性点电阻RN的增加,人身触电电流减小的趋势。表1RN／Ω1／6ωC01／3ωC01／2ωC02／3ωC05／6ωC01／ωC0IR／A7.335.193.983.222.702.33注：煤矿安全手册将人体电阻RR的取值定为1000Ω。图5人身触电电流随电网对地绝缘电阻和电容的关系曲线1.C=1μF2.C=0.4μF3.C=0.2μF4.C=0.1μFFig.5Relationshipcurvebetweencircuitinwhenmangetselectricshockandinsulatecapacitance3.2单相接地电流的限制水平当单相接地时相当于RR=0的情况,此时的单相接地电流值为其有效值为显然,RN越小,则Ijd越大。按单相接地电流选取RN,应保证最大的接地电流满足开断容量的要求,且留有一定的裕度。一般应控制单相接地电流小于三相短路电流,最小单相接地电流应满足接地继电器灵敏度的要求。在电网中性点经低阻接地时,发生单相接地,保护装置动作并立即跳闸；而高阻接地则允许带接地运行1～2h。所以采用高阻接地方式,通常并不要求发生接地故障时立即切除故障,因为接地电流被限制到很小,保护装置只是检测故障并发出信号,这对"连续生产"的企业是很重要的。第五章结论<1>从过电压情况来看,中性点不接地方式最高,对于电气设备的绝缘有较大的威胁；采用消弧线圈的接地方式,仍不能减小电弧接地过电压,因而最好采用中性点经高电阻接地方式。