10kV含接地变压器的小电阻接地系统运行分析和探讨

10kV含接地变压器的小电阻接地系统运
行分析和探讨
摘要：随着电力电缆在城市配电网中的广泛采用，容性电流越来越大当系统发生单相接地故障时故障电流远超过10A，中性点经消弧线圈接地系统已不满足安全运行要求，针对目前配电网的运行状况，对比小电阻接地系统和消弧线圈接地系统各自的优缺点。

研究10kV 配电网采用中性点经小电阻接地系统的总体方案，主要分析接地变压器在小电阻接地系统作用、接地变压器的容量计算、小电阻的阻值选取、小电阻接地方式进行分析和问题的探讨。

为小电阻接地系统在配电网中的推广应用起到了重要的理论和实践指导作用．
关键字:小电阻；接地变压器；接地系统;
近年来，随着城市经济的迅速发展，城市电网规模的扩大，电缆出线的增多使系统电容电流逐步增大。

采用不接地运行方式，单相接地故障的弧光和铁磁谐振过电压可达正常电压数倍对电缆和开关柜的绝缘构成严重威胁。

采用消弧线圈接地的运行方式，则需要较大的补偿容量，因普通变压器带消弧线圈时，其容量不得超过变压器容量的20%，要求配置台数较多，10kV配电网线路在运行中操作较多，消弧线圈的分接头及时调整有困难，容易出现谐振过电压现象。

经接地变压器小电阻接地方式是解决这问题的有效措施。

针对上述现状，以某城区35kV变电站为研究对象，对该站10kV系统的小电阻接地系统总体方案设计进行研究，对接地变压器在小电阻接地系统作用、接地变容量的计算、小电阻的阻值选取、小电阻接地系统进行分析和探讨。

本文就小电阻接地系统实际运行情况进行了分析，为小电阻接地系统在电网中的推广应用提供一定的理论基础。

1
1.1接地变压器的概述
我国电力系统中10kV、35kV电网中一般都采用中性点不接地的运行方式，
35kV以上电网中主变压器低压侧一般为三角形接法，没有可供接地电阻的中性点。

接地变压器的作用是在系统为△型接线或Y型接线中性点无法引出时，引出中性
点用于加接消弧线圈或电阻。

接地变压器按相数可分三相接地变和单相接地变。

三相接地变：在电力系统
中性点无法引出时，引出中性点用于加接消弧线圈或电阻，此类变压器采用Z型
接线（或称曲折型接线），与普通变压器的区别是，每相线圈分成两组分别反向
绕在该相磁柱上，这样连接的好处是零序磁通可沿磁柱流通，而普通变压器的零
序磁通是沿着漏磁磁路流通，所以Z型接地变压器的零序阻抗很小（10Ω左右），而普通变压器要大得多。

按规程规定，用普通变压器带消弧线圈时，其容量不得
超过变压器容量的20%。

Z型变压器则可带90% ～100%容量的消弧线圈，接地变
除可带消弧圈外，也可带二次负载，可代替所用变，从而节省投资费用。

单相接
地变：单相接地变主要用于有中性点的发电机、变压器的中性点接地电阻柜，以
降低电阻柜的造价和体积。

Z型接地变压器，在结构上与普通三相芯式电力变压器相同，只是每相铁芯
上的绕组分为上、下相等匝数的两部分，接成曲折形连接。

接线方式不同，又分
为ZN，yn1和ZN，yn11两种形式。

Z型接地变压器同一柱上两半部分绕组中的零
序电流方向是相反的，因此零序电抗很小，对零序电流不产生扼流效应，其降低
零序阻抗的原理是：在接地变压器三相铁芯的每一相都有两个匝数相同的绕组，
分别接不同的相电压。

当接地变压器线端加入三相正、负序电压时，接地变压器
每一铁芯柱上产生的磁势是两相绕组磁势的向量和。

三个铁芯柱上的合成磁势相
差120°，是一组三相平衡量。

三相磁通可在三个铁芯柱上互相形成磁通路，磁
阻小、磁通量大、感应电势大，呈现很大的励磁阻抗。

当接地变压器三相线端加
入零序电压时，在每个铁芯柱上的两个绕组产生的磁势大小相等，方向相反，合
成的磁势为零，三相铁芯柱上没有零序磁通。

零序磁通只能通过外壳和周围介质
形成闭合回路，磁阻很大，零序磁通很小，所以零序阻抗也很小。

当Z型接地变
压器中性点接入消弧线圈时，可使消弧线圈补偿电流自由地流过，因此Z型变压
器广为采用作接地变压器。

Z型接地变压器，还可装有低压绕组，接成星形中性
点接地（yn）等方式，作为所用变压器使用。

图1为接地变压器原理图。

图1 接地变压器原理
图
1.2接地变压器容量计
算
根据上述可知，接地变压器在系统中性点无法引出时为系统引出中性点用，一般采用Z型接线方式如图
1所示。

依据IEEE-C62.92.3标准，接地变压器的10s允许过载系数为额定容量
的10.5倍，因此，首先需要计算出10s允许过载情况下接地变压器的额定容量，接地变压器10s允许过载额定容量公式为：
式中为接地变压器额定容量、为相电压、为额定电流。

2
对于10kV出线中电缆所占的比重不大郊区变电站10kV侧带出线的变电站多采用的是消弧线圈接地方式，对于10kV出线中电缆所占的比重越来越大容性电流很大，即使残余电流也很难保证小于10A使得消弧线圈很难补偿，另外消弧线圈不能补偿谐波电流，有些城市电网谐波电流占的比列高达15％，仅谐波电流就远大于10A，仍然可能发生弧光接地过电压。

小电阻接地系统的运行方式主要用于单相接地故障电容电流大、以电缆为主的电网，该接地方式在某些方面弥补了消弧线圈运行方式带来的不足，它的特点主要如下：
1.
小电阻接在接地电弧熄灭后泄放对地电容残余电荷有效限制弧光接地过电压；
2.
因阻尼作用消除系统各种谐振过电压；
3.
在发生接地故障时零序保护能快速可靠的切除故障考虑电缆一般为永久性故障不
进行重合可有效降低操作过电压；
1.
有利于降低设备绝缘水平要求和提高系统安全可靠运行运行水平。

表1电阻接地方式与传统消弧线圈接方式优、缺点对比
3小电阻接地时，电阻值的选取必须根据电网的实际运行情况，综合考虑限制弧光过电压倍数、零序保护灵敏度、对通信线路的干扰及用电安全等因素。

1.
限制弧光过电压倍数
中性点经小电阻接地可以有效降低配电系统弧光接地的过电压水平，从而保证配电系统电力设备的安全运行。

根据过电压模拟试验及实际运行经验表明［］，弧光过电压水平与电阻的额定电流及系统容性电流的关系为：
1.
当时，过电压水平降到；
2.
当时，过电压水平降到；
3.
当时，过电压水平降到；
4.
当＞时，降低过电压水平的效果不明显。

综合限制弧光过电压水平和设备的经济性，接地电阻电流水平选择 =时，可将单相接地故障的弧光过电压水平限制在范内，满足系统对过电压水平的要求，接地电阻为：
1.
保护灵敏度
当10kV 配电网某一相发生单相接地故障时，求得接地故障电流：
式中为故障相电缆的容性电流．由于相比总的容性电流可忽略不计，因此，接地故障电流式可简化为：
结合上述接地电阻的选择和简化式，接地故障可高达几百安培，完全满足保护灵敏度的要求。

目前，城市配电网变电站的微机保护都有零序保护功能，且启动电流值比较小，单相接地故障电流远大于每条线路对地容性电流，一般都能满足零序保护的灵敏度要求．
1.
通信线路的干扰
按满足对通讯干扰的要求进行校验，按四部一委共同商定的对高可靠性通信线路感应电压≤650V、0.2秒内切除的要求进行校验。

本地区10kV配网采用
=400A，经过实测和计算，均能满足对通信线路干扰的要求。

1.
用电安全
从人身安全角度考虑，中性点接地电阻的通流越小越安全．当采用小电阻接地系统后，发生单相接地故障时，必然使得故障点的接地短路电流很大，故障点电位升高，极有可能造成跨步电压超过允许值，对人身安全构成威胁．因此，采用小电阻接地系统时，对跨步电压的分析计算还待进一步开展研究。

按接触电势和跨步电压不超过允许值校验，对于接地故障动作于跳闸的系统可按下式校验： <2000> 。

式中为满足接触电势和跨步电压允许值条件的接地装置接地电阻值，为通过接地故障点的电流。

目前，中国现有采用小电阻接地系统的城市中，还未出现因跨步电压和接触电势过高引起人身伤亡报告。

4小电阻接地问题的探讨
对于小电阻接地系统，以接地变压器经断路器接母线的接线方式为最广泛。

小电阻接地系统在城市配网广泛使用和该接地系统在我国推广时间不长的原因，有些问题尚未深入研究，下面就小电阻的特殊问题进行简单的探讨。

1.
参数不对称产生的问题
当 Z 型变压器三相阻抗、10kV出线三相等效对地电容、等效电源内阻中有一个参数不对称时，小电阻上将产生零序电流。

因电缆线路某相绝缘发生老化( 但未击穿) ，与其他两相产生不对称，或在施工过程中，由于施工人员没有严格按照规程操作，将杂质混入电缆接头处，这同样也会给电缆参数不对称造成隐患，故线路参数不对称的可能性最大，线路对地电容参数不对称时，将导致接地
变压器中性点出现零序电压，不对称越严重零序电压越高。

由于参数不对称会使小电阻上产生零序电流,且零序电流随着不对称度的增大而增大，所以当不对称度增大到一定程度的时候，达到接地变压器零序电流保护的整定值，将导致接地变压器零序电流保护误动。

1.
接地网接地不良产生的问题
110kV以上电压等级变电变压器高压侧中性点一般直接接地，当接地网接地不良时，高压侧任何形式的接地短路故障都会引起地电网电位的升高，从而影响10kV侧的正常电压。

特别是10kV小电阻接地系统线路参数不对称时，由于相电压的升高，将进一步增大小电阻上的零序电流。

此时接地变压器零序电流保护误动的几率增大。

1.
小电阻接地系统问题防范建议
综上可得参数不对称和接地网接地不良都将引起接地变压器零序电流保护误动。

对此提出几点防范建议，设计施工时应严格按照规程执行尽量保证参数对称和接地网接地良好并对其进行监测，零序保护定值整定时在保证灵敏性同时躲过由参数不对称和接地网接地不良引起的零序电流，两者是保证小电阻接地系统安全运行的重要措施。

5结语
在中国城市化进程的加速，城市配电网中广泛采用电力电缆、系统中的容性电流急剧增加、传统采用消弧线圈接地系统的补偿容量已无法满足容性电流补偿需求和变电站中性点难以引出的大环境下，接地变压器加小电阻接地系统出现解决这些问题。

含接地变压器的小电阻接地系统具有中心点便于引出，能有效限制弧光、操作、谐振过电压，配置零序保护能快速可靠切除故障保证设备安全运行，降低设备的绝缘水平，节约了设备投资。

本文还简单的阐述小电阻阻值选取方法并对小电阻接线系统的特殊问题进行探讨。

参考文献
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商莹，郭进中性点经小电阻接地方式在城市变电站中的应用[C]//中国电力规划设计协会送变电专委会.2012 年电力勘测设计行业电网技术交流会优秀科技论文集。

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7。