10kV小电阻接地成套装置选型计算

10kV小电阻接地成套装置选型计算
发表时间：2016-12-27T15:56:49.500Z 来源：《基层建设》2016年29期作者：史运锋
[导读] 摘要：本文简要介绍10kV配电网采用的小电阻接地成套装置系统特性，以及接地变及小电阻的选型计算方法。

中国能源建设集团广东火电工程有限公司广州 510735
摘要：本文简要介绍10kV配电网采用的小电阻接地成套装置系统特性，以及接地变及小电阻的选型计算方法。

关键词：小电阻；接地；变压器
Abstract：This paper briefly introduces the characteristics of the small resistance grounding system used in 10kV distribution network, and the calculation method of grounding transformer and small resistance.
Keywords：Small resistance, grounding, transformer
1 引言
在我国10kV配电网常采用小电流接地方式，包括不接地、经消弧线圈接地、经小电阻接地、故障相经小电抗接地和经消弧线圈并联小电阻接地等。

随着城市化进程不断加快，架空线路逐渐被电缆线路取代，系统的电容电流不断增大。

10kV电缆由铠装层和护套保护，一般不会发生瞬时故障，若发生故障多为永久性故障。

为了保护电缆绝缘及人身安全，需要快速的切除故障线路，小电阻接地方式保护的灵敏性、速动性优点就体现了出来并得以快速发展。

本文简单介绍10kV配电网采用的小电阻接地成套装置组成及系统特性，以及接地变及小电阻的选型计算。

2 小电阻接地装置的概念
2.1 小电阻接地装置的产生
根据《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》（GB50064-2014），“35kV、66kV系统和不直接连接发电机，由钢筋混凝土杆或金属杆塔的架空线路构成的6~20kV系统，当单相接地故障电容电流不大于10A时，可采用中性点不接地方式；当大于10A又需要在接地故障条件下运行时，应采用中性点谐振接地方式”。

通常10kV系统为中性点不接地系统，当系统出现单相接地故障时，在不发生谐振过电压的情况下，健全相的电压将从相电压升高到线电压，而且这种运行方式允许持续2小时。

不接地系统只适合于单纯由架空线路组成的电网，且其电容电流必须小于10A。

随着电网建设的发展，不可能有单纯的架空线路电网存在，电缆线路将越来越多，电容电流也远大于10A。

当10kV系统发生单相接地故障时，往往因较大的电容电流而产生谐振过电压。

谐振过电压的倍数常常可以达到3倍以上，严重威胁了设备的安全。

消弧线圈补偿实际上只能起到熄灭电弧的作用，而不能抑止因弧光短路所引起的过电压倍数。

当系统发生单相接地故障时，其稳态过电压倍数为√3倍（即相电压升高到线电压），在暂态过电压阶段，其过电压倍数则可达到3～4倍，甚至更高。

因为暂态过电压属于高频电压，而电感线圈对高频是相当于开路，此时消弧线圈是不起作用的。

小电阻接地依靠线路零序电流保护将单相接地故障迅速切除，同时非故障相电压不升高或升幅较小，过电压程度低，对设备绝缘等级要求较低，其耐压水平可以按相电压来选择。

中性点经小电阻接地方式中电阻值一般在20Ω以下，单相接地故障电流限制在400A~1000A。

2.2小电阻接地的特性
小电阻接地方式主要适用于电缆线路为主的系统。

小电阻接地方式可以有效限制过电压水平，系统单相接地时，健全相电压升高持续时间短，可降低单相接地各种过电压（如工频、弧光接地、PT谐振、断线谐振过电压），有利于设备安全。

由于对设备绝缘等级要求较低，其耐压水平可以按相电压来选择，也降低了工程造价。

发生单相接地时，由于流过故障线路的电流较大，零序过流保护有较好的灵敏度，可以比较容易检出接地线路，减小接地故障时间，防止事故扩大。

使一些瞬间故障不致发展扩大成为绝缘损坏事故，特别是能降低同沟敷设紧凑布置的电缆发生故障时对邻近电缆的影响。

发生人身高压触电时，能快速切断电源，有利于保护触电者的人身安全。

但是，当发生单相接地故障时，无论是永久性的还是瞬时性的，小电阻接地方式零序保护均作用与跳闸，使线路的跳闸次数大大增加，尤其是以架空线为主的配电网，采用小电阻接地方式跳闸次数会大幅增加，在配网环网率不高、特别是单路线路供电的情况下，易造成供电中断，严重影响了用户的正常供电，使其供电的可靠性下降。

另外，由于接地点的电流较大，当零序保护动作不及时或拒动时，将使接地点及附近的绝缘受到更大的危害，导致相间故障发生。

在发生高阻接地的情况下，有可能达不到零序保护的整定值，保护并不动作，此时有可能造成接地故障发展为相间短路的风险。

当一次设备故障无法及时动作切除故障时将引起接地变后备保护动作从而扩大设备跳闸范围。

2.3小电阻接地装置电压倍数
根据《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》（DL/T620-1997），4.2.8条“66kV及以下系统发生单相间歇性电弧接地故障时，可产生过电压，过电压的高低随着接地方式不同而异”电阻接地方式下，一般情况下最大过电压不超过2.5p.u.(p.u.——最高相电压的峰值，即√2×U/√3)。

根据中国电科院相关研究报告：“单相故障电流的幅值大小与中性点接地电阻的大小成反比，单相故障时健全相的电弧过电压与接地电阻的大小成正比”。

健全相与故障相电压比与有功、无功电流比之间成非线性关系：
因此，当时，健全相的过电压倍数已经限制在规程要求的以内。

中性点小电阻阻值越小，接地电流越大，有利于提高继电保护的灵敏性，能准确判断故障线路并隔离。

但泄漏电流越大，产生的接触电压和跨步电压越高，对人身和设备造成威胁，并且对周围的通信线路造成干扰。

且当时，过电压倍数基本维持在2.0左右，继续减少小电阻阻值除了增大短路电流外，对过电压已无更明显限制作用。

3 接地变容量的计算
接地变压器要求零序阻抗低、空载阻抗高，损耗低。

一般接地变压器采用Z型接线。

为便于介绍接地变容量的计算，假定系统的电容电流为100A左右。

为了使过电压倍数不要大于2.0p.u.，通常按4倍系统电容电流来确定流经小电阻的阻性电流，即IR＝400A。

施加在小电阻上的电压为相电压，即10.5/√3＝6kV，则故障时段接地变容量为S＝IR×U相＝400×6＝2400kVA。

而按IEEE-C62.92.3-1993第6.2.2.2条规定，变压器10s的过负荷倍数为10.5倍（在10s过负荷时间内，继电保护已经动作切除故障了，也即变压器过负荷时间肯定小于10s），因此：
接地变的额定容量S＝2400/10.5＝229kVA，若按产品系列来选择，则Sjdb＝315kVA。

再保守一点，则可选为Sjdb＝400kVA。

4 小电阻的阻值计算
接地电阻值R＝U相/IR＝6000V/400A＝15Ω。

根据北京、广州、深圳等地10kV配电网的运行经验，通常选择为16Ω。

因此，若我们选择R＝40Ω，流经小电阻的阻性电流是6000/40＝150A，若要保证流经小电阻的阻性电流是系统电容电流的4倍，那么系统电容电流只能是37.5A。

此时必须验证和设计当初的预设条件是否相符。

5 系统电容电流的计算
因小电阻接地成套装置的选择依赖于系统的电容电流，下面介绍系统电容电流的估算方法。

5.1 10kV电缆线路的电容电流
10kV电缆线路的电容电流可按下式进行计算：
式中：Ic——10kV电缆线路的电容电流，（A/km）
S——电缆截面，（mm2）
U线——额定线电压，（kV）
根据上式可以计算出各种截面的10kV电缆线路的电容电流如下表所示：
表1 10kV电缆线路的电容电流
5.2 10kV架空线路的电容电流
10kV架空线路多为单回架空线路，其每公里电容电流值可按Ic＝0.025 A/km估算。

另外，可以根据《电力工程电气设计手册——电气一次部分》（中国电力出版社，1989），第6-9节中性点设备“（四）电容电流计算”相关内容，计算变电站增加的接地电容电流、发电机电压回路的电容电流，并向厂家索取汽轮发电机定子线圈单相接地电容电流（若有）等。

我们可以按照所掌握的资料利用上面的数据来估算系统的电容电流，然后再按4倍大小来确定流经小电阻的阻性电流IR，进一步简单计算接地变容量及中性点电阻值。

6 结论
随着城市化进程的推进，城区10kV配网架空线路逐渐会被电缆线路所取代，小电阻接地方式在配网管理水平不断提高、人身安全越来越重要的情况下具有较大优势，将是中性点接地装置的发展趋势。

通过本文的介绍，可以简单计算小电阻接地成套装置的接地变容量及小电阻阻值，为设计选型提供便利。

参考文献
[1]《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》（GB50064- 2014），中国计划出版社
[2]《导体和电器选择设计技术规定》（DL/T5222-2005），中国电力出版社
[3]《电力工程电气设计手册：电气一次部分》，1989,中国电力出版社
[4] IEEE-C62.92.3-1993 IEEE Guide for the Application of Neutral Grounding in Electrical Utility Systems, Part 3 Generator Auxiliary systems.
作者简介：史运锋（1982～），男，河南漯河人，工程师，从事电力行业电气设计与管理。