湛江地区中压配电网中性点接地方式的分析
摘要：近年湛江地区在中压配电网中大量推广应用中性点经小电阻接地方式，引发了对小电阻接地方式在湛江配电网中是否全部适用的思考。本文通过对中压电网中性点经消弧线圈接地和经小电阻接地的两种方式进行分析，并结合湛江中压电网的现状，探讨适宜湛江中压电网的接地方式。
关键词：湛江电网 中压配电网 中性点经消弧线圈接地 中性点经小电阻接地
一、前言
湛江地区曾发生10kV线路断线接地经长时间后才发现的事件，为了避免10kV线路接地没被及时隔离而发生人畜伤亡，湛江局在考虑人身安全的条件下逐步在中压电网推行了中性点经小电阻接地方式。近年的基建项目大量推广了小电阻接地方式，且在2008-2009年的一批以县城郊区为主的项目亦选用小电阻接地方式。小电阻接地方式是否宜在湛江配网中大量推广仍有待商榷，选取哪种接地方式还应慎重考虑。
为了探讨适宜湛江中压电网的接地方式，本文通过对各种接地方式和湛江配网的现状进行分析，以寻求一种较适宜的办法。
二、湛江配电网中性点的现存方式
1、中性点不接地方式：主要存在于县城。
2、中性点经消弧线圈接地(又称谐振接地)：2009年之前湛江配网一直以这种方式运行为主。
3、中性点经小电阻接地：2008年开始在设计项目中推行，2009年2月第一套小电阻接地装置在湛江电网投入运行。
对于中性点不接地方式在湛江电网内较少存在，此方式只存在于县城的部份站，在湛江市区已不采取此种接地方式，且随着湛江电网的迅速发展和电容电流的急剧增加，已不再推荐中性点不接地方式的使用，故下文仅以中性点经消弧线圈接地和经小电阻接地这两种方式进行讨论。
三、两种接地方式的优缺点
1、中性点经消弧线圈接地
1）适用范围：适用于单相接地故障电容电流IC﹥10A、瞬时性单相接地故障较多以架空线路为主的电网。
2）优点：
A、利用消弧线圈的感性电流对电网的对地电容电流进行补偿，使单相接地故障电流﹤10A，从而使故障点电弧可以自熄；
B、故障点绝缘可以自行恢复；
C、可以减少间隙性弧光接地过电压的概率；
D、单相接地时不破坏系统对称性，可以带故障运行一段时间，以便查找故障线路。
E、降低雷害跳闸率，消弧线圈由于能调整补偿电流，所以当线路绝缘子受雷击闪络时，在雷电流过后能把工频续流控制在10A以下，使其不能建立持续燃烧的接地电弧，控制了配电网的雷击建弧率，因而有效地控制了配电网的雷击跳闸率，降低了配电网雷害事故。
3）缺点：
A、单相接地故障时，非故障相对地电压升高到线电压或以上，持续时间长、波及全系统设备，可能引起第二点绝缘击穿，引起事故扩大；
B、消弧线圈不能补偿谐波电流，如电网谐波电流占的比例达5%-15%，仅谐波电流就可能远大于10A，仍然可能发生弧光接地过电压；
C、系统谐振过电压高，谐振过电压持续时间长并波及全系统设备，常造成PT烧坏、或PT熔断器熔断。
D、由于消弧线圈的补偿作用，寻找单相接地故障线路困难，目前许多小电流接地选线方法的选线成功率还不理想；
E、带接地故障运行期间不及时断开故障线路，容易引起人身触电事故或火灾，无间隙金属氧化物避雷器长时间在线电压下运行，容易损坏甚至爆炸。
F、消弧线圈的调节范围受到调节容量限制；
G、造价高、结构复杂、维护量大；
2、中性点经小电阻方式接地
1）适用范围：以电缆线路为主、不容易发生瞬时性单相接地故障的、系统电容电流比较大，采用环网或双电源供电或配网自动化程度较高的城市配网。
2）优点：
A、降低工频过电压，单相接地故障时非故障相电压不升高或升幅较小，且持续时间短，对设备绝缘等级要求较低。
B、可有效限制弧光接地过电压，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，适当选择电阻值，可将过电压倍数限制在一定范围内。
C、中性点电阻是阻尼元件，基本上可消除系统的各种谐振过电压；
D、由于工频过电压和暂态过电压倍数较小且时间短，有利于无间隙金属氧化物避雷器的推广使用和有利于降低系统设备绝缘水平。
E、接地时，由于流过故障线路的电流较大，容易检测接地线路，
F、对系统电容电流变化的适应范围较大，当确定适当的接地电阻值后，系统的电容电流在较大的范围内变化，接地电阻对降低弧光过电压、消除谐振过电压的效果不会有明显变化，所以在系统运行方式发生变化及电网发展时，可以不改变接地电阻值。
G、接地时，零序保护动作在短时间内跳闸将电源切除，由于人员在保护动作的时限内接触故障点的概率较小，所以可大大降低了接触故障的机会。
H、结构简单、投资小。
3）缺点：
A、系统发生接地均跳闸，使线路的跳闸次数大大增加，严重影响了用户的正常供电，降低了系统的供电可靠性；
B、接地故障点电流大，在雷击绝缘子闪络时一般都会使线路跳闸，使配电网雷击跳闸率升高。
C、系统发生接地，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、接触电压超过允许值，如果此时人员接近故障点或者是接触故障电器有可能会造成人员伤亡。
D、故障点的单相接地短路电流较大，故障时对故障设备的损害较大。
E、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，导致相间故障的发生。
F、零序保护存在动作死区，当经高过渡电阻接地时，零序电流太小达不到动作值，开关不会跳闸，线路带接地故障运行会造成更严重的后果。
从以上看出，两种接地方式各有优劣，所以选择是一个综合性的问题，根据各配电网的具体条件，特点全面分析比较，选择合适的方式。而小电阻接地方式对供电可靠性及人身安全有着不可低估的影响，应慎重实施。
四、小电阻接地系统不容忽视的几个问题
1、对接地网的要求
小电阻接地原理上可较好抑制过电压，但对接地网却有很高的要求，如接地网不完好阻值过高，可导致接地点对地电位偏高，天津曾发生一起因接地网陈旧，出线电缆在一间影剧院附近发生接地时，由于接地电阻较大，开关没能跳闸，导致接地电缆对附近金属管道多次弧光放电最终造成影剧院发生火灾。
2、零序保护死区的问题
小电阻接地系统，并非所有接地故障零序保护都能跳闸。单相金属性接地时，零序保护可以瞬时动作，当发生非金属性接地故障时，随着故障电阻的增大，跳闸时间显著延长，甚至零序保护根本没有动作。导线与地之间保持着固定的电位差，遇到高阻抗时接地电流太小，零序保护不会动作跳闸，后果是非常严重的，人身伤亡事故也多是在这种情况下发生的。珠海市在1993年8月-2001年2月间共发生了11起人身伤亡事故，这些触电事故中开关均没有跳闸。
特别是对于架空线路，接地情况一般较为复杂，导线断线后与沥青路面接触，与土壤接触，接触面是否有水，都会大大影响过流电阻值。断线后导线碰地，因沙粒、岩土、或干燥的沥青路面等造成接触不良，都会造成接地线路高阻接地而不能跳闸。
3、保护配合的问题
在小电阻接地系统中，接地线路跳闸后，接地变中性点的3I0并不是马上消失而是有一个衰减过程，衰减的幅值与时间直接与系统的对地等效电容以及中性点设备的参数有关。该衰减时间对保护时间的配合有较大影响，接地变的后备动作时间与线路的零序动作时间级差不可能取得很大，线路跳闸后，如中性点3I0不能马上衰减，等幅振荡段会使接地变保护不能返回而误动致越级跳闸造成全站10kV失压的事故。广州局曾发生过多次因这原因造成零序保护的误动作致主变低压侧断路器跳闸而全站停电等事故，后广州局采用了高精度的继电保护装置和改善一次设备的运行参数后才避免了此问题。
保护配合的另一个突出问题是当出线发生不同线路不同名相同时接地时，出线的零序保护与接地变保护不能配合导致接地线路不能跳闸而接地变跳闸的情况。广州局和珠海局都曾发生了由于此原因造成的接地变误动事故，后采取降低出线的零序过流值来暂时解决此问题，但这仅能改善一部分情况并不能完全解决这个问题。
4、三相电容不对称对设备的影响
在小电阻接地系统中，对于单母分段运行，各段母线各带一台接地变的方式，当系统三相电容不平衡时，其中一段母线的10kV出线接地而出线开关拒动时很有可能会导致另一段非故障母线亦同时失压。珠海局曾在小电阻系统做过单相接地实验，模拟I母上的一条10kV线路接地时，录到故障线路的3I0=444.4A，I母的#1接地变的3I0=355.5A，而II母的#2接地变亦出现了较大的3I0=157.3A，在随后的数次试验中都是录到性质完全相同的波形。10kV母线是分裂运行，#2接地变的3I0从何而来？
故障前，非故障母线三相电容不对称而合成的一个较小的零序分量由#2接地变的零序回路沟通。接地点是零序电压的基准点，故障后的3I0通过电缆外金属护套流过#1接地变时，将变电站10kV中性点设备处的电位改变，流过接地变的电流由容性变为阻性，该电位与#2接地变中性点电阻上原有不大的电压叠加，使#2接地变中性点的零序电流猛增。所以，当馈线开关拒动时，两套接地变的后备保护会同时动作使全站10kV失压，要通过对l0kV出现换位以保证三相电容对称，难度较大。
5、设备和人身安全的问题
湛江电网选用小电阻接地方式过多是出于考虑电缆的绝缘强度承受能力和接地期间人身触电的问题，但选用小电阻接地方式是否能真正解决这两个问题？
1）能否降低损坏设备的概率
在经消弧接地系统中，接地时由于过电压容易损毁设备，湛江电网曾在06年发生过因接地烧坏一台消弧线圈的事件，08年发生过因接地导致多个绝缘薄弱点击穿而发展为相间故障造成多条线路跳闸事件。但小电阻接地方式是否就能避免此问题呢？
小电阻接地方式，虽然可限制工频过电压和谐振过电压从而降低设备绝缘等级，单相接地故障可以在较短时间内切除，但在保护动作到开关跳闸这一短短的时间内（通常约1S），很大的接地电流也可以烧损接地点的设备（通常可达400A~1000A），加上10kV网络结构复杂，参数变化大，对于非金属性接地的零序电流保护定值难以计算，仍然难免烧损设备且容易“火烧连营”，电缆一处接地，大的电弧会连带烧毁同一电缆沟或电缆隧道的其它相邻电缆，扩大事故酿成火灾。广州供电局在改用小电阻接地后，不但线路跳闸率剧增，且发生了多起接地变压器爆炸烧毁事件，加上零序过流保护的误动作，多次造成主变低压侧断路器跳闸而全站停电及中性点电阻器烧毁等事故，使事故率显著上升，维修工作量和运行费用增加。
而采用消弧接地限制了接地点的短路电流，使接地点只通过很小的接地电流，如选线准确的话，可立即或延时将故障线路切除。对于过电压引起绝缘薄弱点击穿的问题可选用绝缘强度较高的设备来解决此问题，而实际上变电站外线路或电缆在这几年的改造其绝缘强度已得到提高。此外，国内外电网的运行经验表明，中压电网中的事故绝大部分是由绝缘损坏引起的，如因采用小电阻接地而降低绝缘水平后必然会导致事故增多。
湛江在上述的两次事件中均是由于两台消弧线圈在运行时只投入一台而导致接地时补偿容量不足且当时没有及时断开故障线路导致系统带故障点长时运行而引发事件的发展，如当时两台消弧线圈同时投入的话，应该能避免这两起事故。
2）能否解决人身安全问题
小电阻接地系统发生接地时，零序保护能经短延时跳闸，相比消弧接地系统带接地故障点继续运行几小时，的确会降低接地故障后人畜发生触电的机率，但小电阻接地方式只能降低触电机率并不能避免触电的伤亡。且小电阻接地存在零序保护死区，事故多发生在接地时开关不能跳闸的时候。
传统有一种观念认为，在小电阻接地系统中有人误触高压设备时，保护能够迅速跳闸而避免造成伤亡事故。且有些电力杂志亦出现“北京、广州、深圳供电局经事故统计分析证明自采用小电阻接地方式后人身安全事故都有大幅度的下降”的结论，但文中并没有数据证实此论点。经查阅大量有关文献后，却发现另一观点，采用小电阻接地方式会增加了人身伤亡事故。
在小电阻接地系统，广州曾有过一建筑工人将自来水管碰及三元里站10kV线路，因线路及时跳闸工人仅感麻电未受伤害的事件。但在珠海亦曾发生一起因车辆吊臂碰线后，轮胎电阻高而未跳闸，人员下车时触电死亡事件。
在消弧接地系统中，湛江曾因未及时断开接地线路而电死一头牛的事件，但法国亦发生一件属另一番景象的事情，在1993年6月23日，一位法国电工在变电站作业时，20kV的带电导线突然碰到他的颈部，由于该站采用了谐振接地方式，因而不但当时未因接地而中断供电，而且通过触电者的初始电流仅8A，经500ms转移故障后，故障相的电压降至50V，这位电工住院几天后便康复回家了。有专家指出若采用小电阻接地方式，则会有数kV的电压对他作用1S左右，他生存的可能性就很小了。
由以上例子可看出，不论采取哪种接地方式，都会存在人身伤亡的可能性。在电力系统的实践中，是否会造成伤亡的关键是触电者接触带电体的方式、触电后人体的移动方向及抢救方式等因素，而这些因素大都是随机的，只有使保护跳闸的电流没有或少量通过人体而经其它主渠道流散这一先决条件成立，才有可能避免伤亡。人体通过工频的极限电流是100mA，零点几秒的相电压加在人体的极端部份上，可足置于死地。所以，要避免人身伤亡事故并不能简单地由接地方式来决定。
因此，导致死亡的两个指标i、t在小电阻接地系统内无法得到控制，反而消弧接地系统接地点的自动消弧、电流过零自动熄灭的特点，会为触电者提供了绝境逃生的条件。
6、供电可靠性问题
在小电阻接地方式的配网中，稍有接地即跳闸，特别是对于县城以架空线为主的配网，线路清障不彻底，树木对线路放电发生的瞬时接地现象较多发，这样由于瞬时接地故障而引起线路跳闸的机率会大为增加，从而降低供电可靠性，虽然线路有重合闸功能，但也是以短时失电作为代价。
我局市区采用中性点经小电阻接地方式运行的变电站是沙郭站和龙潮站，经统计这两站小电阻接地前和小电阻接地后的跳闸数据可看到：沙郭站从2009年1月7日开始投入小电阻接地方式运行，小电阻接地前2008年全年跳闸11次，小电阻接地后2009年全年跳闸32次，跳闸率比小电阻接地前增长了190.9%；2010年全年跳闸28次，跳闸率比小电阻接地前增长了154.5%，其中由于接地而跳闸的占比为64.3%。
龙潮站从2009年2月27日开始投入小电阻接地方式运行，以小电阻接地前与小电阻接地后的相应一年周期相比较，小电阻接地前即2008年3月-2009年2月跳闸3次，小电阻接地后2009年3月-2010年2月跳闸20次，跳闸率比小电阻接地前增长了566.7%；2010年3月-2011年2月跳闸30次，跳闸率比小电阻接地前增长了900%，其中由于接地而跳闸的占比为70%。
从以上数据可看出，变电站10kV系统改造为中性点经小电阻接地方式后，跳闸率大幅增加，而由于接地而跳闸的占了很大一部分。
五、结论
综上所述，无论是消弧接地系统或是小电阻接地系统，对于降低设备损害程度和人身伤亡事故这两方面都不占优势，故选用中性点接地方式，还应从供电可靠性这一方面考虑。而小电阻接地方式对供电可靠性有着不可低估的影响，且还存在保护配合和死区的问题，应慎重实施。
因此，如何选取中性点接地方式，各配电网应有别而待而不应一概而论，设计者应综合各项数据全面分析比较来选择最佳方案。
综合湛江电网的实际情况，笔者提出以下观点：
1、若是从人身安全的角度来考虑选取小电阻接地系统的话，小电阻接地系统并不比消弧接地系统优越。
2、架空线为主的中压电网宜采用消弧系统，因为架空线路发生瞬时接地机率较多，在电流过零时电弧熄灭，绝缘可自行恢复。
3、电缆为主的中压电网可采用小电阻接地系统。电缆故障一般为永久性故障，但据许多运行资料表明，电缆出线很少存在电缆故障，电缆出线跳闸的原因多是在电缆接头、环网开关和用户端故障，其中用户端故障的比例较大，所以我局的电缆线路重合成功率是较高的，因此电缆出线故障并非完全是永久性故障，其中一部分是瞬时接地故障。所以，若要考虑到供电可靠性，对于电缆为主的配网亦不宜全部都采用小电阻接地方式。
4、以电缆为主的中压电网，据经验值，系统电容电流﹤40A的宜采用消弧接地系统,﹥40A的宜选用小电阻接地系统。因为系统电容电流太大且考虑电网发展消弧备留容量时，涉及到消弧线圈的容量问题及其经济造价问题，不宜再选取消弧接地系统。
5、此外，为保证系统的安全，对现运行的消弧接地系统应定期检测系统的电容电流以免出现补偿容量不足而导致事故扩大的情况。
参考文献：
10kV低电阻接地系统运行浅析 张振旗 黄培专 〈电气工程应用〉2001.3
法国电力公司中压电网中性点改用谐振接地方式的实践经验 要焕年 〈电网技术〉1998.4
