论中压电网接地技术的发展趋势

0. 引言
当今世界正在进入信息社会和知识经济时代。对于电能质量、人身安全、设备安全、通信干扰和环境保护等诸多问题,日益受到人们的广泛关注。同时,形势还在不断提出新的、更高的要求。而限制中压电网单相接地故障电流的危害性,与这些问题密切相关。
近十余年来,谐振接地技术有了突破性的发展。在新技术的支持下,自动选线装置、微机接地保护和自动跟踪补偿装置,克服了传统谐振接地方式的缺点,使其 优点更加突出,优化了相应电网的运行特性。实践结果表明,各项技术经济指标得到了显著的改善。这样,就为限制单相接地故障电流的危害性,提供了有效的技术 支持[1]。

1 限制故障电流是发展的总趋势
近代中压电网发展很快,延伸范围不断扩大,电缆线路日益增多,电容电流迅速增大,单相接地故障电流的危害及由此引起的诸多后续恶果更加突出。这一问题已经引起国内外广大业内人士的普遍关注。
1.1 电阻接地方式的限流
美国IEEE 130标准明确规定,在15 kV以下的中性点经低电阻接地的电网中,对工业设施的接地故障电流限制到400A以下。否则,仅从以下实例便可说明问题的严重性。
根据美国加州公共事业委员会的报告,因配电线路故障,居民平均每年死40人、伤150人。瑞典的城市和农村中压电网,其中性点全部采用小电流接地方式,因 同样原因,全国居民平均每年死亡少于1人、伤4~5人。加州与瑞典的国土面积相仿、人口也不相上下,但伤亡情况却相差悬殊。由此可见,只有通过限制接地故 障电流以降低接触电压和跨步电压的危害,方能真正解决人身安全问题。
对于中性点经电阻接地的电网,日本建议将单相接地电流限制到100-200A,这实际上是“中”电阻接地方式。东京电力公司1990年为上海市所做的“配网规划方案”,就推荐采用这一接地方式。不过,随着电网电容电流的增大,这一接地方式便会受到限制。
这些做法显示了限流的愿望和趋势,但是,即使采用中电阻接地方式也达不到理想的效果,更何况低电阻接地方式呢。
1.2 小电流接地方式的限流
小电流接地方式、特别是其中的谐振接地方式,能够强力限制单相接地故障电流的危害性,其效果与上述情况就大不相同了。
在近来几次国际供电会议(CIRED)上,不少国家都有这方面的研究论文发表。例如,芬兰1997年为CIRED撰文强调:“用户越来越无法容受即使 非常短暂的断电,自动重合闸对那些商业和个人用户又特别有害,因为低于0.5s的断电也会对其它设备造成损坏,而接地故障的有效熄弧能够大大地限制短时间 的停电次数”。因此,芬兰全国中压电网的中性点均采用谐振接地或不接地方式。
为了防止人身伤亡和设备损坏事故,1999年国际供电会议03工作组(CIRED WC03)在“配电系统故障管理”总结报告中指出,根据欧洲标准 (PrEN50179)的规定,所有接地系统的设计,都必须使地电位的升高低于150V; 在此情况下,接触电压不需要特别校验,否则,则需用明确的测量 来证实接触电压低于75V; 而对跨步电压虽无明确规定,若能满足上述要求,则后者一般是不成问题的。由此可见只有限制单相接地故障电流,才是唯一正确的 出路。
中性点采用优化后的谐振接地方式,能够自动强力限制单相接地故障电流,使绝大部分的单相接地电弧瞬间自动熄灭; 当发生单相永久性接地故障时,根据电 网运行情况可自动或手动断开故障线路,由此便带来了一系列的优点。多年实践表明,不论是过去和将来,谐振接地方式在提高供电可靠性、改善电能质量、保障人 身安全、防止设备损坏、降低通信干扰、保护电磁环境等方面的作用是非常显著的,因而是一项经济有效的解决措施。
为了充分发挥谐振接地的作用,在相应电网中调谐消弧线圈时,建议将残流控制在5A以下。这在一般情况下是不困难的。德国、瑞典和独联体等许多国家也都是这样作的,运行效果同样是十分满意的。
1.3 中国部分城市的作法
建国初期,我国简化了电压等级,中压电网的中性点统一采用小电流接地方式,提高了供电可靠性,几十年内积累了丰富的、包括人身安全等诸多方面的成功经 验。近10余年来,许多城市又在谐振接地方式的优化方面,进行了有益的实践,取得了良好的成绩。同时正在积累宝贵的运行统计数据和总结现场实践经验,以期 达到更高的水平。
但是,在20世纪80年代后期,我国有的地区对中性点接地方式问题不够了解,从国外购进了一些低绝缘水平的电力电缆,不能直接投入我国中压电网运行。 所谓与“国际接轨”,并作为“新”技术引进低电阻接地方式,于是少数单位便分别开始了研究和试点,不久便进行了“技术成果”鉴定,其实质就是将小电流接地 方式改为大电流接地方式。接着几个城市也进行了仿效,并且在全国范围内展开了热烈的争论,后来发展到所谓小电流接地方式已不能“适应”我国电网发展的需 要,于是电阻接地方式便列入了行业标准。
而恰巧就在同一时间,法国将运行了30多年的大电流接地方式,分期分批地全部改为谐振接地方式运行。近来获悉,英国也再考虑这一改造问题。
由于以上两种做法恰好相反,其效果必然迥然不同。几个沿海城市的10 kV的城市电网,中性点改经低电阻接地后的运行经验表明,有的城市仅在8年多的 时间里,便发生了11次人身伤亡事故,其中死亡9人,重伤4人,烧伤2人等,遂决定改回谐振接地方式运行。有的城市根据2年的不完全统计,共发生线路跳闸 事故1009次,严重影响了电网的安全运行,于是便又重新发展谐振接地方式。还有的内地城市进行仿效,改后运行尚未满月,用户频频登门反映,只好又改回谐 振接地方式。
以上这些经验教训是十分值得记取的。现在,我国尚未建立电力事故赔偿制度,否则问题更加严重。不过,这只是时间迟早的事,电力部门应当有所准备,并及早采取有效的技术措施。
通过运行实践和广泛讨论,对于架空线路和混合电网,中性点采用小电流接地方式,大家现在已无异议。但目前尚存的一种看法是: “电缆网络的中性点可以 采用低电阻接地方式”。众所周知,国外运行中的中压电网,为节省投资而选用低绝缘水平的电力设备,所以中性点采用低电阻接地方式。而我国的情况却与此大不 相同,包括一些大城市的电缆网络在内,实际上并未降低电缆的绝缘水平。显然,在接地继电保护选择性未获解决或谐振接地方式未进行优化之前,此种看法似乎有 些道理,而现在从中性点接地方式发展的世界潮流来看,恐怕就有些不合事宜了。
我国许多10、35和66 kV的电缆网络,多年来的运行经验充分表明,电缆网络中的单相接地故障并不都是永久性的。例如,有的10 kV电缆网络, 根据10年的运行统计,其中的瞬间单相接地故障占56.8%; 有的35 kV电缆网络,20余年来减少了72.8%的停电事故,等等[2]。显然,电缆 网络的中性点若采用低电阻接地方式,则会显著降低供电可靠性。由此可见,通常所谓“谐振接地方式适用于架空线路电网; 低电阻接地方式适用于电缆线路电 网”的观点,也是不正确的。
综上所述,限制单相接地故障电流的危害性是中压电网中性点接地方式的总趋势。这点已经和正在成为国内外广大业内人士的共识。

2. 优化技术的现状与发展
在优化谐振接地方式这一技术领域中,国内外涌现了许多实用技术的创新成果,为谐振接地方式的推广应用,提供了有力的技术支持。与此相反,低电阻接地方式在技术内涵方面,多年以来基本没有改变。
2.1 微机接地保护或自动选线装置
过去,当发生单相接地故障时,需要人工拉路进行选线,现在则情况大不相同了。
在解决对故障线路的选择性方面。我国有多种原理构成的微机接地保护装置,诸如参数增量、电流信号注入、有功电流、5次谐波电流、暂态电流、功率方向、负序电流、及小波原理等, 在国外还有零序导纳、有功电流、测量相位角的数字等接地保护装置。
其中由参数增量法构成的微机接地保护,其原理简明,不受系统电压和频率波动的影响。当电网发生永久接地故障时,只要适当改变消弧线圈的失谐度,理论分析和近期实践证明,便可正确地选出故障线路[3]。
此外,国外利用零序导纳原理构成的微机接地保护,其灵敏度高,适当地进行整定,便可区分不同性质的单相接地故障等。
我国生产的多种微机接地保护和自动选线装置,部分的动作成功率已经达到了较高的水平,个别不仅可以检测出单相永久接地故障的线路,而且还可以检测出瞬 间接地故障的线路。当然,不少产品尚不能100%、准确地选择单相永久接地故障,应当继续加速改进,以期尽快使其准确性达到100%,以满足这一首要的基 本运行要求。
这里应当指出,利用临时投入与消弧线圈并联电阻检出永久接地故障的办法,国内外电网均曾广泛应用。多年实践结果证明,它只适用于简单的放射形电网,在 复杂一些的电网中,动作便不那么正确了,因此不宜大量推广。对于有的沿海城市、由低电阻接地方式改回谐振接地的电网,我们曾经建议不要拆除该电阻,目的在 于废物利用、节约投资。
同时,这里附带指出,低电阻接地方式继电保护的选择性,在当今形势下却遇到了新的挑战[4]。例如,在架空绝缘导线断线、裸线断线并接触沥青、混凝 土、沙砾等干燥地面情况下,以及汽车轮胎受潮后引起的单相接地故障时,继电保护长时间不能动作于跳闸,后者酿成了严重的人身死亡事故。为解决这一问题而增 大接地故障电流,例如1000~2000A, 则其他不良后果更加严重,而且,这与中压电网中性点接地方式的发展趋势是相违背的。
2.2自动跟踪补偿装置
过去,当发生单相接地故障时,消弧线圈需要人工进行调谐,不仅比较麻烦,而且会使电网暂时失去补偿,现在情况则完全不同了。
在自动跟踪补偿装置方面,我国有多极有载细调、无极连续调节、调容式、调感式、磁阀式、直流助磁式等自动消弧线圈,以及磁阀组合式和可控硅调节消弧变 压器等自动跟踪补偿装置等。在国外还有插棒式无极调节和电流注入式自动消弧线圈、以及最近研制成功的自动消弧线圈加注入电流构成的宽带接地故障电流全补偿 装置等。这些自动跟踪补偿装置,性能和价格虽然各有不同,但运行经验表明,除部分产品存在着局部过热、动作频繁或调节失灵外,其他产品可以基本满足运行要 求。若能提高其性能价格比,则更加有利于推广应用。
借助于自动跟踪补偿装置,避免了传统消弧线圈的缺点; 借助于微机接地保护或自动选线装置,使继电保护的选择性获得解决。这样,谐振接地方式在保留固有优 点的基础上,实现了自身的优化。不过从目前情况来看,为了使优化产品具有竞争能力,必须降低造价并提高其动作成功率。
这里应当指出,目前市场上以价格低廉推销的接地故障转移装置,系在变电所的母线上装一组单相接地断路器,在电网正常运行情况下,该断路器处于断开状 态,当发生单相接地故障后,使该相的断路器自动迅速投入后再断开,在故障点产生无电流间隙,若接地电弧熄灭,则电网可恢复正常运行; 否则,则接地故障转 移装置失效。该装置虽然价格低廉,但只能解决小电网中的部分单相接地故障问题。由于利用的是被摈弃的老技术,其性能不能与上述优化产品相比拟。
此外,有的地区的中压电网,曾经或正在试点的临时转换中性点接地方式的措施,即在正常情况下中性点不接地运行,当发生单相接地故障后,迅速自动投入消弧线圈,熄灭故障点的接地电弧,使电网恢复正常运行。而其效果及应用范围,大致与接地故障转移装置相同。
2.3发展和努力方向
经过国内外十多年的实践检验,在优化谐振接地方式的技术措施方面,自动跟踪补偿装置的运行状况,总体来说相对较好,不过技术、经济指标尚需进一步完 善,以利于广泛应用。有条件的部门和单位,还可研制包括补偿有功电流、高次谐波电流在内的“全补偿自动消弧线圈”,以满足高安全要求用户之需要等。
运行经验同时表明,不少微机接地保护或自动选线装置的动作成功率急待提高,除首先满足100%地检出单相永久接地故障外,在故障定位和检出瞬间故障方 面,也必须加强研究,争取逐步尽快解决,以适应经济、社会不断发展对电能的需要。为提高优化产品的质量和保证其动作成功率,记录、统计和分析运行数据,也 是一项十分重要的工作。例如,芬兰仅在1994~1996年的3年时间内,在20 kV的中压电网中,就获得了476个单相接地故障的现场数据,同时记录 出了馈线和中性点的电压、电流的波形,等等[5]。这些研究成果值得我们借鉴和学习,并建议开展此项研究工作,同时需要有关部门加强协作,密切联系,共同 完成。
这里应当指出,为了提高微机接地保护或自动选线装置的动作成功率,产品试验必须严格把关,特别是型式试验应当跨出实验室,增加单相金属接地和电弧接地 等现场试验内容。退一步讲,若要进行模拟试验,则电气参数也必须是1:1,这样作出的结果才会具有一定的参考价值。否则,只能是“仿”而不“真”。现在有 的制造部门,利用低电压(例如100V等)进行单相电弧接地和金属接地模拟试验,这是完全没有意义的。若将其列入有关规程,将会起到误导作用,显然也是不 妥的。
众所周知,虽然有些继电保护装置可以在低电压、小电流情况下进行模拟试验,但单相电弧接地和金属接地试验却不在此例,而且电算同样也不能替代现场试验。所有这些早已为国内外的许多历史实践经验所证明。

3. 发达国家的概况
法国电力公司(EDF)。 为了改善中压电网的供电可靠性和提高电能质量等,EDF在20世纪80年代中后期,就开始研究采用优化的谐振接地方式。即 在全国范围内,将运行了近30年的中性点经低电阻、低电抗接地方式的、城市和农村的中压电网,分阶段地全部改造为谐振接地方式运行。这里特别值得一提是, 面积为106 km2的巴黎,市内有众多的225/20 kV降压变电所,所与所之间用四路电缆互联,构成了强大的电缆网络,中性点同样已全部改为谐振接 地方式运行。
德国的中压电网。现在的实际情况是不仅在架空线路、而且在电缆网络中,同样也采用谐振接地方式。例如柏林的30 kV电网,当电缆长度曾经为 960 km、电容电流为2900A时,中性点采用谐振接地方式;当电缆长度增至1600 km、电容电流高达4000A时,中性点依然采用谐振接地方 式,41台消弧线圈分布在18个变电所,并获得了十分宝贵的成功运行经验等等。
再如,莫斯科的35 kV、维也纳的26 kV、日内瓦的18 kV等电缆网络,其中性点均采用谐振接地方式,运行情况同样良好。这再次说明,通常所谓的“谐振接地方式适用于架空线路电网; 低电阻接地方式用于电缆线路电网”,这一观点是不正确的。
还有,欧洲的中压电网主要还是采用谐振接地和不接地方式。如瑞典、挪威和部分的意大利、奥地利等国的中压电网,主要为谐振接地方式;丹麦和比利时等 国,主要采用中性点不接地方式; 比利时和西班牙各自仅有一家电力公司,中性点采用低电阻接地方式。至于独联体和东欧几国的中压电网,中性点均采用小电流 接地方式,而谐振接地方式在中压电网中都占有相当的或绝对的优势。
此外,南非开普顿市的33 kV城市电网,过去因通信干扰问题严重,也早已改为谐振接地方式运行了。
美国电网的中性点主要采用大电流接地方式,这是由历史原因形成的。原AIEE明确承认谐振接地方式的优点而未采用,乃因当时接线保护问题没有获得到圆 满解决。因此说过去未采用谐振接地保护方式,是由于技术上的原因,而现在仍保留大电流接地方式,则主要是经济因素。因为美国的电力企业基本为非国营方式, 大约3500家私有企业,如果改变中压电网的中性点接地方式,则必须更换大量的电力装备,显然,这在经济上是十分不合算的。但是,他们在电网规划中明确规 定,10年内停电的时间不得超过24h(相当于每年停电不超过144min),故仍可将供电可靠性维持在较高的水平。然而,大电流接地方式在许多方面的缺 点却是比较明显的。
日本过去的情况与德国相同,电力系统的中性点主要采用谐振接地方式。在侵华期间,从我国的黑龙江到海南岛,对3~154 kV电力系统的中性点就是如 此处理的。日本在二战失败后,国民经济濒临崩溃的状况。美国作为战胜国进驻日本,在政治、经济和社会的各个领域起了主导作用。由于当时美国的电力设备大量 倾销日本市场,在这种情况下相应的大电流接地方式便进入了日本。例如,1947年在22~77 kV的中压电网中,中性点直接接地方式约占到71%。但 是,后来到了1975年,在日本的3~6 kV的电网中,中性点不接地方式为92.6%,44~77 kV的电网中,消弧线圈和电抗接地方式占到 65.5%,电阻接地方式仅为32.8%。同时,为了限制单相接地故障电流的危害性,日本将接地电流限制到100~200A,即所谓“中”电阻接地方式。 不过,随着电网电容电流的增大,这一接地方式便不再适用了。等等。

4. 结语
研究中性点接地方式的目的,在于正确认识和处理电网中最常见的单相接地故障问题。在选定中性点接地方式时,应力求将单相接地故障时的不良后果限制到最低程度,同时使运行费用最低和效益投资比最高。
随着电网的不断发展和丰富的实践结果表明,在选定中压电网的中性点接地方式时,限制单相接地故障电流的危害性是必须考虑的首要问题。从综合经济技术指 标来看,以谐振接地方式为代表的小电流接地方式优于其他接地方式,这是中压电网的中性点接地方式发展的总趋势,并且已经和正在成为国内外广大业内人士的共 识。
最后顺便指出,在马斯洛的七个层次需求理论中,人类在生存需求之后的第二层次的需求是安全。在人类发展的漫长历程中,人们为人类及其自身的安全进行着 不懈的努力,除了通过法律、道德的约束保护人们生命和财产的安全外,还需要通过技术手段,为人类创造一个安全的生活和工作环境。国内外电力系统的运行经验 表明,优化后的谐振接地方式便是其中的一项重要技术措施。当然,若能加快完善其技术特性并降低成本,将会更加有利于推广应用[1]。⊙

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这货来去如风,什么鬼都没留下!!!
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