瞿寒冰，尹茂林，金 谊，谭苏君

（国网山东省电力公司济南供电公司，济南 250012）

·电网技术·

基于自适应控制模式的配电网接地方式研究

瞿寒冰，尹茂林，金 谊，谭苏君

（国网山东省电力公司济南供电公司，济南 250012）

电网中性点的接地方式对电力系统安全经济运行具有重要影响。提出一种自适应控制的配电网接地方式，该方式基于中性点经消弧线圈接地的方式，增加一组自适应控制的并联回路，通过开关的投切实现优化调整；在故障选线模块中增加对线路零序电流的附加分析，有效提升了系统单相接地选线的准确度。实际案例证明了所提系统的有效性和实用性。

单相接地故障；中性点接地方式；配电网；自适应控制

0 引言

电网中性点的接地方式与电力系统运行可靠性、安全性和经济性密切相关［1-2］。随着智能电网的建设和发展，针对城市电网和配电网中性点接地方式的选择成为当前电网智能化改造建设的重点关注问题之一。

为提高配电网的供电可靠性，当前配电网中性点常采用不接地或经消弧线圈接地的方式，当发生单相接地故障时，接地电流较小，断路器保护不动作，通过发出接地信号提醒调控人员，若为永久性故障需要根据选线信息采取人工拉路的方法来判断故障线路并隔离。此类接地方式下针对线路永久性故障（特别是电缆线路故障）的隔离效率较低，易造成设备长时间的过电压运行，且人为判断操作的可靠性难以保证，影响设备和人身安全。若采用中性点经小电阻接地的方式，当线路发生单相接地故障时，所产生的大电流信号能有效实现断路器保护的准确动作，快速实现故障线路的隔离，能有效避免线路长时间的过电压运行，降低绝缘强度，但该方式下无法区分瞬时性接地故障和永久性接地故障，即系统中任何单相接地故障都使保护动作跳闸。尤其10 kV架空线路的单相接地故障概率较高，这种接地方式大大降低了系统的供电可靠性。因此如何统筹考虑瞬时性接地和永久性接地故障以及架空线路和电缆线路等多种情况，提出一种能实现自适应控制的配电网接地方式，对提高电网的供电可靠性和运行安全性至关重要［3-4］。

本文提出一种自适应控制的配电网接地方式，该接地方式在原有中性点经消弧线圈接地的基础上，增加一组自适应控制的并联回路，该回路包括一组高压并联开关和可变电阻，开关的投切和电阻值均通过自适应控制模块实现优化调整。当发生瞬时性单相接地故障时，该接地方式可通过消弧线圈使接地点的电弧快速熄灭，使瞬时性单相故障快速消除，保证了供电可靠性；同时当发生永久性单相接地故障时，可通过控制策略投入并联小电阻，实现保护的快速动作，实现故障线路隔离，相较于传统的人工拉路方法，其效率大大提高；同时由于在单相故障后并联电阻的投入，通过在故障选线模块中增加针对线路零序电流的附加分析，通过分析线路零序电流中的有功分量与常规选线分析相耦合，实现对系统单相接地选线准确性的大幅度提高，同时发出跳闸信号提高了故障线路隔离的效率。

1 现有配网接地方式对比分析

当前中压配电网中，中性点的接地方式主要包括不接地、经消弧线圈接地、经小电阻接地等。

1.1 不接地方式

该方式下，实际是经变压器中性点的等值电容接地，绝缘状况不好时还包括泄漏电阻，系统的零序阻抗呈现容性。当发生接地故障时，非故障相的电压最高会升至线电压，而故障点流过的电流为非故障线路电容电流的总和。当系统规模不大时，该接地方式下的电容电流较小，对系统影响较小，系统允许运行一段时间，能有效提高用户的供电可靠性，该方式在系统电网建设初期得到广泛应用。随着系统规模的增大，且城市电网中电缆的比例越来越大，对地电容电流达到一定值时，容易产生弧光接地过电压，造成系统设备绝缘破坏，严重影响系统的安全性［5-6］。

1.2 经消弧线圈接地

该方式采用消弧线圈接入中性点，消弧线圈是一种铁心带空气间隙的可调电感线圈，通常经接地变压器的虚拟中性点接入系统，实现对电容电流的补偿，且消弧线圈会使故障相恢复电压上升速度变慢，能保证故障点电弧迅速熄灭和避免发生重燃，有效避免电弧的接地过电压；另一方面，能有效限制单相故障时的接地电流，降低对设备和系统装置的要求。当系统发生瞬时单相接地故障时，消弧线圈能使故障点电弧迅速熄灭，实现故障的快速自动消除。但该接地方式下，针对电缆线路常发生的永久性故障无法实现快速隔离，需要根据选线信息进行人工拉路，另外由于单相故障时的接地电流较小，增大了故障选线的难度，选线装置的准确率难以保证［7-8］。

1.3 经小电阻接地

该方式是在接地变压器的虚拟中性点接入低电阻，可以避免不接地方式下的弧光过电压，同时发生单相接地时，故障电流较大，能有效实现故障选线，并能使保护快速动作跳闸隔离故障。该方式下非故障相的过电压水平较低，对设备绝缘水平要求相对较低。该方式对城市电网的电缆线路来说是一种理想的接地方式。由于电缆线路的故障多为永久性故障，过大的电容电流易使单相故障范围扩大为相间故障，因此小电阻的接地方式能使保护及时跳闸来切除故障线路。但该方式下系统中任何的单相接地故障都会动作于跳闸，对于以架空线路为主或以架空与电缆混合线路组成的电网，其线路跳闸率过高，降低了供电可靠性［9-10］。

综上所述，现有各种配电网中性点接地方式都各有优缺点。中性点不接地方式下，若单相故障的电容电流较大容易产生弧光接地过电压，造成系统设备绝缘破坏，严重影响系统的安全性；中性点经消弧线圈接地的方式，针对电缆线路常发生的永久性故障无法实现快速隔离，需要根据选线信息进行人工拉路，另外由于单相故障时的接地电流较小，增大了故障选线的难度，选线装置的准确率难以保证；中性点经小电阻接地的方式，系统中任何的单相接地故障都会动作于跳闸，对于以架空线路为主或以架空与电缆混合线路组成的电网，其线路跳闸率过高，降低了供电可靠性。

2 自适应控制配电网接地方式

提出一种自适应控制的配电网接地方式，该接地方式在原有中性点经消弧线圈接地的基础上，增加一组自适应控制的并联回路，该回路包括一组高压并联开关和可变电阻，开关的投切和电阻值的调整均通过自适应控制模块实现优化调整。该自适应控制模块的输入量包括中性点电压、中性点电流、线路零序TA电流、母线TV电压、外设输入（参数设定）等其他电网数据；输出量则包括消弧线圈和并联电阻的档位控制量、并联开关的投切信号、接地信号、跳闸信号、选线信息等多种类型数据。该配电网接地方式的一次接线如图1所示。

图1中的自适应控制模块包括4个部分：接地判断模块、跳闸控制和自适应优化模块、接地选线模块以及输入输出模块，具体如图2～5所示。

图1 配电网接地方式的一次接线简图

2.1 接地判断模块

图2所示模块的主要功能是对接地故障进行判断并发出相关信号。为提高接地信号的准确性，本模块中增加对母线电压的采样，实现与中性点电压和电流的综合考虑。具体步骤是：1）首先对中性点电压、中性点电流和母线电压进行采样，采样过程中应采用统一的时钟，以保证数据在时间上的同步性；2）当发生单相接地时，接地相电压降低，非故障相电压升高，最高可升高为线电压，但为了保证足够的灵敏度和裕度，应在选择设定合适的Vbmin和Vbmax。当母线电压的某相电压低于Vbmin且其余两相电压高于Vbmax时，则发出异常信号；3）正常情况下中性点电压应低于Vset（一般为额定相电压的15%），若中性点电压高于Vset，且某相电压发出异常信号，则判断为接地故障；4）正常情况下中性点电流应低于Iset（一般设定为4.5 A），若中性点电压高于Vset，且某相电压发出异常信号，则判断为接地故障。图2所示模块中采用的中性点电气量和母线电压复合校验的方法，能有效避免因三相不对称产生的中性点电压偏移进而错发接地信号的情况，同时也能规避当母线TV二次侧断线引起的母线电压异常进而错发接地信号的情况，因此具有更广泛的适应性。

图2 接地判断模块

2.2 跳闸控制和自适应优化模块

图3为跳闸控制和自适应优化模块。常规的配电网接地方式为中性点经消弧线圈接地，该方式下发生单相接地故障时，通过消弧线圈实现对地电容电流的补偿，一方面可限制故障电流的大小，一方面可使电弧尽快熄灭，并能有效限制电弧的重燃。消弧线圈装置通过跟踪电网参数和运行方式的变化实现自动调节，进而实时跟踪补偿电网的电容电流。本发明中采用预调式的跟踪补偿方式，通过扫频装置对电网的实时谐振频率进行分析，结合设定的脱谐度对消弧线圈档位进行调节，具体的优化控制策略为

式中：k0和k分别为调整前后的消弧线圈档位；γ0为设定的脱谐度；γ为扫频装置分析计算得到的实际电网脱谐度；α为调整系数；Ceiling为取整函数，该模块中设定选择取较高档位的整数值。

图3 跳闸控制和自适应优化模块

若消弧线圈档位调整后系统的脱谐度为γ′，则对并联电阻档位的修正调整策略为

式中：R0和R分别为调整前后的并联电阻值，认为可连续可调；电阻的调整与脱谐度的调整具有反比例关系，由此调整系数β为负值。

由于消弧线圈和并联电阻与脱谐度的调整在实际中存在误差，因此图3所示模块中增加了自适应的优化调整过程，即根据调整后实际系统的脱谐度和零序电流值对控制策略中的调整系数进行反馈修正，这种对参数的自适应学习优化能有效降低下一次故障时控制调整的误差，其相应的修正公式为

式中：Sα和Sβ为优化调整步长，根据实际系统参数分析人为设定；c为权重系数，取值区间为［0，1］；I′为实际的零序电流值；I0、Imax、Imin为设定的目标零序电流值、最大零序电流值和最小零序电流值，由系统的绝缘水平、断路器的动作电流和实际工程标准确定。

当系统发生接地时，首先投入消弧线圈对电容电流进行补偿，若为瞬时接地故障，则故障点电弧熄灭，系统恢复正常，此时并联电阻不需要投入，可通过设定开关延迟闭合时间tset（通常为10～60 s）来实现该功能；若未永久性接地故障，但故障时间大于tset时，则闭合电阻开关，此时投入根据上述策略预调整的并联电阻，并联电阻的投入使得系统形成回路，使得故障电流增大，触发已整定好的线路断路器动作跳闸隔离故障。为避免断路器拒动后系统故障电流的持续存在，在模块中增加一延迟控制，即当并联电阻开关闭合后的时间大于t保＋ε时（t保为保护的动作时间，ε为裕度时间），开关自动断开，形成对系统的后备保护。由上可看出，该接地方式下能有效保证瞬时性单相接地故障下的供电可靠性，同时可实现线路永久性单相接地故障在tset＋t保时间内自动切除，相较于传统的人工拉路方法，其效率大大提高，同时并联电阻的投入也使得故障线路特征明显，提高了跳开故障线路的准确性。

2.3 故障选线模块

根据图3所示模块，当断路器拒动后，并联电阻延时断开，系统状态回归至正常经消弧线圈接地的情况。本文中为提高选线的准确性，在常规选线装置中增加一附加分析，当电阻开关闭合后，系统的故障零序电流中将增加有功部分，且消弧线圈对电容电流实现补偿后，该有功部分的比重较为明显，因此，通过分析线路零序电流中的有功分量能大大提高故障选线的准确性。图4所示模块中通过与门实现与常规选线分析的耦合，若一致则直接对断路器发出跳闸信号实现所选择线路的隔离，若不一致，则仅通过显示装置将选线信息提供给调控或运维人员。该模块的使用能大幅度提供系统选线的准确性，进而通过跳闸信号提高故障线路隔离的效率。

2.4 输入输出模块

图5中针对自适应控制模块中的输入输出部分进行了定义和描述，通过外设输入可实现电压、电流、时间阈值以及脱谐度的设定和赋值，相关的选线信息、谐振频率、档位位置、相关信号则可通过显示屏、打印机、指示灯等设备实现信息输出。

图4 故障选线模块

图5 输入输出模块

在常规接地装置的基础上，增加经开关并联的中性点接地电阻，提出一种自适应的控制模块，通过采集处理相关监测数据实现对并联电阻的优化控制。整个自适应控制部分主要由4个模块构成：接地判断模块、跳闸控制和自适应优化模块、接地选线模块以及输入输出模块。在进行接地故障判断时，采用中性点电气量和母线电压复合校验的方法，能有效避免因三相不对称产生的中性点电压偏移进而错发接地信号的情况，同时也能规避当母线TV二次侧断线引起的母线电压异常进而错发接地信号的情况，具有较好的适应性；自适应控制模块能根据电网信息控制投切并联电阻，并能根据调整的电气量对控制策略参数进行自适应优化调整，该模块能有效保证瞬时性单相接地故障下的供电可靠性，同时可实现线路永久性单相接地故障在tset＋t保时间内自动切除，相较于传统的人工拉路方法，其效率大大提高；故障选线模块中增加了针对线路零序电流的附加分析，通过分析线路零序电流中的有功分量与常规选线分析相耦合，实现对系统单相接地选线准确性的大幅度提高，同时发出跳闸信号提高了故障线路隔离的效率。

3 算例分析

图6所示为一实际地区电网的110 kV变电站，其采用了本文所提的自适应控制配网接地方式，站内3段110 kV母线采用内桥接线，通过3台主变压器带6段10 kV母线运行，10 kV母线侧采用分列运行模式。

实例1。2015年某日，10 kV线路4上HK01Z支152号支1杆A相避雷器引流线因雷雨大风造成与分界开关斜支撑横担搭碰，故障发生后10 kV 2号母线A相接地信号发出，10 kV线路4零序过流保护动作跳闸，随后接地信号消失，故障电流保护侧测量值为2.2 A。该实际案例的动作情况符合所提自适应控制接地方式的动作原理，即在10 kV线路4发生永久性接地故障的时候，需要保护动作跳开线路4。

图6 某110 kV变电站电气接线图

实例2。2016年某日，该变电站10 kV 6号母线B相电压为0 V，AC两相电压正常，本文所提系统发出系统电压异常信号，后经排查为10kV6号母线B相TV二次断线造成电压异常，数据无法回传，不影响线路正常运行。根据图2所示接地判断模块所示原理该情况下系统装置只发异常信号，不应发出接地信号，且不应动作跳闸，实际情况符合系统动作原理，本文所提自适应接地方式能有效应对TV二次断线情况，避免了以往系统发出接地信号需人为判断的情况。

4 结语

提出一种自适应控制的接地方式，详细描述了该方式的总体框图和各部分功能的实现方案，该接地方式在原有中性点经消弧线圈接地的基础上，增加一组自适应控制的并联回路，该回路中的开关投切和电阻值调整均通过自适应控制模块实现优化调整；采用中性点电气量和母线电压复合校验的方法进行接地故障判断；定义了一种故障选线的附加控制模块，通过对并联电阻投入后线路零序电流的有功分量进行附加分析。实际变电站的运行案例证明了本文所提方法的有效性，一方面可以准确动作于10 kV线路的单相永久性接地故障，另一方面可有效判断各种错发接地信号的情况，有效避免了人为判断带来的运行安全风险。

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Research on Grounding Mode of Distribution Network Based on Adaptive-control Mode

QU Hanbing，YIN Maolin，JIN Yi，TAN Sujun
（State Grid Jinan Power Supply Company，Jinan 250012，China）

Neutral grounding mode of a network is of great importance to the safe and economic operation of the power system. An adaptivecontrol neutral grounding mode of distribution power system is proposed.Based on the mode of the neutral g rounding through arc suppression coil，an adaptivecontrol parallel resistance is added with a switch.With analysis of line zero-sequence current in the fault line-selecting model，the accuracy of line selection is improved for single-phase-to-earth fault.The effectiveness is demonstrated by the actual case.

single-phase-to-earth fault；neutral grounding modes；distribution network；adaptive-control

TM726

A

1007－9904（2017）03－0001－05

2016-10-23

瞿寒冰（1985），男，高级工程师，从事电力系统调度运行与控制相关工作。