一、概要
京广线广坪段10kV自闭、贯通线路，北起局分界，南至广州机务段配电所，全长310.29正线公里，由坪石、乐昌、韶关东、乌石、英德、源潭、江村、广州机务段8个变配电所形成7个供电臂。每个配电所具备两路电源进线条件。
广坪段贯通线始建于1986年，以架空线路为主，电缆线路占全线路的31%，供电系统采用的是中性点不接地系统。去年的广坪段贯通线路适应性改造设计中，各供电臂电缆占线路比例见下表：
各供电臂正常（正序）、故障（零序）电容电流见下表：
电缆线路已占全线路的55.72%，当发生双边供电时，各供电臂的零序电容电流都大于10A，且小于150A，TB10008-2015《铁路电力设计规范》4.3.10第2条规定，“当系统单相接地故障电容电流不大于150A时，可采用低电阻接地方式或消弧线圈接地方式；当系统单相接地故障电容电流大于150A时，宜采用低电阻接地方式”。两种不同接地方式的比较在《工业与民用供配电设备手册（第四版）》P60页表中可查到。
二、10kV线路系统接地方式及特点
电力系统中性点的接地方式基本上可以划分为两大类，即大电流接地方式和小电流接地方式，而大电流接地方式又可细分为中性点直接接地和中性点经小电阻接地，小电流接地方式可细分为中性点不接地、中性点谐振接地和中性点高阻接地。对于电压等级较高的电力系统，主要是限制工频电压的升高和降低绝缘水平，所以采用大电流接地方式。对于电压等级较低的电力系统，主要是为了限制单相接地故障电流，所以可以有条件的采用小电流接地系统。
对于单相接地故障电容电流大于10A而小于150A的10kV电力供电系统而言，在工程设计中，应对各种因素综合考虑，详细论证，得出最佳设计方案。
1、10kV中性点不接地方式
中性点不接地方式主要特点是简单，不需要增加任何附加设备，特别适合于以架空线为主或电容电流比较小的架空电缆混合线路，在发生单相接地故障时，通过故障点的电流仅为线路对地电容电流。
中性点不接地的最大弱点是：中性点是绝缘的，线路对地电容中储存的能量没有释放，当系统对地电容够大时发生弧光接地，故障点的电容电流相当大，会在接地点产生间歇式电弧，引起过电压，使非故障相对地电压大大升高，在电弧接地过电压的作用下，可能导致绝缘损坏，造成两点或多点的接地，使事故进一步扩大，同时，由于系统存在电容和电感元件，在倒闸操作或故障时，很容易引发线性谐振或铁磁谐振，一般说，对于馈线较短的线路会激发高频谐振，引起较高的谐振电压，极易造成电压互感器绝缘击穿；而对于馈线较长的线路会激发起分频铁磁谐振，此时电压互感器呈较小阻抗，通过电压互感器的电流成倍增加，引起熔丝熔断或电压互感器过热烧毁。
2、中性点经小电阻接地方式
中性点经小电阻接地，就是在中性点接入一小阻值的电阻，该电阻与系统对地电容构成串联回路。一般选择的电阻值较小，在系统单相接地时，接地点电流控制在100A～500A左右，通过流过接地点电流来启动零序保护动作，切除故障线路。
小电阻接地具有如下优点：
（1）当系统发生单相接地故障后，继电保护动作跳闸，以保证人员安全，将事故影响减少到最小。
（2）可以降低弧光接地过电压倍数，破坏谐振过电压放生条件。
（3）可以准确迅速地判断出故障线路
3、中性点经消弧线圈接地方式
中性点经消弧线圈接地称为谐振接地系统，消弧线圈是一种铁芯带有空气间歇的可调电感线圈，当系统发生接地故障时，消弧线圈的电感电流补偿了线路的电容电流，限制了接地故障电流的破坏作用，使得残余电流的接地电弧易于熄灭，当残留过零熄灭后，又能降低故障相恢复电压的初速度和幅值，避免接地电弧的重燃并使之彻底熄灭。由于接地故障电流的减小，有力地限制了接地电流和电弧的电动力、热效应和空气游离等破坏作用，防止或减小了在故障点形成残留性故障的概率，使故障点介质绝缘的恢复强度很容易地超过故障相电压而恢复初速度，从而得以彻底熄灭接地电弧，补偿电路并在瞬间恢复正常工作。
采用中性点谐振接地方式，在系统发生单相接地时，流过接地点的电流较小，可以带单相接地故障运行1至2小时。当接地电流小于10A时，电弧能自灭。因此中性点谐振接地的供电可靠性大大的高于中性点经小电阻接地方式。
中性点经消弧线圈接地存在的问题：
（1）当系统发生单相接地时，由于接地点残留很小，且根据规程要求消弧线圈必须处于过补状态，接地线路和非接地线路流过的零序电流方向相同，故零序过流、零序方向保护无法检测出已接地的故障线路。
（2）线路的单相电容电流主要由线路和电力设备两部分组成，由于电力设备的电容电流远小于线路的电容电流，往往忽略不计，故10kV电缆线路的单相接地电容电流约为：
Ic=KUnL K=（95+1.44S）/（2200+0.23S）
如果10kV电缆线路的单相接地电容电流为每km1.0～1.5A，而架空线的电容电流为电缆的3%，电缆线路代替架空线路，使得电容电流剧增，造成了单相接地故障的电弧电流过大，电缆的接地故障是非自复性故障，如果不切除故障点，只能使电缆损坏加大，事故扩大；在接地点的检出过程，对人口密集地区而言，结果会非常严重，而且该系统仅能降低弧光接地过电压的幅值，将使系统设备长时间承受过电压，对设备绝缘造成威胁。
（3）难抑制电容电流，不能很好的起到补偿作用。
理论电容电流和实际电容电流相差较大，对于电缆和架空混合的网络，消弧线圈补偿的准确度难以保证，所以不能很好的起到补偿作用，仍出现弧光不能自灭及过电压问题，中性点经消弧线圈接地基本原理是利用单相接地产生的零序电压，使消弧线圈出现电感电流，与线路电容电流的相位相反，来抵消电容电流。电容电流是采用消弧线圈来补偿的，使残余电流＜10A，但实际很难做到，其原因主要有：
1）消弧线圈的过补偿应为10%，若电容电流为150A，则残余电流为150×10%=15A。该电流＞10A，不能熄灭电容电流。若脱谐度为3%，则残余电流为150×3%=4.5A，这样电容电流能自动熄灭，但此时脱谐度过小中性点位移超过了安全电压的15%。
2）电缆长度不断变化，很难及时调整消弧线圈的参数，以达到计算要求的配合度。
3）无法抑制线路电容电流的谐波分量。有些线路谐波电流占的比例达5%～15%，仅谐波电流就可能远大于10A。在10kV中性点不接地系统中，，如果发生单相接地故障，会产生弧光重燃过电压，这样造成电气设备的绝缘损坏，或开关柜绝缘闪络，电缆绝艳击穿。
三、影响10kV线路系统接地方式的因素
影响10kV供电系统接地型式的因素很多，其主要因素为：供电可靠性、人身安全性、设备安全性、绝缘水平、过电压保护、继电保护、电磁兼容和综合经济指标合理等。
1、供电可靠性
1）中性点不接地或经消弧线圈接地方式与中性点经小电阻接地方式或直接接地方式相比，最大的优点是在发生单相接地故障时，该系统可带单相接地故障运行2h，或得足够的时间排除故障，以保证对用户的不间断供电。广坪线为10kV两端供电网络形式，且具有自闭、贯通两条线路，因此供电连续性这一优点在以电缆为主的自闭、贯通供电网络中并不突出。
2）另外当发生接地故障时不应带故障运行，还可能造成电缆着火；从实际运行情况看，单相接地故障引发的相间短路故障较多，反而扩大了停电范围，尤其是引起母线短路故障，相当于变压器出口短路，可能造成变压器损坏。
3）改成小电阻接地方式运行后，绝缘事故降低，降低了母线绝缘概率；保护配置得当，可不降低供电可靠性，对电缆线路为主的配电网中的架空线路，可依靠自动重合闸来减少停电时间，由于重合闸的成功率较高，所以对停电时间不会有所增加。但是当发生单相接地故障时，无论永久性还是瞬时性故障障，均跳闸，线路跳闸次数大大增加，除去重合闸成功的，这也影响了对铁路用户的正常供电，供电可靠性有可能降低。
2、人身安全
人身安全，它是中压电网接地方式选择必须考虑的一个重要问题。
一种常见的观点是：当发生单相接地故障时，低电阻接地方式瞬间跳开故障线路，可减少人身触电伤亡事故。但是，这种观点值得商榷。故障条件下的人身安全取决于流过人体的时间-电流特性，也即取决于接触电压和跨步电压与切断时间的特性。当低电阻接地的中压电网发生单相接地故障时，在断路器跳闸前，由于接地故障电流增大，故障点和中性点附近形成了危险的接触电压和跨步电压，即使瞬时跳开，但却不能从根本上解决问题。同时，在低电阻接地系统同样会出现高阻接地故障，若不能瞬时跳闸，则危险更大，10kV贯通线路为架空电缆混合线路，这个问题将更加突出。
中性点经低电阻接地的配电网，单相接地电流很大，会产生强烈的高温电弧，其持续时间虽短，可是出现的频率很高，必然对人构成更大的威胁。此外，高温电弧也容易引起火灾。
广坪段电力贯通线路一个供电臂中最大电容电流不超过70A，采用谐振接地方式时，接地故障电流可降至10A以下，对人身安全的保障和限制接地电弧都更为有利。
3、通信干扰与电磁兼容
电力网在正常运行和故障的情况下，因电磁耦合、静电耦合、地中电流传导和高频电磁辐射四种原因，可能对通信网络产生干扰作用。对于中压电网，主要是前三种情况。理论和实践结果表明，限制单相接地故障电流是防止通信干扰的有效措施。谐振接地电网单相接地故障电流小，对通信与电磁干扰小。广坪线铁路沿线通信采用光纤传输，信号采用屏蔽电缆，根据运行情况看，这方面的干扰应该影响不大。
4、绝缘水平
关于绝缘水平，一种观点认为：10kV线路采用小电阻接地方式时，可以快速切除接地故障，过电压水平低，能消除谐振过电压，因此可采用绝缘水平较低的电缆和电气设备。而实际上，研究与实践证明，降低绝缘水平的经济效益，从110kV电压等级开始较明显，对于10kV电网则相差无几。
广坪线八个变配电所，配电柜均为10kV手车式开关柜，其额定工频耐受电压为42kV，高于IEC标准，本文不在此展开。本文主要讨论10kV电缆的绝缘水平。
国标《额定电压１kV到35 kV挤包绝缘电力电缆及附件》GB/T 12706中参照IEC标准中的三类电缆并合并为两类绝缘水平的电缆。其中10kV电缆的规定见表1。
.工程中采用低电阻接地方式，选用A类电缆确实可以减少一次投资。
另外，根据《额定电压１kV到35 kV挤包绝缘电力电缆及附件》GB/T 12706中的规定，10kV电缆的绝缘标称厚度见表2：
对于中压电力电缆而言，铜、铝等金属材料才是电缆成本的主要部分。对于10kV电缆，其不同类别绝缘厚度相差为1.1mm，通过减少绝缘材料来节省投资，其效果有限。
广坪线电力贯通线改造采用的是C类电缆，即使采用小电阻接地系统，降低绝缘这方面的优点并不突出。
5、谐振过电压
中性点经电阻接地方式，由于在零序网络中接入了电阻，是消除电压互感器谐振过电压的有效方法之一。从限制电压互感器谐振过电压的角度出发，一般认为在单相接地故障电流中，如果电阻电流大于电容电流，就可以有效地限制电压互感器谐振过电压，而这对一般网络是很容易满足的。系统单相接地时，健全相电压不升高或升幅较小，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。
变配电所在中性点不接地时，采用单相接地熔丝熔断来激发出的基频电压互感器谐振，在投入接地电阻后，零序电压很快衰减为零，基频谐波被消除。
6、继电保护
中性点经小电阻接地后，继电保护的配置可以通过时间进行配合，使故障停电范围缩到最小。接地时，由于流过故障线路的电流较大，零序过电流有较好的灵敏度，可以比较容易地监测和切除接地线路。如果有人误碰带电设备时，可以防止由于受到大电流的烧灼，加重对触电人员的伤害，减少人员伤亡事故。对单相接地故障而言，故障电流增大，并有零序电流产生，因而保护配置应增加零序保护。根据经验，保护装置宜采用不同时限的零序电流保护。
保护配置还应考虑：线路采用零序电流互感器和反应工频电流值的零序电流接地保护作为单相接地保护，作用于断路器跳闸。
四、中压电网对低压配电系统中性点接地方式的影响
1、中压电网接地方式对低压配电系统的影响
首先阐明一个概念，即中压电网（10kV）的接地和低压系统的接地往往不是指同一个地。10kV配电变压器（10/0.4/0.23kV）和其上级的电源变电所通常不在一个建筑物内，并且相距甚远，因此10kV配电变压器高压侧的接地故障电流通常是通过大地返回电源侧（10kV小电流接地系统发生接地故障时，接地故障电流不算是通过大地返回电源侧）。而10kV配电变压器和由其供电的低压电气装置多数是位于同一建筑物内，因此低压电气装置的接地故障电流往往不是通过大地返回变压器的低压侧。这也就决定了中压侧的接地方式和低压侧的接地方式显著不同。
1）10kV电网的运行方式及其故障电压
10kV的配电变压器既是中压电网的负荷侧，又是低压系统的电源侧。在大多数情况下，10kV变压器外壳的保护接地与低压配电系统中性点的功能接地共用的是一个接地网。在发生单相接地故障时，由于中压电网中性点接地方式的不同，流入该接地网的接地故障电流会有显著区别，地网电位升高也大不相同。
根据《城市电网规划设计导则》Q/GDW 156-2006的规定，10kV城网中性点接地方式主要包括不接地、经消弧线圈接地或经低电阻接地。各种接地方式对应的接地故障电流和运行方式可以用表4进行概括：
可见，对于中性点采用小电流接地方式的10kV电网，当运行中发生单相接地故障时，因为接地故障电流Id≤10A，即使配电变压器接地网的接地电阻Rd取上限值4Ω，地网电位升高的最大值也不会超过40V，上述电压无疑对保障人身安全有利。而对于中性点采用经低电阻接地的10kV电网，由于接地故障电流Id≥150A，即使取地电阻Rd=1Ω，则地网电位的升高依旧可达150V，容易造成人身电击伤害。而且实际上为了保证继电保护动作可靠等原因，10kV电网经低电阻接地时的接地故障电流往往超过150A，故障时的地网电位会更高。
2）中压系统接地故障时低压电气装置的暂时过电压
向低压系统供电的用户变电所，其中压侧发生接地故障时，低压电气装置产生的暂时过电压可能对人身造成伤害，有必要仔细研究。
国标GB 16895.11的新版送审稿（IEC 60364-4-44：2007）中图44.A2规定了故障电压的幅值和最长持续时间，这是保障人身安全的一条曲线。从保障人身安全的角度考虑，或者降低故障电压，或者缩短故障持续时间（切断电源）。国标GB 16895.11的新版送审稿以下图为例进行了相关分析。
其中U1、U2、Uf分别为低压主配电屏上的应力电压、低压电气设备上的应力电压、外露可导电部分与地之间的故障电压；RE、RB、RA分别为变压器保护接地电阻、低压电源侧功能接地电阻、用电装置保护接地电阻。以TN和TT系统为例，其应力电压和故障电压见表5。
以TN系统为例，用户终端变电所的RE和RB多数难以分开（变电所在建筑物内时，RB通常为建筑物基础，RE也需要通过建筑基础接大地）。RE和RB共用接地装置时，Uf为RE×IE，可见为降低故障电压、缩短故障持续时间只能从三个方面考虑：1）降低IE；2）降低RE；3）缩短故障切除时间。另外，等电位联结可以作为附加保护措施。
10kV电网采用中性点不接地或经消弧线圈接地方式时，前面已指出其单相接地故障电流低（不大于10A），大多数情况下其故障电压满足要求。10kV电网采用经低电阻接地方式时，其接地故障电流为数百安培，只能降低RE或尽快切除故障线路。当接地故障电流过大时，单靠降低RE已不能将故障电压限制在安全范围内，而切除故障取决于变电所的开关整定。
五、高铁采用中性点经小电阻接地系统情况分析
我国高铁建设突飞猛进，已经构成八横八纵的格局。高铁供电大部分选用小电阻接地，充分利用小电阻接地的优点，达到良好的效果。小电阻接地系统能在高铁供电得到安全可靠的利用，笔者认为主要基于两个方面，其一是电缆的敷设环境；其二是可靠的接地系统。
1、电缆的敷设环境
高速铁路设计规范明确要求铁路路基两侧应设置电力电缆槽，也就是说高压电缆全程防护，且敷设在完全封闭的区间内，受外界环境影响极小。
另外铁路供电有完整的在线监控措施，使供电系统安全可控。
2、可靠的接地系统
沿高速铁路有一条贯通地线，并要求铁路电力系统电气设备和设施接入贯通地线的范围。其接地电阻不大于1Ω。贯通线路供电系统采用小电阻接地方式，充分的利用了小电阻接地可降低单相接地工频过电压和弧光接地过电压、有效地消除PT谐振过电压、限制系统中性点位移、降低系统设备的绝缘水平，继电保护简单，方便检测接地故障线路，隔离故障点，并能快速切除故障等全部优点，即使发生继电保护拒动的情况，在等电位的环境内，也不会危及人员生命。
六、结论
综上所述，广坪线铁路为既有线普速铁路，电力线路敷设条件不好，电缆线路受外界环境条件（雷电、外力、树木、大风）影响大。而且既有线路接地电阻为10Ω，变压器接地电阻为4Ω。如果将目前的贯通线供电系统改造为小电流接地系统，仅在配电所增加小电阻接地设备和改造继电保护是不够的，还必须对整个广坪段供电系统接地进行全面改造，电缆敷设也应改为全程防护。为此要增加大量投资。
根据前面介绍的，消弧线圈的过补偿应为10%，广坪段一个供电臂的电容电流不大于70A，则残余电流为70×10%=7A。该电流＜10A，能熄灭电容电流。若脱谐度为5%，则残余电流为70×5%=3.5A，这样电容电流能自动熄灭，此时脱谐度适中，中性点位移低于安全电压的15%。另外消弧线圈自动跟踪补偿的应用，明显的抑制瞬态过电压和断线过电压。因此采用消弧线圈接地方式是广坪段电力贯通线路适应性改造工程很好的选择。
论文作者:吕伟德
论文发表刊物:《电力设备》2019年第5期
论文发表时间:2019/7/8
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