普速铁路10kV贯通线路中性点接地方式的选择论文_鲁妍

摘要：针对普速铁路10kV贯通线路架空与电缆混架的特点，分析比较中性点不接地、中性点经消弧线圈接地以及中性点经低电阻接地等不同接地方式下对线路供电安全性、可靠性的影响，为如何合理选择普速铁路10kV贯通线路的中性点接地方式提供建议。

关键词：中性点不接地；消弧线圈接地；低电阻接地；

1、引言

在铁路供配电系统中，为提高供电可靠性，一般采用一条或两条10kV电力线路为沿线通信、信号等重要负荷提供电源，普速铁路称之为自闭、贯通线路，高速铁路称之为一级贯通、综合贯通线路。铁路沿线每隔约40~50km设置一座由地方变电站接引电源的10kV配电所，配电所除就近为铁路生产生活负荷提供电源外，同时作为上述电力线路的电源，同一条线路的配电所具有相邻两所互供及跨所供电功能。铁路10kV电力线路中性点接地方式的选择是一个涉及铁路供配电系统诸多方面的综合性技术问题，对于10kV配电所设计与供配电系统运行有着多方面的影响。

本文针对普速铁路10kV贯通线路架空与电缆混架的特点（文中统一以贯通线路为例阐述，自闭线路同理），分析比较中性点不接地、中性点经消弧线圈接地以及中性点经低电阻接地等不同接地方式下对线路供电安全性、可靠性的影响，为如何合理选择普速铁路10kV贯通线路的中性点接地方式提供建议。

2、不同接地方式对比

10kV贯通线路中性点接地方式与单相接地故障电流、过电压水平及保护配置等有密切关系，直接影响贯通线路为铁路重要负荷供电的可靠性、连续性和运行的安全性，在选择中性点接地方式时应结合贯通线路和配电所的实际情况及运营方不同需求进行具体分析、综合考虑。

2.1中性点不接地

中性点不接地优点如下：

（1）发生单相接地故障时，不形成故障电流通路，仅非故障相对地电压升高，相间电压对称性并未破坏，故不影响用电设备的供电。

（2）允许系统短时带故障运行，不影响区间负荷连续用电。

（3）对通信电子设备干扰较小。

同时具有以下缺点：

（1）发生单相接地故障时，会产生弧光重燃过电压，这种过电压现象会造成电气设备的绝缘损坏或开关柜绝缘子闪络，电缆绝缘击穿，所以要求系统绝缘水平较高。

（2）接地电容电流超过临界值时，接地电弧不能自熄，可能导致危险的过电压或相间短路，造成重大事故。

2.2中性点经消弧线圈接地

中性点经消弧线圈接地方式的工作原理是当发生单相接地故障后，故障点流过电容电流，由消弧线圈提供电感电流进行补偿，使故障点电流降至10A以下。

中性点经消弧线圈接地优点如下：

（1）利用消弧线圈的感性电流对系统的对地电容电流进行补偿，使单相接地故障电流小于10A，从而使故障点电弧可以自熄，可以减少系统弧光接地过电压的概率，降低了流过接地点的故障电流及地电位升高，减少了接地点的跨步电压和接地电位差。

（2）对瞬时单相接地故障能自动消除，系统的运行可靠性较高。

（3）在单相接地时不破坏系统对称性，系统可带故障运行一段时间，提高了供电可靠性。

同时具有以下缺点：

（1）中性点经消弧线圈接地方式对永久性故障选线不够快速、准确，接地故障检测困难。

（2）在处理故障过程中对线路逐条进行拉闸可能产生较高的过电压，人工检测与排除故障所需的时间较长，容易扩大事故。

（3）投资较高。

2.3中性点经低电阻接地

中性点经低电阻接地方式是以获得快速选择性继电保护所需的足够电流为目的，在线路发生单相接地故障时迅速作出反应。

中性点经低电阻接地方式优点如下：

（1）单相接地时的异常过电压一直在运行相电压的2.8倍以下，系统可采用绝缘水平较低的电气设备，改善了电气设备运行条件，提高了设备运行的可靠性。

（2）能快速切除单相接地故障，提高系统安全水平、降低人身伤亡事故。

（3）继电保护简单。

同时具有以下缺点：

（1）当电缆发生单相接地时，故障电流较大，强烈的电弧会危及邻相电缆或同一电缆沟里的相邻电缆酿成火灾，扩大事故。

（2）对通信电子设备干扰大。

3、普速铁路10kV贯通线路组成及单相接地电容电流计算

3.1线路组成及故障特点

普速铁路10kV贯通线路一般以架空线路为主，电缆线路为辅，根据铁路沿线地势环境、环网柜及箱变设置情况等不同电缆所占比例不同。电缆线路与架空线路的特性有着显著区别：对于电缆线路，一旦接地几乎即为永久接地，高压电缆不易散热，接地后电缆温度升高，处理不及时容易发展为更严重的事故，故障后宜立即切断电源；对于架空线路，相当部分接地故障属于瞬时故障（如人为外抛物或树木碰触导线），能够自行恢复正常供电，因此故障后不宜立刻断电。

3.2贯通线路单相接地电容电流计算

（1）架空线路单相接地电容电流计算公式如下：

Ic1=2.7UrL1×10-3

（2）电缆单相接地电容电流计算公式如下：

Ic2=(95+1.44S) UrL2/(2200+0.23S)

（3）配电所电气设备引起单相接地电容电流增加值：16%

综上，可得10kV贯通线路单相接地电容电流：

Ic=（1+16%）×（Ic1+Ic2）≈0.03L1+1.02L2

注：S——电缆截面mm2，文中截面以70mm2为例计算；

Ur——线路额定线电压kV；

L1——架空线路长度km；

L2——电缆线路长度km；

Ic1——架空线路接地电容电流A；

Ic2——电缆线路接地电容电流A；

Ic——贯通线路接地电容电流A。

4、普速铁路10kV贯通线路中性点接地方式选择

根据铁路电力设计规范4.3.10规定，“经调压器供电的10（20）kV电力贯通线路，其系统中性点接地方式应符合下列规定：1当系统单相接地故障电容电流不大于10A时，应采用不接地系统。2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。3 全电缆线路宜采用低电阻接地方式”，本节以每个供电臂40km为例，分析在不同线路组成比重下贯通线路中性点接地方式的选择，及选择不同中性点接地方式时对配电所配置的影响，综合考量各方面因素，提出接地方式的选择建议。

4.1线路中每个供电臂电缆线路占比小于10%

当贯通线路绝大部分为架空线路，电缆在整条线路每个供电臂分布占比不超过10%时，经3.2中接地电容电流计算，贯通线路每个供电臂最大单相接地电容电流约为5A，配电所为主供方向线路供电同时为相邻所反供或跨所供电时，最大单相接地电容电流也不会超过10A（此处不考虑既要为相邻所反供又要跨所供电的极端情况），不会形成稳定的接地电弧，故障点接地电弧可以迅速自熄，结合前文所述中性点不接地系统的特点，在贯通线路瞬时故障时，采用中性点不接地方式系统可自行恢复正常供电。中性点不接地系统下，可在电源母线段和贯通母线段间设置直供联络回路，当调压器故障或检修时，调压器退出运行，直供柜联络开关闭合，实现紧急供电，保障供电连续性。配电所相应主接线配置如图1所示。

图1中性点不接地主接线

4.2贯通线路为全电缆线路

过去普速铁路10kV贯通线路极少有全线为全电缆线路的情况，近年来，根据铁道部运输处运装供电【2008】329号“关于印发《提升铁路供电系统抗灾能力研讨工作会议纪要》的通知”中要求“主要干线宜按照一路电缆一路架空进行改造”，京广线等交通运输主要干线的贯通线路（实为自闭）改造为全电缆线路。

不同于高铁中贯通线路高压电缆采用三相单芯电缆，由于普速铁路高压电缆均采用三相三芯电缆，同样长度的电缆线路，普速铁路贯通线路单相接地电容电流仅为高铁线路的三分之一。由3.2中接地电容电流计算可得，普速铁路贯通线路每个供电臂单相接地电容电流约为40A，配电所为主供方向线路供电同时为相邻所反供或跨所供电时，单相接地电容电流可达到80A，远未达到150A，但结合前文电缆线路的故障特点，以及中性点经消弧线圈接地和经低电阻接地的不同特性，可见对于全电缆线路，小电阻接地有着明显的优势，即可理解铁路电力设计规范4.3.10中对于全电缆线路接地方式的要求。

10kV贯通线路选择中性点经低电阻接地时，一般采用10kV配电所内贯通调压器副边中性点经低电阻接地，如图2所示。贯通侧经低电阻接地方式下，电源母线段与贯通母线段之间不可再设置直供联络回路，调压器退出运行后本所主供方向的贯通段由相邻所反向供电或跨所供电。此系统下应合理设置单相接地保护定值，防止由于保护不动作而引起线路火灾，扩大事故。

图2中性点经低电阻接地主接线

4.3贯通线路中每个供电臂电缆线路占比大于10%

除了4.2小节中提到的全电缆线路情况，随着铁路供配电系统的改造，很多贯通线路的电缆占比也都在逐渐增大，有些甚至可达到50%以上，经计算可得贯通线路单相接地电容电流处于大于10A小于150A的区间，根据前文铁路电力设计规范4.3.10规定，初步确定可采用低电阻接地方式或消弧线圈接地方式。

若采用中性点经低电阻接地方式，“能快速切除单相接地故障”的优点在架空与电缆混架的线路中便转而成为缺点，很容易对架空线路的瞬时故障作出误判，引起频繁的误动作，为改善误动作的问题，建议在工程设计中采用低电阻接地方式时，同步改造既有架空线路，将裸导线全部更换为绝缘线，以降低保护误动作的频率。架空线占比超过30%即电缆占比不到70%时，采用低电阻接地将增加很多不必要的工程量和投资，不再建议采用低电阻接地方式。

若采用中性点经消弧线圈接地方式，既可保证当单相接地故障为架空线路的瞬时故障时，不影响供电的可靠性；又可保证发生电缆线路单相接地故障或其他永久性故障时，短时间内不会扩大事故。针对消弧线圈接地对永久性故障选线不够快速准确、排除故障困难的问题，微机选线装置近年也已发展十分成熟，消弧线圈接地配小电流微机选线装置，可快速排查故障，降低事故扩大的概率。采用消弧线圈接地方式时，我们不再利用调压器副边中性点，而是在贯通母线段设置专门的消弧线圈回路，在该回路设置接地变压器来构成系统中性点，如图3所示。选择消弧线圈容量时，推荐采用过补偿，同时考虑为相邻所反供或跨所供电情况下也能避开谐振点。

图3中性点经消弧线圈接地主接线

4.4贯通线路中仅存在个别供电臂为全电缆线路时

在部分贯通线路改造项目中，也会出现整条线路以架空为主，但某一个供电臂由于供电设备增加等各种原因改造为全电缆，4.2节中已对全电缆线路进行讨论，显然该段全电缆线路应采用中性点经低电阻接地方式，而所内反供方向的贯通线路又应根据架空电缆占比不同选择中性点不接地或消弧线圈接地方式，对于同一配电所所供两段贯通线路所需中性点接地方式不同时，则需要增加调压器将贯通母线分段，以形成适合各段线路的两种不同接地方式，以所内反供方向贯通线路选择中性点不接地方式为例，如图4所示。

图4两种接地方式主接线一

而在某些改造项目中，由于配电所既有高压室面积有限同时受其他因素制约不具备高压室扩建或新建条件，此时对贯通母线分段的方案则不再可行，可采取在同一贯通母线段下加设调压回路的方式，形成所需要的两种中性点接地方式，如图5所示。该方案较母线分段方案减少三个高圧回路，可作为条件受限时的备选方案。

图5两种接地方式主接线二

5、结论

本文通过对中性点不接地、经消弧线圈接地、经低电阻接地的优缺点进行对比，分析电缆线路与架空线路的故障特点，对普速铁路10kV贯通线路架空与电缆占比不同的各种情况给与分析，建议如下：线路中每个供电臂电缆线路占比小于10%时，采用中性点不接地方式；线路为全电缆时采用中性点经低电阻接地方式；线路中电缆占比10%-70%时，可采用中性点经消弧线圈接地方式，同时配小电流选线装置；线路中电缆占比超过70%时，可采用中性点经消弧线圈接地或经低电阻接地方式，采用低电阻接地方式时，架空线路的裸导线应更换为绝缘线；两个供电臂需采用的中性点接地方式不同时，可采用增加调压器对贯通母线进行分段的方式，也可在同一贯通母线段下的贯通馈出回路直接加设调压器形成另一种中性点接地方式。

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论文作者:鲁妍

论文发表刊物:《电力设备》2019年第24期

论文发表时间:2020/5/6