高铁电力系统中性点接地方式探讨

高铁电力系统中性点接地方式分析

林 阳

（高铁供电车间）

摘要：武广高铁10KV 电力供电系统中，中性点接地方式有两种，一部分为中性点不接地，一部分为中性点经小电阻接地。在全线路采用电缆敷设的中性点不接地系统中，一旦发生接地故障时，极有可能扩大故障影响范围，危及供电安全。本文通过分析这部分中性点不接地系统对高铁供电可靠性的影响，提出在保护设置，电缆敷设等方面进行防治，以提高高铁供电安全可靠性。

关键词：高铁 电力系统 中性点 接地方式 可靠性

在武广高铁地区10KV 电力系统中，包括边山220/1OKV变电所，浏阳河10KV 配电所，10KV 电力开闭所，及1-4#,动车所1-3#，浏阳河隧道南，隧道内，隧道北共计10个10/0.4 KV 变电所，边山-浏阳河区间还有部分箱变，它们之间均由电缆相互联系，把武广高铁站区，动车运用所，浏阳河隧道三个地理位置极为重要，供电可靠性要求极高的站区单元联系起来，构成一个结构特殊、负荷复杂的电力网络，为武广高铁的安全有序运行源源不断地输送能源。比较武广高铁其他站区供电，这部分系统在中性点接地方式，负荷的大小，电缆型号及敷设路径，备用电源方式等方面都有所区别。运行一年来，虽然确保了这一区域的供电安全，但是在保护的选择性、可靠性等方面也存在一些问题或隐患。下面对这一地区电力系统的中性点接地方式进行一个有针对性的分析与探讨，并提出防治对策或建议。

一．高铁电力系统中性点接地的方式

电力系统中，变压器中性点的接地方式主要包含：中性点不接地系统，中性点直接接地系统，中性点经消弧线圈接地，中性点经电阻接地等几种方式。它对于供电系统的可靠性、设备的绝缘水平、高压电器（如断路器）的选择、继电保护的设置、通信干扰、系统的稳定性等多方面都会产生不同程度影响。在铁路的10KV 配电网中，过去多以架空线路为主，接地故障电容电流较小，故采用不接地系统，发生一相接地故障时，允许运行2个小时。目前，高铁的一些配电网络则几乎全部采用电缆代替架空线路，电缆的电容电流较大，一般是架空线路的30倍以上，使得故障点的接地电流也较大，电弧将不能自动熄灭，还会产生过电压威胁设备运行安全，因而，对于电缆线路，一般采用了中性点经电阻或消弧线圈接地的方式。新的电力规程规定，若接地故障电容电流小于10A ，应采用中性点不接地方式，若接地故障电容电流大于10A 时，则应采用中性点经电阻或消弧线圈方式.

目前，在武广高铁地区10KV 供电系统中，所有线路虽然全部采用电缆敷设，却有2种接地方式并存，一种为中性点不接地，一种为中性点经小电阻接地。边山220KV 变电所电力主变5#B和6#B，浏阳河配电所的上级电源水渡河变电站主变，均为中性点不接地，这部分系统的馈出线路包括：站房双电源线路，边山-浏阳河区间一级贯通和综合贯通线路，动车所双电源线路。而在边山-株洲区间，浏阳河-汨罗区间的一级贯通和综合贯通，其馈出线路都是经过调压变后经小电阻接地，所以这部分线路与武广其他区间一样，采用的是中性点经

小电阻接地系统。

武广高铁地区10KV 供电系统图(仅画一段母线) 如下：

二．全电缆中性点不接地系统存在的问题

电力系统，尤其是全部电缆线路中，采用不接地系统存在的主要问题是：

1. 线路的电容电流过大，电弧不能自动熄灭。

由于线路采用电缆代替架空后，线路的电容电流将变大。在不接地系统中，若某馈出回路单相接地时，故障相接地电流为该母线上所有馈出回路非故障相电容电流的之和。

忽略电力设备电容电流的影响，10KV 配电网中各回路电缆线路总的对地电容电流I C 为

I C =35UN L Z /350

U N 为电网额定线电压

L Z 为各回路电缆总长度

近似计算后，每KM 电缆线路将有1A 左右的电容电流，由此可预见武广高铁地区电力系统中，边山-浏阳河区间一级贯通电缆（长16公里）某一相接地时，其故障电流将远远大于10A 。即使是距离较短的站房电源电缆(长3.5公里) 发生接地，考虑同一母线上其他区间电缆电容的影响，也将远大于10A 。如此，发生一相接地时，故障电流产生的电弧将难以自动熄灭，加之边山所及站附近，区间电缆或站房电源电缆很多部分均同沟敷设，部分4回路12根单芯电缆都同沟，则一旦某电缆接地，而故障点又恰好在电缆较多的地段，不能及时熄灭的电弧完全可能使其他回路电缆也烧损，造成故障范围扩大，严重时可以导致站房电源或动车所电源同时停电，危及高铁运行安全。

实例：2010年7月23日，因边山所附近沪昆客专施工影响，导致浏阳河-边山区间一级贯通电缆单相接地。10:38分，浏阳河一级贯通南过流一段动作跳闸（一相动作电流

1.63A ，流互变比100/1），边山所一级贯通北备自投成功。运行一段时间后，11:16分，边山所一级贯通北过流一段动作跳闸（一相动作电流15.63A ），浏阳河所一级贯通南备自投成

功，又过了2分钟，11:18分，浏阳河所一级贯通南再跳闸。边山所再次自投成功。之后调度接到故障信息后，11:27分手动分开断路器，切除故障点。

分析可见，10:38分浏阳河所第一次跳闸后，由于边山所自投成功，直至11:16分，电缆单相接地并带电运行达38分钟之久。此间，故障电缆接地产生的电弧并没有熄灭，一直在不断重燃，等到施工人员将情况汇报至变电所值班人员，采取停电措施后，故障相电缆已经完全烧断1米多，同沟直埋敷设的一级贯通和综合贯通电缆外皮都有不同程度的烧损。

2. 单相接地时过电压造成危害。

电力系统中，引起过电压原因有很多，其中单相接地产生的过电压概率最大。10KV 不接地系统中，发生单相接地故障，主要的过电压危害有：故障相对地电压降低，非故障相对地电压将升高至线电压；切除故障时会产生操作过电压，超过相电压4倍以上；接地时产生的电弧还会产生弧光重燃过电压，这种间歇性的接地过电压幅值可以达到5倍甚至5倍以上，这些过电压都将造成电器设备的绝缘损坏，或开关柜绝缘闪络，电缆绝缘击穿。尤其是对于线路上的绝缘弱点，如电缆中间头，柜内电缆连接器等处，因制作工艺或者密封不严等问题存在，相对绝缘较差，接地过电压很容易导致该处的绝缘击穿，会在一定程度上危及高铁电网的运行安全。

三．中性点经小电阻接地的优点

1. 限制过电压

武广高铁10KV 电力系统的区间一级贯通和综合贯通，基本采用的是调压变经小电阻接地方式。因为考虑区间一级贯通和综合贯通全线采用单芯电缆，电容电流较大，故而在一级贯通和综合贯通的调压变中性点通过小电阻接地，相当于在系统对地电容上并接一个电阻R ，由于电组是耗能元件，又是电容电荷的释放元件和谐振的阻压元件，破坏了电弧每次起弧或重燃后的高频振荡，从而可以起到抑制谐振过电压和间歇性弧光接地过电压的作用。在设备选型时，就可以选择绝缘水平较低的设备，提高经济性。同时，接地时非故障相的电压升高较小，发展成为相间短路的几率也相对较小，可靠性得到提高。

2. 快速切除故障

中性点小电阻系统中，可以迅速启动零序保护从而快速切除故障线路。所以在高铁一级贯通和综合贯通馈出的保护设置上，均设置了零序电流保护，直接动作于跳闸，一旦零序电流达到启动值，可以马上切除故障。一般要求单相接地故障的切除时间不大于1S ，这样对防止电缆故障的扩大非常有利。目前，武广高铁的10KV 配电所一级与综合贯通馈出的零序电流保护设置时限都设置在0.5S 左右，可以有效保护单芯电缆的运行。从汨罗以北的电缆故障数据来看，零序电流保护的灵敏度很高。

另一方面，由于故障电流较大，故障点的电位较高，可能造成跨步电压超过允许值。零序保护快速切除故障也有利于消除接地后跨步电压和接触电压对人身的伤害，提高系统的安全水平，降低人身伤害事故。

四．提高全电缆不接地系统可靠性的措施

边山所220KV 电力主变及浏阳河所上级110KV 主变均为Y/D11接线，因此不可能对地区的不接地系统再进行中性点加设电阻的改造。母线首端加设接地变压器可以解决问题，但是投资改动大，不适宜在既有设备上进行改造，只能在保护设置，电缆敷设等方面进行防治。

通过检查，在浏阳河配电所和边山配电所的不接地系统中的6条馈出回路，其电流保护

都是采用过电流一段（或速断）+过电流二段（时限为0.5S ）的保护方式。电缆的接地故障一般是永久性故障，因此必须迅速切除故障点。但从上次故障表现来看，一相接地后，电弧燃烧时电流不断变化，电流保护可能动作也可能不动作，不能满足迅速切除接地故障的要求。调阅2010年7月23日浏阳河所的保护监控记录，浏阳河配电所一级贯通南在10:31分就已显示了零序电流告警，告警电流为0.5A ，一次零序电流就有50A ，由此可见，10:38第一次跳闸之前，电缆已经发生接地。但是，之前零序电流保护仅设置于告警，没有设置于跳闸，直到10:38分，接地电弧的电流突然上升到过电流一段的整定值时，才保护动作跳闸。

实际上，在交大许继的馈线保护测控装置中包含零序过电流保护和零序过电压保护，不过，运行之初，设计并没有对这部分系统的零序保护设置作出要求，零序电压保护元件没有投入，零序过电流保护即使投入了也仅动作于告警。因此，我们可以从以下方面进行一些治理，采取有效的预防措施。

1. 投入零序电流保护元件并动作于跳闸

为全电缆中性点不接地系统，投入零序电流保护，并设置为跳闸，则在发生接地时，及时切断电弧，不至于使电缆较长时间带故障运行，能有效保护区间其他电缆，避免更大范围地影响供电。时限可以考虑设置为0.5S 甚至更短，这样虽然增加了线路的跳闸次数，但电缆故障一般为永久性的，而且高铁变配电设备均为双电源或者采用环网供电，对于设备用电的影响还是比较小的，可靠性仍然得到保证。

因为接地时故障线路的零序电流大于非故障线路的零序电流，保护设置时，整定的零序电流只需躲开本线路正常运行时的电容电流即可，其数值较小，所以保护的灵敏度比较高。

2. 投入零序电压保护元件并动作于告警

零序电压测量是通过母线电压互感器的开口三角形进行测量，单相接地后，将产生零序电压。零序电压动作值一般整定在15-20V ，只动作于报警，及时提示调度和后台维护人员采取措施。

3. 对同沟不同回路的电缆分开敷设或隔离

目前，边山所电力线路馈出至武广正线的500多米区间电缆和站房电缆都是同路径直埋敷设，动车所双电源电缆40%为同沟敷设，通过站区附近的几公里长的区间电缆和站房电源电缆也在同一沟内敷设，这些都为高铁电力的安全运行埋下了隐患。因此，运行中应逐步有条件地进行整改，尽量使不同回路电缆分开敷设，即使不能分开敷设，也应尽可能采取物理隔离措施，提高电缆运行可靠性。

4. 尽力防止过电压造成危害

为防止单相接地过电压造成的危害，除了依靠零序电流保护快速切除故障线路外，还需要通过日常检查，在线监测等手段，确保全电缆不接地系统中氧化物避雷器的良好，以及经常对GSM 开关柜电缆头、电压互感器、变压器高压熔断器等设备经常进行必要的维护检查，平时注意收集高铁配电所跳闸数据，积累运行经验，并优化预案，做好一些应急措施，尽力减少接地过电压对高铁供电的影响。

参考书籍：王建南. 工厂供电系统继电保护及自动装置. 北京. 冶金工业出版社，1998