CN108959677A - 配电网tn-c接地***最优重复接地数计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种配电网TN‑C接地***最优重复接地数计算方法，包括：步骤1、针对TN‑C接地***的重复接地，以接地成本最低为目标，以接地数为优化变量，给出计算最优接地数量的优化模型；步骤2、给出优化模型的求解算法。本发明主要考虑接地故障场景，并在考虑接地点均匀分布的情形下，针对TN‑C接地***的重复接地，给出计算最佳的重复接地点数量的模型和算法，进而形成可以指导实践的计算方法。

Description

配电网TN-C接地***最优重复接地数计算方法
技术领域
本发明涉及电气***领域，尤其涉及一种配电网TN-C接地***最优重复接地数计算方法。
背景技术
低压配电网是向千家万户供电的末端***，也是涉及面最广、最能造成用户设备损坏和人身伤亡事故的供电***。出于供电和安全的需要，低压***如何接地是个非常重要的问题，由于接地选型不当或在低压***出现接地故障后处理不当而造成的人身或设备事故时有发生，所以深入分析、解决低压***有关接地方面的问题具有十分重要的意义。
低压接地***接地型式主要有三种，即TN接地***、TT接地***和IT接地***。其中，TN接地***根据工作零线(N)和保护零线(PE)的配置方式，又可分为TN-C接地***、TN-C-S接地***及TN-S接地***。
20世纪中叶，前苏联低压配电***的接地型式基本上都采用TN-C接地***。虽然TN-C接地***较之TN-S接地***可节省一根PE线，但在PEN线断线时，由于过电流保护不能动作，漏电设备长期存在很高的接触电压，容易造成电击危险。近些年来国外也对安装了剩余电流保护器情况下的低压电网可能产生的危害进行研究，提到了在安装了漏电保护器后故障时设备依然会产生接触电压的情况。
国外在采用TN-S接地***的同时，也对TN-C接地***进行改进，进入建筑物后采用TN-C-S接地***，为了降低PEN线断线时的接触电压，在建筑物入口处将它重复接地。美国一直采用重复接地TN-C-S接地***。英国把这种重复接地TN-C-S接地***也称作多点保护接地***，目前越来越普遍应用于新的建筑供电。国外近年来TN-C-S接地***的应用中，TN-C-S接地***虽然能有效降低PEN线断线时产生的接触电压，但是需要增加一根导线的投资，提高了成本。
为了与IEC标准接轨，提高电气安全性，在上世纪90年代末期，俄罗斯提出将1995年以前的低压配电网从TN-C接地***改造成TN-S接地***，但是需要几百万公里的导线和电缆，因此建议修改前苏联规范，不论架空线路或电缆线路供电，TN-C接地***在用户入口处必须进行重复接地。如高层建筑等大型建筑中不可能实现保护导体的电位尽可能接近地电位时，可以将建筑物内总等电位联结的地下导体作为重复接地体，这种重复接地TN-C接地***的电气安全水平并不比TN-S接地***差，因此在国外被普遍采用，但是IEC标准并没有明确规定重复接地的接地电阻值及接地位置，仍然缺乏对于重复接地安全及经济的合理化配置研究。
在我国，由于70年代时的供用电设备差，加上管理水平落后，致使人身触电伤亡事故时有发生，因此，国家对于低压线路的保护是最先在农村推广使用电压型保护器，这种保护器适用于配电变压器中性点不接地的运行方式，所以农村低压电网在70年代末至80年代初为安装电压型触电保护器都改为低压侧中性点经高阻接地的运行方式，即《农村低压电力技术规程》所指IT接地***。部分文献也介绍了IT接地***的一些应用。
经过几年的运行，中性点不接地***不能限制低压电网由于某种原因而引起的对地高电压，如雷击过电压、操作过电压、高低压线路同杆架设等感应过电压。中性点高阻接地***中，由于某一相线对地漏电，使其相线对地电压升高至线电压，在维修中测出零线对地带电压，而某一相对地无电压的现象。虽然电压型保护器当时对降低触电伤亡事故起到了不小的保护作用，但由于它存在着投运率低，保护可靠性差，不可装分路保护及电网运行上的等等缺陷，所以在80年代迅速被电流型保护器替代。
由上述可见，我国低压电网的运行方式是80年代为适应漏电保护器的运行要求而改变的。目前，农网工程改造后，绝大多数的电力设施都己达到一类水平，农村的供电设施的健康状况不低于城市，可与城市电网同样采用TN-C接地***的接地型式。
TN-C接地***的优点是PEN线兼有PE线和N线功能，可节省一根导线，同时也可用过流保护兼做用电设备绝缘故障保护。缺点是若***发生接地短路故障，故障电流会通过触及漏电设备的人和变压器的工作接地构成回路，给人体造成直接的使用威胁。为了解决上述问题，现阶段的主要解决办法是重复接地。
从现有的研究情况看，大部分文章提及且分析了重复接地的作用及重要性,文献(郭建武.配电网***中低压零线故障的危害及预防[J].上海电力学院学报,2015,31(z1):99-101.)提出的计算重复接地的大致位置及电阻值，但该文献对于在给定电阻值的情况下，如何给出最佳的重复接地数量没有提及；文献(徐用生.电气工程中重复接地和总等电位联结措施对降低人体接触电压的定量分析[J].电力学报,2004,04:309-310+315.)论证了重复接地和等电位联结相配合对降低故障接触电压的重要性；文献(李迎春,张万明.TN***中PE(PEN)线重复接地的作用及其阻值的选取[J].中国科技信息,2006,17:98-100+103.)提出了为了保证故障时安全电压在50V以下，重复接地的电阻值不应该简单设置为10Ω，但是文章只用等值电路分析了重复接地是否有作用，并没有给出具体的重复接地位置及电阻值大小。文献(吴舒萍.低压配电***中接地与接零保护的分析与应用[J].湖南理工学院学报(自然科学版),2014,03:49-53.)分析了低压配电网***中接地与接零保护的局限性，提出了重复接地的解决方法，但未提出具体的解决方案。由此可见，TN-C接地***接地型式的重复接地配置研究已经有所起步，但是具体的优化配置方案还并未提及。
现有技术的主要缺点是没有给出最佳的重复接地数量，因此，究竟取多少处接地，这在实践中完全依靠经验或者试探，而且也没有给出量化的分析和比较。
术语解释：
IT接地***：电源中性点不接地，或经高阻抗接地，而负载侧电气设备的外露可导电部分经各自的保护零线直接接地，与电源侧的接地相互独立的接地***。
TT接地***：电源中性点与地直接连接，而负荷侧电气装置的外露可导电部分接到与电力***接地点无关的独立接地装置上的接地***。
TN接地***：电源中性点接地，并引出中性线，电气设备的外露可导电部分直接与中性线相连。
TN-C接地***：工作零线N和保护零线PE合一的接地***。
TN-S接地***：工作零线N和保护零线PE分开的接地***。
TN-C-S接地***：整个***干线部分保护零线(PE)与工作零线(N)是合一的，支线后部分保护零线(PE)与工作零线(N)是分开的接地***。
发明内容
本发明要解决的技术问题，在于提供一种配电网TN-C接地***最优重复接地数计算方法，主要考虑接地故障场景，并在考虑接地点均匀分布的情形下，针对TN-C接地***的重复接地，给出计算最佳的重复接地点数量的模型和算法，进而形成可以指导实践的计算方法。
本发明的问题是这样实现的：
一种配电网TN-C接地***最优重复接地数计算方法，包括如下步骤：
步骤1、针对TN-C接地***的重复接地，以接地成本最低为目标，以接地数为优化变量，给出计算最优接地数量的优化模型；具体为：
设TN-C接地***采用重复接地时，共有x处作为接地点，且接地点均匀分布，设每一套接地装置的投资为c，则接地的成本C(x)表示为：
C(x)＝cx (1)
以接地成本最小作为优化的目标，则优化的目标函数表示为；
min C(x)＝cx (2)
式(2)中，minC(x)表示对接地的成本C(x)取最小值，c表示每一套接地装置的投资，x表示接地点的数量；
设TN-C接地***发生接地故障时，用电设备外壳上的接触电压为U(x)，则U(x)应满足实践中所要求的安全电压Us，即：
U(x)≤Us (3)
式(3)给出了实现接地数量优化的中的不等约束关系，式(3)中的U(x)是在TN-C接地***发生接地故障时，根据电网的结构，网络中各元件的参数，利用电路的约束和对称分量法给出的参量；给出计算最优接地数量的优化模型如下：
式(4)包含了一个目标函数和一个不等式约束的条件；
步骤2、给出优化模型的求解算法：根据式(4)给出的优化模型定义惩罚函数，计算出接地的成本C(x)以及使得C(x)达到最小值时的接地点的数量x。
进一步地，所述步骤2中，采用综合内点法和外点法的混合算法计算出接地的成本C(x)以及使得C(x)达到最小值时的接地点的数量x；在具体求解该优化模型时，式(4)中U(x)的计算是根据TN-C接地***的实际电路模型，并利用对称分量法进行计算。
进一步地，所述步骤2之后还包括：
步骤3、根据给出的优化模型和求解算法编制计算机程序。
本发明的优点在于：本发明主要考虑接地故障场景，并在考虑接地点均匀分布的情形下，针对TN-C接地***的重复接地，以接地成本最低为目标，以接地数为优化变量，给出计算最优的接地数量的优化模型和算法，进而给出其完整的计算方法，计算出***取多少处接地点才是最优的，即能以最优方式给出TN-C接地***的重复接地点的数量，可用来帮助指导TN-C***重复接地的实际实施。
附图说明
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
图1为本发明一种配电网TN-C接地***最优重复接地数计算方法的执行流程图。
具体实施方式
为使得本发明更明显易懂，现以一优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
如图1所示，本发明的一种配电网TN-C接地***最优重复接地数计算方法，主要考虑接地故障场景，并在考虑接地点均匀分布的情形下，针对TN-C接地***的重复接地，以接地成本最低为目标，以接地数为优化变量，给出计算最优接地数量的优化模型，并提出优化模型的求解算法，最终形成一套计算最优接地数量的方法；具体包括如下步骤：
步骤1、针对TN-C接地***的重复接地，以接地成本最低为目标，以接地数为优化变量，给出计算最优接地数量的优化模型；具体为：
设TN-C接地***采用重复接地时，共有x处作为接地点，且接地点均匀分布，设每一套接地装置的投资为c，则接地的成本C(x)表示为：
C(x)＝cx (1)
以接地成本最小作为优化的目标，则优化的目标函数表示为；
min C(x)＝cx (2)
式(2)中，minC(x)表示对接地的成本C(x)取最小值，c表示每一套接地装置的投资，x表示接地点的数量；
设TN-C接地***发生接地故障时，用电设备外壳上的接触电压为U(x)，则U(x)应满足实践中所要求的安全电压Us，即：
U(x)≤Us (3)
式(3)给出了实现接地数量优化的中的不等约束关系，式(3)中的U(x)是在TN-C接地***发生接地故障时，根据电网的结构，网络中各元件的参数，利用电路的约束和对称分量法给出的参量；给出计算最优接地数量的优化模型如下：
式(4)包含了一个目标函数和一个不等式约束的条件；
步骤2、给出优化模型的求解算法：根据式(4)给出的优化模型定义惩罚函数，并采用综合内点法和外点法的混合算法计算出接地的成本C(x)以及使得C(x)达到最小值时的接地点的数量x；在具体求解该优化模型时，式(4)中U(x)的计算是根据TN-C接地***的实际电路模型，并利用对称分量法进行计算；
步骤3、采用C语言或Matlab等其他高级语言，根据给出的优化模型、惩罚函数形式和求解算法编制计算机程序(软件)，软件是通用的，运行时，只要输入含有***结构和参数的数据即可；软件的编制只需要普通的PC机或笔记本电脑，只要配置了相关高级语言的编译或解释***即可，不需要专门的***装置。
本发明的优点如下：
本发明主要考虑接地故障场景，并在考虑接地点均匀分布的情形下，针对TN-C接地***的重复接地，以接地成本最低为目标，以接地数为优化变量，给出计算最优的接地数量的优化模型和算法，进而给出其完整的计算方法，计算出***取多少处接地点才是最优的，即能以最优方式给出TN-C接地***的重复接地点的数量，可用来帮助指导TN-C***重复接地的实际实施。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (3)

1.一种配电网TN-C接地***最优重复接地数计算方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1、针对TN-C接地***的重复接地，以接地成本最低为目标，以接地数为优化变量，给出计算最优接地数量的优化模型；具体为：
设TN-C接地***采用重复接地时，共有x处作为接地点，且接地点均匀分布，设每一套接地装置的投资为c，则接地的成本C(x)表示为：
C(x)＝cx (1)
以接地成本最小作为优化的目标，则优化的目标函数表示为；
min C(x)＝cx (2)
式(2)中，minC(x)表示对接地的成本C(x)取最小值，c表示每一套接地装置的投资，x表示接地点的数量；
设TN-C接地***发生接地故障时，用电设备外壳上的接触电压为U(x)，则U(x)应满足实践中所要求的安全电压Us，即：
U(x)≤Us (3)
式(3)给出了实现接地数量优化的中的不等约束关系，式(3)中的U(x)是在TN-C接地***发生接地故障时，根据电网的结构，网络中各元件的参数，利用电路的约束和对称分量法给出的参量；给出计算最优接地数量的优化模型如下：
式(4)包含了一个目标函数和一个不等式约束的条件；
步骤2、给出优化模型的求解算法：根据式(4)给出的优化模型定义惩罚函数，计算出接地的成本C(x)以及使得C(x)达到最小值时的接地点的数量x。
2.如权利要求1所述的一种配电网TN-C接地***最优重复接地数计算方法，其特征在于：所述步骤2中，采用综合内点法和外点法的混合算法计算出接地的成本C(x)以及使得C(x)达到最小值时的接地点的数量x；在具体求解该优化模型时，式(4)中U(x)的计算是根据TN-C接地***的实际电路模型，并利用对称分量法进行计算。
3.如权利要求1所述的一种配电网TN-C接地***最优重复接地数计算方法，其特征在于：所述步骤2之后还包括：
步骤3、根据给出的优化模型和求解算法编制计算机程序。
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