论文部分内容阅读
【摘 要】 在电力系统中，中性点接地方式设计到多个因素，其中包括电网的安全运行、继电保护、供电系统的可靠性以及过电压、接地设计等，接地方式的不同对人身安全、通信安全与可靠性的影响都不同。本文就电力系统中性点接地的几种方式进行分析，并探讨了其优缺点，以及接地系统的选择，以供参考。
【关键词】 中性点；接地；系统
电力系统的建设、电能供应与我们的生产、生活息息相关，因此必须要确保电网具有良好的运行特性，包括：人身安全、供电可靠、维护方便、设备安全、经济合理且电磁兼容性好等。而电力系统中性点的接地方式与人身与设备安全、系统的供电可靠性、继电保护、绝缘水平及过电压保护、通讯干扰等一系列问题密切相关，若选择不当对电网运行的可靠性、安全性、经济性将会造成严重的影响。因此，中性点接地方式的选择应该从技术水平、经济水平、供电的持续可靠、系统的现状及发展规划等多角度来综合考虑，可以说是一个综合性的系统问题。
电力系统的中性点接地方式可以分为两类，一是大接地电流系统，二是小接地电流系统。其中大接地电流系统又可以分为中性点经低值阻抗接地系统和中性点直接接地电流系统，小接地电流系统可分为中性点不接地系统、中性点经消弧线圈接地系统和中性点经高阻抗接地系统。本文将进行分析探讨各类中性点接地方式的优点与不足。
一、大接地电流系统
将中性点直接接地，即大接地电流系统。若发生单相接地故障时，故障相直接通过接地中性点形成单相短路，单相短路电流比正常负荷电流大的多，继电保护保护装置立即动作于跳闸，切除短路故障。如图1中发生单相接地时，电源中性点对地电压为零，即系统零序电压为零，基本不会改变非故障相对地电压。按这种方式运行的系统，电气设备的对地绝缘水平取决于相电压，这是直接接地系统的最大优点。我国110KV及以上的电力系统，都采用中性点直接接地的方式运行，以降低电气设备的绝缘水平，還改善了保护设备的工作性能，大大降低了电网的建设和维护成本。
图1 大接地电流系统单相接地原理图
此外，该系统单相接地故障时，间歇性电弧导致的过电压不会产生，不会因此而引起设备受损。绝缘监察装置在大接地电流系统中一般不会装设。
中性点直接节点系统也有很多不足之处，在运行中首先是中性点直接接地系统如果出现单相接地故障时，其接地线的接触电压和跨步电压就有较大。这时如果有工作人员误碰带电导体或者登杆，很容易发生触电伤害事故。其次是出现单相接地故障时，电网的运行必须停止，来防治短路电流更大的损失，这样就导致电网运行的可靠性较差。再次是单相接地故障出现时，较大的接地电流存在于中性点直接接地系统中，造成其接地电流的电磁干扰对通讯系统的过大，尤其是当电力线路与通讯线路走向并行时，由于耦合感应电压而对通讯系统造成极大的干扰。
二、小接地电流系统
（一）中性点不接地系统原理
当系统正常运行时，相电压UA、UB、UC对称，三相对地电容电流ICE也对称，因此中性点对地电压U0为零。当系统发生单相接地故障时，假设A相完全接地，如图2所示，则A相对地电压为零，非接地故障相对地电压升高为线电压，且相位改变，单相接地电流数值上等于系统正常运行时每相对地电容电流的3倍。故在接地点产生电弧。
图2 中性点不接地系统单相接地电路图
中性点不接地的电力系统发生单相接地时，中性点对地电压升高为相电压，且方向与故障相电压相反；相对中性点电压和线电压仍不变，认为三相系统对称，设备能正常工作。由于非接地故障相对地电压升高为线电压，容易引起绝缘损坏，造成事故，所以单相接地故障运行时间一般不超过2h。
（二）中性点经消弧线圈接地
1、中性点经消弧线圈接地系统原理
当系统发生单相接地故障时，如图三：流过接地点电流等于接地电容电流Id与消弧线圈的电流Id之和。中性点对地电压升高为相电压。消弧线圈中出现感性电流IL与容性电流Id相差180度，在接地点相互补偿，使接地电流减小。在中性点经消弧线圈接地系统中，当发生接地故障时，允许设备运行2h，需要发出报警信号。
2、中性点经消弧线圈接地系统优点
1）迅速补偿单相接地时产生的电容电流，抑制电弧过电压的发生。在接地故障时，接地电流通过消弧线圈时呈电感电流，对接地电容电流进行补偿，使通过故障点的电流减小到自行熄弧范围。2）通过对消弧线圈无载分接开关的切换，使之在一定范围内达到过补偿运行，减小接地电流，使故障电网持续运行一段时间，相对提高了供电可靠性。
图3 中性点经消弧线圈接地系统电路图及相量图
3、中性点经消弧线圈接地系统的不足
1）消弧线圈本身是感性元件，与对地电容构成谐振回路，在一定条件下会发生谐振过电压。2）中性点经消弧线圈接地仅能降低电弧接地过电压的概率，还是不能彻底消除电弧接地过电压，也不能降低电弧接地过电压的幅值。3）零序保护无法检出接地的故障线路。由于接地点残流很小，且消弧线圈必须处于过补偿状态，接地线路和非接地线路流过的零序电流方向相同，故零序过流保护、零序方向保护无法检测出已接地的故障线路。
（三）中性点经电阻接地
接入一定阻值的电阻在大地与中性点间就是中性点经电阻接地系统。其对地电容和电阻构成一个并联回路系统，基于电阻既是谐振阻压元件以及电容电荷的释放元件，又是耗能元件，其对于谐振过电压以及间歇性电弧接地过电压有非常大的消耗作用，具备有非常大的优势。另外，采用这种中性点接地方式的变电机构在发生单相金属性接地时，其相电压可以上升与系统电压相同，跳开接地后，系统的三相电压能够迅速的恢复到正常值，具有一定的可控性，中性点经电阻接地系统的接地点电流值由中性点电阻值以及系统对地电容的容量决定。中性点经电阻接地系统的接地方式与金属性接地方式比较，在出现非金属性接地时，可以显著降低流经中性点和接地点的电流，对健全相电压的上升也有明显的抑制作用，约为单相金属性接地二分之一的零序电压值。所以，在单相接地故障时，经电阻接地方式能产生限流降压作用，可以按相电压来选择其耐压水平，对设备绝缘等级要求较低。 中性点经阻抗接地系统的不足主要如下：
1）在单相接地故障时，继电保护装置作用与跳闸，供电可靠性降低。2）由于接地点的电流较大，当零序保护动作不及时或拒动时，接地点及附近的绝缘受到更大危害，导致扩大成相间短路故障。
三、电力系统中性点接地选择
在110kv及以上中性点直接接地系统中的变压器，应该配置接地保护，用来反映接地故障，并作为变压器主保护的后备保护和相邻元件的后备保护。变压器中性点是否直接接地运行与变压器绝缘水平有关。对高压绕组为分级绝缘的变压器，其中性点绝缘水平技术不同的，对于绝缘水平较低的变压器，其中性点必须直接接地。而中性点绝缘水平较高的变压器，其中性点可直接接地或中性点不接地运行。对于全绝缘变压器，其变压器绕组中性点也有直接接地或不接地运行。在系统中发生接地短路时，分布于系统中性点接地数目和位置及零序电流大小有关。可安排一部分变压器中性点接地运行中性点绝缘水平高的分级绝缘变压器及全绝缘变压器，另一部分变压器中性点不接地运行，并使系统在各种运行方式下，保持变压器中性点接地数目位置不变，以保证零序保护范围稳定，且有足够高的灵敏系数。为满足上述要求，要求变压器中性点选择的原则如下：
1）低压侧没有电源的终端变电所的变压器中性点一般不接地，这样可提高线路首段零序电流保护的灵敏系数。但当线路装有单相重合闸时，为了让选相元件能正确动作，该变压器中性点应接地。2）在单母线运行的发电厂和高压母线上有电源联络线的变电所，变压器中性点应接地运行。如果有两台容量和绕组接线都相同的变压器，可将其中一台变压器中性点直接接地。在具有几台变压器的电厂和变电所，一般可考虑两台变压器中性点直接接地。3）在多个电源的电网中，每个电源处至少应有一个中性点接地，以防止中性点不接地的电源因某种原因与其他电源切断时形成孤立的中性点不接地系统，导致在发生单相接地时产生间歇性弧光接地，引起危险的过电压。4）具有两台以上的变压器、在双母线按固定连接方式运行的发电厂和高压母线有两条以上电源联络线的变电所，每组母线上至少应有一台变压器的中性点直接接地。这样，当母联断路器断开后，每组母线上仍保留一台变压器中性点直接接地。
目前，我国电力系统中性点接地方式，大体是如下：3kV以下电力电网从安全观点出发均采用中性点直接接地方式，3-20kV多采用中性点不接地方式，当系统接地电流大于30A时，采用中性点不接地或经消弧线圈接地方式，20-110kV的电力电网，采用中性点不接地或经消弧线圈接地方式，110kV及以上采用中性点直接接地方式。
总之，在三相交流电力系统中，为了达到较好的工程效果，要根据系统容量的大小、电压等级的高低、运行气象条件和线路的长短等因素经过综合比较经济技术来确定采用哪种接地方式。
参考文献：
[1]唐冬雷.浅析电力系统中性点接地方式[J].柳州职业技术学院学报，2003（3）.
[2]唐志平.工厂供配电[M]，北京：电子工业出版社，2006.
[3]国家电力监管委员会电力业务资质管理中心编写组.电工进网作业许可考试参考教材高压理论部分[M].北京：中国财政经济出版社，2012.12.
[4]张月花，宗灵仑.电力系统的中性点运行方式分析[J].内蒙古煤炭经济.2007（02）.
[5]罗秀红.根据系统接线方式不同正确选择电度表接線[J].科技创新导报.2008（26）.
[6]张保华.浅析配电网电气系统接地[J].科技与企业.2011（10）.
【关键词】 中性点；接地；系统
电力系统的建设、电能供应与我们的生产、生活息息相关，因此必须要确保电网具有良好的运行特性，包括：人身安全、供电可靠、维护方便、设备安全、经济合理且电磁兼容性好等。而电力系统中性点的接地方式与人身与设备安全、系统的供电可靠性、继电保护、绝缘水平及过电压保护、通讯干扰等一系列问题密切相关，若选择不当对电网运行的可靠性、安全性、经济性将会造成严重的影响。因此，中性点接地方式的选择应该从技术水平、经济水平、供电的持续可靠、系统的现状及发展规划等多角度来综合考虑，可以说是一个综合性的系统问题。
电力系统的中性点接地方式可以分为两类，一是大接地电流系统，二是小接地电流系统。其中大接地电流系统又可以分为中性点经低值阻抗接地系统和中性点直接接地电流系统，小接地电流系统可分为中性点不接地系统、中性点经消弧线圈接地系统和中性点经高阻抗接地系统。本文将进行分析探讨各类中性点接地方式的优点与不足。
一、大接地电流系统
将中性点直接接地，即大接地电流系统。若发生单相接地故障时，故障相直接通过接地中性点形成单相短路，单相短路电流比正常负荷电流大的多，继电保护保护装置立即动作于跳闸，切除短路故障。如图1中发生单相接地时，电源中性点对地电压为零，即系统零序电压为零，基本不会改变非故障相对地电压。按这种方式运行的系统，电气设备的对地绝缘水平取决于相电压，这是直接接地系统的最大优点。我国110KV及以上的电力系统，都采用中性点直接接地的方式运行，以降低电气设备的绝缘水平，還改善了保护设备的工作性能，大大降低了电网的建设和维护成本。
图1 大接地电流系统单相接地原理图
此外，该系统单相接地故障时，间歇性电弧导致的过电压不会产生，不会因此而引起设备受损。绝缘监察装置在大接地电流系统中一般不会装设。
中性点直接节点系统也有很多不足之处，在运行中首先是中性点直接接地系统如果出现单相接地故障时，其接地线的接触电压和跨步电压就有较大。这时如果有工作人员误碰带电导体或者登杆，很容易发生触电伤害事故。其次是出现单相接地故障时，电网的运行必须停止，来防治短路电流更大的损失，这样就导致电网运行的可靠性较差。再次是单相接地故障出现时，较大的接地电流存在于中性点直接接地系统中，造成其接地电流的电磁干扰对通讯系统的过大，尤其是当电力线路与通讯线路走向并行时，由于耦合感应电压而对通讯系统造成极大的干扰。
二、小接地电流系统
（一）中性点不接地系统原理
当系统正常运行时，相电压UA、UB、UC对称，三相对地电容电流ICE也对称，因此中性点对地电压U0为零。当系统发生单相接地故障时，假设A相完全接地，如图2所示，则A相对地电压为零，非接地故障相对地电压升高为线电压，且相位改变，单相接地电流数值上等于系统正常运行时每相对地电容电流的3倍。故在接地点产生电弧。
图2 中性点不接地系统单相接地电路图
中性点不接地的电力系统发生单相接地时，中性点对地电压升高为相电压，且方向与故障相电压相反；相对中性点电压和线电压仍不变，认为三相系统对称，设备能正常工作。由于非接地故障相对地电压升高为线电压，容易引起绝缘损坏，造成事故，所以单相接地故障运行时间一般不超过2h。
（二）中性点经消弧线圈接地
1、中性点经消弧线圈接地系统原理
当系统发生单相接地故障时，如图三：流过接地点电流等于接地电容电流Id与消弧线圈的电流Id之和。中性点对地电压升高为相电压。消弧线圈中出现感性电流IL与容性电流Id相差180度，在接地点相互补偿，使接地电流减小。在中性点经消弧线圈接地系统中，当发生接地故障时，允许设备运行2h，需要发出报警信号。
2、中性点经消弧线圈接地系统优点
1）迅速补偿单相接地时产生的电容电流，抑制电弧过电压的发生。在接地故障时，接地电流通过消弧线圈时呈电感电流，对接地电容电流进行补偿，使通过故障点的电流减小到自行熄弧范围。2）通过对消弧线圈无载分接开关的切换，使之在一定范围内达到过补偿运行，减小接地电流，使故障电网持续运行一段时间，相对提高了供电可靠性。
图3 中性点经消弧线圈接地系统电路图及相量图
3、中性点经消弧线圈接地系统的不足
1）消弧线圈本身是感性元件，与对地电容构成谐振回路，在一定条件下会发生谐振过电压。2）中性点经消弧线圈接地仅能降低电弧接地过电压的概率，还是不能彻底消除电弧接地过电压，也不能降低电弧接地过电压的幅值。3）零序保护无法检出接地的故障线路。由于接地点残流很小，且消弧线圈必须处于过补偿状态，接地线路和非接地线路流过的零序电流方向相同，故零序过流保护、零序方向保护无法检测出已接地的故障线路。
（三）中性点经电阻接地
接入一定阻值的电阻在大地与中性点间就是中性点经电阻接地系统。其对地电容和电阻构成一个并联回路系统，基于电阻既是谐振阻压元件以及电容电荷的释放元件，又是耗能元件，其对于谐振过电压以及间歇性电弧接地过电压有非常大的消耗作用，具备有非常大的优势。另外，采用这种中性点接地方式的变电机构在发生单相金属性接地时，其相电压可以上升与系统电压相同，跳开接地后，系统的三相电压能够迅速的恢复到正常值，具有一定的可控性，中性点经电阻接地系统的接地点电流值由中性点电阻值以及系统对地电容的容量决定。中性点经电阻接地系统的接地方式与金属性接地方式比较，在出现非金属性接地时，可以显著降低流经中性点和接地点的电流，对健全相电压的上升也有明显的抑制作用，约为单相金属性接地二分之一的零序电压值。所以，在单相接地故障时，经电阻接地方式能产生限流降压作用，可以按相电压来选择其耐压水平，对设备绝缘等级要求较低。 中性点经阻抗接地系统的不足主要如下：
1）在单相接地故障时，继电保护装置作用与跳闸，供电可靠性降低。2）由于接地点的电流较大，当零序保护动作不及时或拒动时，接地点及附近的绝缘受到更大危害，导致扩大成相间短路故障。
三、电力系统中性点接地选择
在110kv及以上中性点直接接地系统中的变压器，应该配置接地保护，用来反映接地故障，并作为变压器主保护的后备保护和相邻元件的后备保护。变压器中性点是否直接接地运行与变压器绝缘水平有关。对高压绕组为分级绝缘的变压器，其中性点绝缘水平技术不同的，对于绝缘水平较低的变压器，其中性点必须直接接地。而中性点绝缘水平较高的变压器，其中性点可直接接地或中性点不接地运行。对于全绝缘变压器，其变压器绕组中性点也有直接接地或不接地运行。在系统中发生接地短路时，分布于系统中性点接地数目和位置及零序电流大小有关。可安排一部分变压器中性点接地运行中性点绝缘水平高的分级绝缘变压器及全绝缘变压器，另一部分变压器中性点不接地运行，并使系统在各种运行方式下，保持变压器中性点接地数目位置不变，以保证零序保护范围稳定，且有足够高的灵敏系数。为满足上述要求，要求变压器中性点选择的原则如下：
1）低压侧没有电源的终端变电所的变压器中性点一般不接地，这样可提高线路首段零序电流保护的灵敏系数。但当线路装有单相重合闸时，为了让选相元件能正确动作，该变压器中性点应接地。2）在单母线运行的发电厂和高压母线上有电源联络线的变电所，变压器中性点应接地运行。如果有两台容量和绕组接线都相同的变压器，可将其中一台变压器中性点直接接地。在具有几台变压器的电厂和变电所，一般可考虑两台变压器中性点直接接地。3）在多个电源的电网中，每个电源处至少应有一个中性点接地，以防止中性点不接地的电源因某种原因与其他电源切断时形成孤立的中性点不接地系统，导致在发生单相接地时产生间歇性弧光接地，引起危险的过电压。4）具有两台以上的变压器、在双母线按固定连接方式运行的发电厂和高压母线有两条以上电源联络线的变电所，每组母线上至少应有一台变压器的中性点直接接地。这样，当母联断路器断开后，每组母线上仍保留一台变压器中性点直接接地。
目前，我国电力系统中性点接地方式，大体是如下：3kV以下电力电网从安全观点出发均采用中性点直接接地方式，3-20kV多采用中性点不接地方式，当系统接地电流大于30A时，采用中性点不接地或经消弧线圈接地方式，20-110kV的电力电网，采用中性点不接地或经消弧线圈接地方式，110kV及以上采用中性点直接接地方式。
总之，在三相交流电力系统中，为了达到较好的工程效果，要根据系统容量的大小、电压等级的高低、运行气象条件和线路的长短等因素经过综合比较经济技术来确定采用哪种接地方式。
参考文献：
[1]唐冬雷.浅析电力系统中性点接地方式[J].柳州职业技术学院学报，2003（3）.
[2]唐志平.工厂供配电[M]，北京：电子工业出版社，2006.
[3]国家电力监管委员会电力业务资质管理中心编写组.电工进网作业许可考试参考教材高压理论部分[M].北京：中国财政经济出版社，2012.12.
[4]张月花，宗灵仑.电力系统的中性点运行方式分析[J].内蒙古煤炭经济.2007（02）.
[5]罗秀红.根据系统接线方式不同正确选择电度表接線[J].科技创新导报.2008（26）.
[6]张保华.浅析配电网电气系统接地[J].科技与企业.2011（10）.