中性点接地方式及其影响.docx

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中性点接地方式及其影响

中性点接地方式及其影响

    1　中性点直接接地 

　　中性点直接接地方式，即是将中性点直接接入大地。

该系统运行中若发生一相接地时，就形成单相短路，其接地电流很大，使断路器跳闸切除故障。

这种大电流接地系统，不装设绝缘监察装置。

　　中性点直接接地系统产生的内过电压最低，而过电压是电网绝缘配合的基础，电网选用的绝缘水平高低，反映的是风险率不同，绝缘配合归根到底是个经济问题。

　　中性点直接接地系统产生的接地电流大，故对通讯系统的干扰影响也大。

当电力线路与通讯线路平行走向时，由于耦合产生感应电压，对通讯造成干扰。

　　中性点直接接地系统在运行中若发生单相接地故障时，其接地点还会产生较大的跨步电压与接触电压。

此时，若工作人员误登杆或误碰带电导体，容易发生触电伤害事故。

对此只有加强安全教育和正确配置继电保护及严格的安全措施，事故也是可以避免的。

其办法是：

①尽量使电杆接地电阻降至最小；②对电杆的拉线或附装在电杆上的接地引下线的裸露部分加护套；③倒闸操作人员应严格执行电业安全工作规程。

    2　中性点不接地 

　　中性点不接地方式，即是中性点对地绝缘，结构简单，运行方便，不需任何附加设备，投资省。

适用于农村10kV架空线路为主的辐射形或树状形的供电网络。

该接地方式在运行中，若发生单相接地故障，其流过故障点电流仅为电网对地的电容电流，其值很小称为小电流接地系统，需装设绝缘监察装置，以便及时发现单相接地故障，迅速处理，以免故障发展为两相短路，而造成停电事故。

　　中性点不接地系统发生单相接地故障时，其接地电流很小，若是瞬时故障，一般能自动熄弧，非故障相电压升高不大，不会破坏系统的对称性，故可带故障连续供电2h，从而获得排除故障时间，相对地提高了供电的可靠性。

　　中性点不接地方式因其中性点是绝缘的，电网对地电容中储存的能量没有释放通路。

在发生弧光接地时，电弧的反复熄灭与重燃，也是向电容反复充电过程。

由于对地电容中的能量不能释放，造成电压升高，从而产生弧光接地过电压或谐振过电压，其值可达很高的倍数，对设备绝缘造成威胁。

　　此外，由于电网存在电容和电感元件，在一定条件下，因倒闸操作或故障，容易引发线性谐振或铁磁谐振，这时馈线较短的电网会激发高频谐振，产生较高谐振过电压，导致电压互感器击穿。

对馈线较长的电网却易激发起分频铁磁谐振，在分频谐振时，电压互感器呈较小阻抗，其通过电流将成倍增加，引起熔丝熔断或电压互感器过热而损坏。

    3　中性点经消弧线圈接地 

　　中性点经消弧线圈接地方式，即是在中性点和大地之间接入一个电感消弧线圈。

当电网发生单相接地故障时，其接地电流大于30A，产生的电弧往往不能自熄，造成弧光接地过电压概率增大，不利于电网安全运行。

为此，利用消弧线圈的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能自行熄弧范围。

通过对消弧线圈无载分接开关的操作，使之能在一定范围内达到过补偿运行，从而达到减小接地电流。

这可使电网持续运行一段时间，相对地提高了供电可靠性。

　　该接地方式因电网发生单相接地的故障是随机的，造成单相接地保护装置动作情况复杂，寻找发现故障点比较难。

消弧线圈采用无载分接开关，靠人工凭经验操作比较难实现过补偿。

消弧线圈本身是感性元件，与对地电容构成谐振回路，在一定条件下能发生谐振过电压。

消弧线圈能使单相接地电流得到补偿而变小，这对实现继电保护比较困难。

    4　中性点经电阻接地 

　　中性点经电阻接地方式，即是中性点与大地之间接入一定电阻值的电阻。

该电阻与系统对地电容构成并联回路，由于电阻是耗能元件，也是电容电荷释放元件和谐振的阻压元件，对防止谐振过电压和间歇性电弧接地过电压，有一定优越性。

中性点经电阻接地的方式有高电阻接地、中电阻接地、低电阻接地等三种方式。

这三种电阻接地方式各有优缺点，要根据具体情况选定。

    5　结束语 

　　随着社会经济的发展和科学技术现代化对电力依赖和消费程度越来越高，对用户供电的可靠性，也不再是靠带单相接地故障运行2h来保证，而是靠电网结构和电力调度控制来保证。

　　随着电网规模扩大，单相接地电流也随之增大，而威胁到设备的安全。

为此，10kV单电源辐射形或树状形供电，必须向环网双电源供电改造。

　　此外，由于现代化城镇建设对市容的要求，10kV架空线路应改造为以电缆供电为主，架空线路为辅，这也成必然趋势。

所以10kV电网中性点不接地或经消弧线圈接地方式，将随用电负荷逐年递增与电网结构的变化而变化。

　　为满足今后电力发展的需要，必须根据电力负荷、电网结构、电缆回数、过电压保护、跳闸方式，以及继电保护构成和电力系统稳定性等因素，对10kV电网中性点接地方式进行选择确定，从而达到中性点接地方式的优化。

安庆城区10kV配电网中性点接地方式探讨

（一）

       1 引言 

    随着城网改造的深入发展，10kV配电网容量迅速增加，网络结构日趋完善，根据城市建设需要，架空裸导线路正逐渐被电缆和绝缘导线线路替代，与此同时，由于过电压引发的开关柜和家用电器烧坏等事故也屡见不鲜。

因此，如何有效的经济的限制配电网过电压成为当前供用电工作的重点。

    10kV配电网中性点通常可分为不接地系统、经电阻接地系统和经消弧线圈接地系统。

由于选择接地方式是一个涉及线路和设备的绝缘水平、通讯干扰、继电保护和供电网络安全可靠等等因素的综合性问题，所以我国配电网和大型工矿企业的供电系统做法各异，以前大都采用中性点不接地和经消弧线圈接地的运行方式。

近年来一些城市电网大力推广电阻接地的运行方式。

近年来一些城市电网大力推广电阻接地的运行方式。

本文结合安庆城区10kV配电网的具体情况，对中性点接地方式问题进行探讨。

    2 安庆10kV配电网中心点的运行方式 

    2.1 目前现状 

    安庆中心城区供电主要电源来自90年代中期投产的110kV湖滨变、城西变和即将投运的110kV中心变，电压等级都是110kV/10kV，主变容量都是2×40MVA，为屋内布置无人值守变电站。

中心变是城网改造的重点项目，它的新建使市区按区域分片供电成为可能，完善了配电网架的结构调整，形成了城西变、湖滨变、东郊变、肖坑变、中心变和热电开闭所的10kV环形网络，初步形成了“手拉手”供电格局。

安庆中心变的供电范围是菱湖南路以南，棋盘山路以西、龙山路以东、沿江中路以北的工商、居民密集的老城区，中心变建在靠近宜城路的安庆供电局后院，主变和进出线全部采用交联聚乙烯高压电缆，对人民路、华中路、沿江路、菱湖南路等4条主要街道实行首尾双电源自动投切供电，是安庆市第一所全电缆型屋内变电所，该所10kV系统中性点采用KYN58-12-014（改）型柜式消弧及过电压装置，内装接地真空接触器，三相共体，分相操作，即任一相动作，则该相母线接地，另两相必须可靠锁定，不允许再闭合。

其原理是当系统发生弧光接地时，应能在100ms内准确显示故障相别及接地故障属性，并发出弧光接地转变为金属性接地的指令，过电压保护是通过4只带有间隙的氧化锌避雷器，采用四星形接线来实现的，母线设备柜内装有微机小电流接地选线装置，从理论上讲也可达到消弧消压目的。

110kV湖滨变的10kV系统采取中性点不接地系统。

110kV城西变10kV系统中性点接入ZBXH-10/20--50自动跟踪消弧线圈和微机检测小电流接地装置。

    2.2 存在问题 

（1）电缆一旦击穿即成为永久性故障，不可能自行恢复。

若不及时跳闸则产生的电弧热量可使绝缘迅速烧损，直至发展成相间短路而跳闸，造成事故进一步扩大。

安庆中心变的消弧装置是在单相接地故障时将10kV配电网不接地系统通过保护转变为中性点直接地系统，无疑是陡增了接地点电流，这样有利于促成相间短路的形成，但加速了电缆绝缘老化，应该说这不是我们期望的。

（2）这种不接地方式当发生一相接地故障时，产生的过电压倍数比较高，由于弧光和铁磁谐振过电压使健全相的相电压升高4--7倍，这对电缆、开关柜的绝缘和热稳定都构成较大威胁。

例如：

1999年春节期间人民路中段10kV、240m/m2电力电缆因短路故障综合损失达10万元左右。

    （3）电缆线路的单相接地电容电流较大。

中心变10kV高压电缆线主干线电缆用3×240m/m2，支线电缆采用3×70m/m2，接入10kVI、II段母线，根据资料统计共接入67KM电缆，利用公式近似计算，两段母线电容电流总计达70A，待城网改造完善后，电缆线路将会进一步延伸，电容电流还将随之增加。

在接地电流较大的系统，若选用消弧线圈接地方式，必须增加容量，可达300—400kVA，加大了投资成本，而且在自动跟踪调谐上也难以满足各种频繁调节限位的需要，因此，在技术、经济上都是不可取的。

现在中心变采用的是不接地定时转变为直接接地系统，完全丧失了小电流接地系统不间断供电的优点，这样只好由配电网结构和自动化补救。

    鉴于上述原因，根据兄弟省市配电网经电阻接地运行的成功经验，我们认为安庆城区10kV配网可采用经中性点电阻接地方式比较适宜。

    3 10kV中性点经电阻接地方式 

    3.1 中性点阻接地系统单相接地故障简单分析 

    当系统A相发生非金属性接地时，设故障点的过渡电阻为Rg，中性点接地电阻Rn,系统对地电容为Co，实际中的正序阻抗Z1、负序阻抗Z2都远远小于零序阻抗Z0，因此可以忽略不计。

Z0近似认为3Rn和Xc并联之值，其等值电路见图1。

                             图1 A相单相接地等值电路图

 当发生单相接地时，中性点经电阻接地系统的零序电压为：

    流过系统单相接地点故障电流为：

    Ιn＝β×（IR+jIc）= β×Ιg 

    式中 Ιn：

流经中性点电阻有功电流 

    Ic：

流经中性点电阻无功电流 

    β：

“接地系数”，其概念是：

当系统发生有过渡电阻的单相接地时，产生零序电压和接地故障电流是金属性接地时的β倍，反映了过渡电阻Rg大小对接地电流、电压的影响。

β值为：

    3.2设备配置 

    综合考虑过电压绝缘配合、继电保护和通讯干扰的要求，借鉴于其它城市10kV配电网中性点经电阻接地运行的经验，认为安庆110kV中心变电所10kV配电系统采用中性点经电阻接地方式，阻值为100Ω，单相接地时，保护立即跳闸。

由于主变压器为Y/△-11接线组别，在△侧无中性点，故利用Z型接地变压器形成一个人为中性点，加装接地电阻。

    110kV安庆中心变为2×40MVA主变向两段10kV母线送电，受电用户为双电源供电，10kV电缆出线间隔为18回，应送出10回，8回备用。

10kV配电系统中性点经电阻接地接线图见图2（图2因故未画）。

（1）接地变压器 

    所用变压器为80kVA，考虑到单相接地的零序电流，选用DKSC8-200/10.5型干式接地变，容量为200/80kVA，10s，能承受120A的单相电流，中性点持续电流不小于24A。

（2）电阻器 

    选用象山制造的不锈钢电阻，阻值100Ω，额定电压10kV，额定电流24A，允许短时（10s）电流110A。

    （3）继电保护 

    线路零序保护选用南自院生产的ISA351D型零序功率方向保护，整定电流范围在80mA—10A。

    小电流接地系统发生单接地故障时，故障线路和非故障线路零序电流方向相差180°，零序功率方向设计依据零序电压和电流的相位、大小来动作，设定当系统单相接地故障时故障线路零序电流超前于零序电压，而此时正常线路中的零序电流滞后于零序电压。

    线路零序CT选择1A的速饱和CT，二次电流为200mA，所有出线单相接地保护由线路零序CT启动，按时间0.5s电流0.1A跳闸或投信号整定。

    接地电阻回路选择变比是100/5CT的零序电流保护作为10kV馈线的后备保护、母线保护和电阻器的保护。

    4 结束语 

    采用10kV配电网经电阻接地方式的变电所当发生单相金属性接地后，健全相电压上升至系统电压，接地跳开后，三相电压迅速恢复到正常值，接地点电流值由系统电容电流的大小和中性点电阻值共同决定。

当发生非金属性接地时，受接地点电阻的影响，流过接地点和中性点的电流比金属性接地时有显著降低，同时，健全相电压上升也显著降低，零序电压值约为单相金属性接地的一半。

由此可见，采用中性点经电阻接地有在上接地故障时产生限流降压作用。

有试验表明，由于中性点电阻能吸附大量的谐振能量，在有电阻器的接地方式中，从根本上抑制了系统谐振过电压。

因此我们认为在10kV城网接地方式中，中性点经电阻器接地应是优选方案。

    城网采用中性点电阻接地运行方式，国外早已成功运行，如日本采用高阻抗接地方式，美国主要采用中性点经电阻接地方式，法国以低电阻接地方式居多，俄国最新版本1999《过电压保护导则》对6—35kV电网中性点接地方式认为经电阻器接地和最小时延切除“接地故障点”是最合适的。

我国九十年代初已开始因地制宜在10kV城网中推广中性点经电阻器接地方式，如今在上海、南京、广州、深圳等一批城市得到广泛应用和发展。

因此，在安庆城区10kV配电网采用中性点经电阻器接地方式是切实可行的。

电站电气设备中性点接地方式的研究

1　前言

　　电站在安装电气设备时，其中性点接地方式面临多种选择，有采取直接接地、不接地、或经其它电器设备（消弧线圈、电阻、电抗、变压器……）接地的方式。

选择何种方式较合适是电气专业人员十分关心的问题。

由于其涉及到设备的过电压和绝缘的安全、继电保护的装设和自动控制上的正确动作、系统的稳定、供电的可靠性、接地故障点对人身安全的危害性、系统的布置、对电讯和无线电的干扰等问题，历来设计院、电科院、业主、用电单位、供货商、制造厂……都有不同看法，是电站工程和电气行业机构制定标准的一个课题。

2　电气设备中性点接地方式的一般原则

　　从理论上分析，当电气设备中性点采用不接地方式时，由于需考虑设备或系统线路在发生单相接地故障时接地点有较大电容电流流过（可能达到正常工作时单相对地电容电流的3倍），产生强烈的、不能自行熄灭的电弧，损坏设备；而此时，中性点处对地电压升为相电压，非故障相电压升为线电压，因此，设备的中性点处绝缘应按相电压绝缘考虑，设备各相的绝缘应按线电压绝缘考虑，设备制造的复杂性和成本因而增加。

　　若设备的中性点采取直接接地方式，考虑设备或系统线路在发生单相接地故障时，中性点处对地电压仍为零，非故障相电压不会升高，仍为相电压；故设备的中性点处绝缘和各相的绝缘仍按正常时情况考虑，不必升高，设备造价相对低一些。

但此时故障点的电容电流很大，甚至可能超过三相短路时电流，造成故障点、设备中性点构成的回路中流过的电流很大，引起事故并扩大；故线路上需加装断路器，在继电保护装置的配合下跳闸，及时将故障相切除，消缺后又自动重合闸。

　　经其它电器设备接地的方式，如：

（1）经消弧线圈接地，属于中性点不接地范畴（小电容电流类型）。

消弧线圈的作用是：

利用其产生一个电感电流，其与接地点的电容电流的方向正好相反，将电容电流抵消，以消除产生电弧的条件。

（2）经小电阻、小电抗接地，属于中性点直接接地范畴（大电容电流类型）。

当线路发生单相接地故障时，因短路故障电流较大，引起电压降低，系统不稳定。

设备中性点接地线上加装一个小电阻（如设备位置在系统线路末端，则加装小电抗），可以吃掉一点输入功率，频率下降，发电机的加速度减缓，稳定性增强等等。

3　发电机中性点接地方式

　　过去，由于发电机容量不很大，中性点接地方式一般采用不接地或经高电阻接地或经消弧线圈接地的方式。

为防止发电机定子绕组线路发生单相接地故障时，流过故障点的电容电流过大，产生电弧烧伤铁芯，甚至进一步发展，损坏定子绕组的相间或匝间短路，故必须装设定子接地保护。

现在，随着发电机单机容量愈加增大的趋势，采用直接接地类型（通过变压器或小电阻等接地），即将变压器、隔离开关、二次电阻等都装在中性点接地柜中，发电机中性点出线通过中性点接地柜接地。

　　托克托电厂的汽轮发电机单机容量600MW，是大型汽轮发电机组，中性点接地方式采用中性点接地柜接地（发电机中性点出线经过隔离开关、变压器一次侧接地）。

变压器和隔离开关的容量和参数需由发电机和线路的对地电容和发生单相接地故障时的对地电容电流来决定。

　　托克托电厂一期工程汽轮发电机中性点接地变压器的计算如下所述。

（1）原边电压Vg

　　即发电机不接地时的中性点对地电压。

因在发生单相接地故障时，发电机中性点对地电压为相电压，考虑到浪涌电压的影响，发电机中性点的绝缘按线电压考虑，此处电压也就按线电压考虑（即发电机的额定电压）。

对托克托电厂，Vg=22kV。

（2）变压器容量P，按日立公司方法[2]计算

　　式中：

Vg为发电机的额定电压（对托克托电厂一期工程汽轮发电机为22kV）；

　　　　　I1为接地变压器的原边电流，A；

　　　　　C为发电机主回路的总电容，μf/相；

　　　　　f为发电机的额定频率，50Hz。

　　（3）变压器二次侧电阻器的电阻按下式计算

　　N为接地变压器的电压比（对托克托电厂，发电机中性点接地变压器的原边电压/副边电压=22000V/220V=100）。

　　（4）发电机主回路的总电容按下式计算

式中：

CG为发电机的电容（对托克托电厂为0.24μf/相）；

　　　CSA为考虑冲击电流峰值产生的电容（对托克托电厂为0.15μf/相）；

　　　CST为变压器的电容（对托克托电厂为0.0069μf/相）；

　　　CHT为（对托克托电厂为0.004297μf/相）；

　　　CB为（对托克托电厂为0.00648μf/相）。

　　代入计算，托克托电厂汽轮发电机总电容（考虑10％余量）：

　　（5）将以上数据代入计算托克托电厂发电机中性点接地变压器参数

　　原边电流（即发电机中性点对地电容电流）：

　　I1=I2/N=560/100=5.6（A）

　　（6）在发电机主回路的总电容C中，考虑冲击电流峰值产生的电容CSA是个变数；当不考虑它时，所出现的情况应是最低限，即CSA=0时，所算出的C=0.284μf/相，P=74.8kVA，R≤0.37Ω，I2=350A，I1=3.5A。

　　因此，二次侧电阻器的电阻采用0.37Ω（中间抽头0.23Ω）。

　　故接地变压器的数据最后成为：

容量110kVA，电压比22/0.22，副边电压0.22/kV，副边电阻0.37Ω（中间抽头0.23Ω），副边电流560A（0.23Ω时），350A（0.37Ω时），电阻器容量0.46kW。

4　变压器中性点接地方式

　　变压器的中性点接地方式也可以作多种选择：

接地、不接地、经其它电器（如小电抗器等）接地。

从装设继电保护的方便和可靠方面来看，采用不接地方式无疑最好，因为变压器中性点采用不接地方式可以装简单可靠的零序电流继电保护装置，而直接接地则不能；但从变压器中性点绝缘水平的要求和变压器制造复杂程度来看，采用直接接地方式又是最好的。

经其它电器（如小电抗器）接地，也各有优缺点。

　　对于不接地变压器的中性点和经小电抗器接地变压器的中性点运行期间需考虑可以承受如下几种过电压[1]：

（1）雷电过电压：

在雷电波侵入高压绕组后，变压器中性点上出现的过电压波头可达45～70μs以上。

（2）单相接地工频过电压。

　　（3）工频传递过电压：

在传递过电压较高时会发生变压器低压侧电压互感器电磁谐振。

　　（4）断路器非全相运行过电压。

　　（5）单端电源工频过电压：

可能会引起谐振。

　　（6）双电源频差过电压：

严重时中性点避雷器将可能爆炸。

　　（7）形成孤立不接地系统，产生弧光过电压：

弧光过电压一般产生2.8p.u，将许多设备烧坏。

　　由此，中性点不接地的变压器绕组绝缘系统的要求要比中性点直接接地的变压器绕组绝缘系统高。

中性点直接接地的变压器绕组绝缘可以采用分级绝缘，即中性点处的绝缘水平可以低于出线端的绝缘水平；中性点不接地的变压器绕组绝缘则只能采取全绝缘，即绕组所有出线端都必须具有相同的耐受电压。

　　经小电抗器接地变压器的中性点过电压要比不接地变压器的中性点过电压低许多，不会产生危害很大的谐振过电压和弧光过电压，不易产生失步过电压。

电科院试验表明，人为让它失步（调节无功功率，拉大功角），小电抗器上的失步过电压也达不到不接地变压器的中性点最大失步过电压的10％。

因此，变压器中性点经小电抗器接地后，既能减小各种中性点过电压，又能装零序继电保护，即相当于变压器中性点部分接地的作用。

　　经上述考虑和前述一般原则上的考虑，托克托电厂主变压器（高压侧）采用中性点直接接地的方式是合理的。

主变出线端的绝缘水平为550kV，而中性点绝缘水平按国标要求采用35.5kV（当然，为了增加辅助补偿回路，也可提高中性点绝缘水平为66kV）。

托克托电厂主变为单相变压器，单台容量250MVA，额定电压500kV。

　　托克托电厂启动/备用变压器（高压侧）采用中性点不接地的方式（其经高压隔离开关接地，当断开时不接地，合上时直接接地），是容量40/20－20MVA的三相变压器，额定电压220kV。

　　为了防止出现孤立不接地系统情况时产生较高的工频过电压和雷电波自三相同时侵入时损伤绝缘的情况，启动/备用变压器中性点过电压保护采取在接地回路上并接棒间隙和避雷器的方式，避雷器的残压值低于中性点绝缘水平。

　　对电网来说，为安装零序继电保护的需要和限制系统单相接地短路电流不致过大，系统线路上变压器中性点不应全为直接接地方式，最好配30％～50％左右的变压器中性点采用不接地方式。

5　厂变、中压开关柜中性点接地方式

　　托克托电厂厂用电系统采用三相三线制，中性点接地方式是从厂变低压侧中性点通过低电阻（电阻值6.06Ω）接地。

　　由于采用中性点小电阻接地方式，按前面所述原则，各相绝缘和厂变中性点处绝缘按常规即可，不必特别要求加强。

而中压开关柜在采用三相三线制接线之后，在线路发生单相接地故障时，只报警不跳闸；如采用三相四线制接线，线路在发生单相接地故障时，必然跳闸（因中性点直接接地方式在发生单相接地故障时，接地电流很大，对此处情况可能达到数千安培。

这样大的电流，设置的CT必然要跳），因此，从设计的角度是合理的，电力部规程也是按此要求设计。

6　干式变、低压开关柜中性点接地方式

　　托克托电厂低压厂用电系统设计（PC柜、MCC柜等）也采用三相三线制接线（除照明、检修PC段仍采用三相四线制接线外），中性点接地方式是从干式变压器低压侧中性点通过中电阻（电阻值44Ω）接地，其带来的优越性与上述相同。

　　然而，这给施工带来一些问题。

由于采用三相三线制接线，在施工中或设备安装、调试时发现，一些电器设备或设备上的装置需用220V电源，否则无法接线。

例如，笔者在参加托克托电厂电气设备安装服务时就碰到过：

干式变压器上的风扇电源，一些电动机上的加热器电源，凝汽器上的监测装置电源等等，皆要用220V电源。

原先设计时没有考虑，或考虑不周或遗漏，到安装、调试时才发现。

如临时接线，因电源柜是三相三线制接线，无法解决，只得另增设回路，加装380/220V单相隔离变压器来解决，时间和费用都造成浪费；采用三相四线制接线，问题会少得多。

7　其它电气设备的中性点接地方式

　　其它电气设备还有柴油发电组等，情况与上