中性点接地方式.docx
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中性点接地方式
中性点接地方式
1．前言：
1、集中电网系统规划、电气主接线、厂用电和设备选择等单元中有关中性点接地方式内容，统一讲解，建立系统概念；
2．内容包括中压、高压、超高压特高压系统，重点是中压。
1、概述
1、中性点接地的意义
三相交流电流系统的三相交汇处与参考地之间多种多样的关系。
称之谓中性点接地方式。
它是工作接地、安全接地和保护接地。
选择不同的接地方式，对电力系统建设和运行的安全性、可靠性、先进性和经济性意义重大。
2、中性点接地方式的种类
序号
接地方式
中压电网
高压电网
超高压电网
特高压电网
3—66KV
110—220KV
330—500KV
750—1000KV
1
中性点不接地
★
2
中性点直接接地
★
★
3
中性点选择性直接接地
★
★
4
中性点经电抗接地
★
★
★
5
中性点经电阻接地
★
★
6
中性点经阻抗接地
★
3、中性点接地方式的性质
有效接地和非有效接地的零序阻抗范围:
XO/X1<3
RO/X1<1
基于对电网绝缘配合的考量，对工频过电压和短路电流的限制是其出发点。
4、选择接地方式要考虑的因素
电压等级
网络结构
安全性
供电可靠性和连续性
环境保护
过电压水平
绝缘配合和避雷器选择
设备耐压水平
短路电流的控制
导体和设备选择
继电保护及其配合
高海拔地区
经济性
二、3—66KV中压电网的接地方式
1、沿革
2、中性点不接地方式
1）特点及适用范围
——单相接地不跳闸、连续运行；
——接地点电流为容性，易发生间歇性弧光接地过电压；
——工频过电压高，内部过电压高；
——架空网络多为瞬时性可恢复；
——避雷器选择100%。
适用于单相接地电容电流小于7～10A的场合。
2）单相接地故障
流过的是电容电流
3）间歇性弧光接地过电压
——接地点多次重燃引起；
——非故障相的最大过电压3.5
，稳态电压为线电压。
——波及整个电网；
——时间持续很长；
——没有有效的保护设备，避雷器要避免动作，消弧柜的动作时间跟不上；
——接地点位置不易确定；
——易使P.T饱和引发谐振。
4）电容电流的限值
6～66KV电网：
10A
6～10KV厂网：
7A
5）电容电流计算
近似计算：
6KV架空
=0.015～0.017A∕Km
10KV0.025～0.029A∕Km
35KV0.1A∕Km
另一种估算通式：
Ic=（2.7～3.3）UeL×10-3A
式中L——线路长度Km;
Ue——网络额定线电压Km;
2.7——系数，适用于无架空地线；
3.3——系数，适用于有架空地线。
同杆双回线路为单回路的1.3～1.6倍。
电缆：
Ic=0.1UeLA
发电机、厂用回路、封闭母线、变电所的Ic见手册。
带线性电阻的阻容吸收器，每台0.1～0.2μF。
带非线性电阻的阻容吸收器不计算。
3、中性点谐振接地方式
1）特点及使用范围
为了避免间歇性孤光接地过电压频繁发生，在接地电容电流超限时，采用中性点经消弧线圈的谐振接地方式是传统做法。
其特点与不接地方式雷同，区别有：
——接地点的电流是补偿过的电流；
——消弧线圈容量由Ic确定；
——Ic的变化要求有自动跟踪功能；
——需要采取措施抑制谐振过电压；
——多种小电流选线装置进入市场；
——统计内过电压达到3.2P.U。
2）适用范围
——6～66KV中压电网；
——网络以架空线为主；
——不适宜电缆供电网络。
3）补偿原理
脱谐度：
全补偿（U=0）；
>
欠补偿（U>0）；
<
过补偿（U<0）.
通常采用过补偿运行方式U<10%.
4）中性点位移
式中
——电网额定电压KV；
P——电网的不对称度：
d——阻尼率；
u——脱谐度、
P由线路各相对地电容不相等引起。
不换位水平平排列，P可达3.5%，一般不超过0.5～1.5%。
d由线路各相对地泄露电阻和消弧线圈有功损耗决定。
要求长时间
<15%，1小时<30%，事故短时间≯100%。
在消弧线圈中串阻尼电阻可增大d，降低
，还可阻尼全补偿时的谐振。
5）自动跟踪补偿
预调式——调匝式，调隙式；
随调式——调容式、调感式、编磁式、相控式。
6）小电流选线
利用稳态信号选线——幅值比较法，方向法，谐波法，有功分量法，负序电流法，注入信号寻迹法。
利用暂态信号选线——幅值与极性比较法，小波法，暂态零模电流方向法，暂态能量法。
利用工控机选线。
7）消弧线圈选择
型式：
干式、油浸式
容量：
KVA
式中
——系统标称电压KV
——接地电容电流A
1.35——储备系数，考虑
计算误差和过补偿要求；
位置：
——在任何运行方式下，不失去补偿；
——不宜把多套自动跟踪集中安置在同一位置；
——宜接在零序阻抗很小的变压器上，有Δ接线，内有Δ绕组或Z型接线绕组；
——容量不大于变压器绕组容量，小于总容量的50%；对于
接线，不超过20%。
——主变压器中性点未引出时，要设接地变；
——接在电源侧而不是负荷侧，防止负荷退出而失去补偿；
——两台主变不要合用一台消弧线圈；也不推荐两段母线合用一台。
8）接地变
原理：
Z型连接
结构：
单相接地时，同柱绕组磁通大小相等，方向相反，零序磁通被迫从空气中流通，相当于漏抗，从而呈现低阻抗
9）消弧线圈接地方式存在的问题
——过电压高
——要求绝缘水平高
——避雷器选择不当易坏
——难找事故点
——易谐振
——易发生异相接地
——难维护
——价高
4、中性点经电阻接地方式
1）原理
2）特点
——单相接地时，立即跳闸；
——非故障相工频过电压1.3～1.4P.U，内过电压2.5P.U
——可选用80%避雷器，设备绝缘水平低；
——接地电流为阻容性，当
>
时，间歇性弧光接地过电压发生概率大为降低；
——电阻容量和接地变容量根据阻性电流确定；
——不需要自动跟踪，没有复杂的调控和小电流选线，保护控制简单易行，选择性强，灵敏度高；
——电阻有低、中、高三种形式，分别用于不同的场合；
——易于扩建增容；
——材料有金属、非金属两种；
——不会谐振、不会异相接地，没有消弧线圈接地的诸多缺点。
3）适用范围
——以电缆为主的中压电网；
——弱绝缘设备较多的网络；
——高海拔地区，以“加强保护”替代“加强绝缘”。
4）对过电压的限制
相位说；
泄露说；
半个周期内可把积累电量泄完。
阻尼说
有利于限制谐振过电压
5）低电阻接地
——零序过滤器保护；
——为避开电机起动，要求
>600A；R<10Ω；
——大接地电流的害处，火烧连营、地电位升高、电阻容量大。
6）中电阻接地
——零序电流互感器保护；
——阻值范围10～200Ω；
<200A，取
=（2～3）
；
——不考虑电机起动；
——注意对单芯电缆的零序电流保护。
7）高电阻接地方式
应用场合：
<10A时，为获取接地信号而设；发电机回路
<10A要求单相接地瞬时切机。
8）发电厂电阻接地应用例
——发电厂
——厂用电
——风、光发电站
9）变电所电阻接地应用例
——
（Δ）变压器应用例
——分裂电抗器应用例
——
变压器应用例
10）用户工程应用例
新疆天业、榆林北元、徐州中能硅业
11）接地电阻材料选择
金属与非金属之比较。
5、阻抗接地方式
上海思源公司
广州智光公司
三、110～220KV高压电网的接地方式
在110KV、220KV甚至330KV的高压电网中，变压器中性点的过电压保护方式，从上世纪50年代初开始到现在的60多年中，经历了几次不同的发展阶段，体现了我国高压电网的蓬勃发展，彰显了电力科技的不断进步。
我国对高压电网的中性点采用的是有效接地方式，110、220、330KV变压器中性点均为直接接地。
为了控制电网对地的零序阻抗，保证单相接地时的过电压和短路电流在允许范围之内，网内会有部分变压器中性点被选择为不接地运行。
因此，根据网络结构和调度需要，除自耦变压器外的其他普通变压器都应具备不接地运行的条件。
当变压器处于不接地运行时，在变压器的中性点会出现多种形式的过电压。
而变压器的中性点又大多采用的是分级绝缘。
这就给中性点的过电压保护和绝缘配合带来了困难和问题。
这里将以110KV电压为例，回顾探讨不断演进的几种保护方式的合理性和存在问题。
1.变压器中性点的过电压和绝缘水平
1.1大气过电压
1）当雷击线路，冲击波侵入变压器时，以三相同时进波最严重。
在中性点的反射，会是侵入波幅值的1.5～1.8倍。
而侵入波幅值可认为与线端避雷器雷电冲击残压持平，不超过变压器高压端的冲击试验电压。
2）单相进波为三相进波的1/3,此电压已经超过了变压器中性点的绝缘水平。
3）两相进波为三相进波的2/3。
1.2单相接地时
1）稳态，变压器中性点的过电压一般不超过0.6倍最大运行相电压
2）暂态，对中间变电所有可能达到1.5～1.8倍最大运行相电压，会使中性点避雷器动作，而对终端变电所，则可能再翻番。
1.3非全相运行时
常见的非全相运行情况有，单相重合闸的使用，断路器同期性能不良或非全相拒动。
1）单相合闸时，中性点为相电压
。
两相合闸时，中性点处于两相绕组的中性点为
。
它们都超过了中性点避雷器的动作电压（或灭弧电压）。
2）如出现谐振，中性点上的过电压可能达到2
.若此谐振系由断路器三相同期性能不良引起，则要求断路器的合闸非同期性不超过5ms，分闸不超过10ms。
3）若变压器低压侧也有电源时，有可能发生不同步现象。
中性点的电压将为两系统相电压之差。
反相最严重，可达2
。
1.4绝缘水平
表1-1110KV分级绝缘变压器中性点和线端绝缘水平
绝缘等级/KV
额定短时工频耐受电压（有效值）/KV
雷电全波冲击耐受电压（峰值）/KV
35
中性点44
60
85
95
140
185
250
325
线端110
200
480
表1-2220～330KV变压器中性点和线端绝缘水平
系统标称电压（KV）
系统最高电压（KV）
中性点接地方式
雷电全波和截波（KV）
短时（1min）工频（有效值）（KV）
220
252
直接接地
185
85
经接地电抗接地
185
85
不接地
400
200
线端
850,950
360,395
330
363
直接接地
185
85
经接地电抗接地
250
165
线端
1050,1175
460,510
2.第一代保护方式
2.1保护方式：
采用带有串联间隙的碳化硅（sic）阀式避雷器。
2.2时段：
新中国成立—20世纪60年代中期。
2.3保护条件
1）避雷器的冲击放电电压和冲击残压应低于变压器中性点的冲击耐压。
2）避雷器的灭弧电压应大于因电网一相接地而引起的中性点电位升高的稳态值，以避免避雷器爆炸。
2.4存在问题
对110KV变压器中性点来说，中性点绝缘大多采用35KV电压等级，如用FZ-35或FCZ-35型避雷器都能满足第1）条；但它们的灭弧电压为41KV。
小于
不满足第2）条。
所以在20世纪50年代FZ-35爆炸事故很多。
50年代末，电力部门以反事故措施形式下达指令：
采用ZXFZ-20替代FZ-35。
这时的灭弧电压已经提升到50KV，大于43.9KV。
减少了爆炸事故。
但其中冲击放电电压154KV，与设备的冲击耐压水平180KV之比，仅为1.17，达不到1.4绝缘配合系数的标准。
考虑到避雷器距离变压器中性点很近，而流过中性点避雷器的雷电流受到变压器绕组的阻制，幅值很小，陡度不大，也就勉强使用了很长一段时间。
第一代保护方式随着第二代保护方式的出现而告终。
3.第二代保护方式
3.1保护方式：
避雷器并联棒式放电间隙。
它们与接地隔离开关共三台设备独立散装。
3.2时段：
20世纪60年代末—2008年。
3.3保护条件
1）对间隙的要求：
雷电波侵入时，间隙不应动作；当系统处于有效接地状态发生单相接地故障时，间隙不应动作；当电网处于失地状态同时又出现单相接地短路故障时，或者变压器高低两侧均有电源且处于失步状态时，间隙应放电，以保护避雷器；间隙动作电压要与被保护中性点绝缘水平相配合，可靠地保护中性点绝缘。
2）对避雷器的要求：
避雷器在工频过电压下不应动作；在雷电过电压和接地暂态过电压下应动作；避雷器的残压要小于变压器中性点绝缘耐受水平，并保持一定的配合裕度；避雷器的残压不能引起间隙放电。
3.4保护原理
根据上述保护条件要求，理想的棒间隙和避雷器伏秒放电特性配合如图1所示。
图1中
为其交点的过电压波的波头时间。
当
小于
时（如大气过电压），间隙放电电压高而不会击穿。
这时避雷器动作；当
大于
时（如内部过电压），间隙先于避雷器击穿，保护避雷器，并使变压器中性点直接接地。
为了保证绝缘配合的安全性，1985年修订GB1094《电力变压器》时，提高了变压中性点绝缘水平，将短时工频耐受电压（有效值）由85KV提高到95KV，雷电全波冲击耐受电压（峰值）由185KV提高到250KV。
这相当于把35KV的绝缘等级提高到了44KV。
3.5存在问题
1）间隙放电电压分散性大。
图2为对棒间隙（间隙距离140mm）在正极性雷电冲击下实测的伏秒特性。
从图看出放电电压的分散性很大。
这是由于棒间隙本身的电场分布不均匀所致。
加上间隙都是由工人按设计图纸现场制作，加工粗糙。
以及气候影响等。
会在较大范围内变动，甚至于避雷器的伏秒特性没有交点。
两者配合失位，导致频发误动作。
2）间隙放电出现陡波。
图3为间隙在雷电波作用下击穿时的波形。
图中看到极高的幅值和陡度。
在变压器中性点绕组的匝间形成极高的电位梯度，对纵绝缘威胁很大。
3）各地区配置不统一
图4为变压器中性点的接线标准配置。
但有些地区在实施中都采用了不同的方案。
如：
有个别地区不设避雷器，仅设置隔离开关和放电间隙。
主要认为间隙与避雷器的配合不到位。
不如只装间隙。
但会面临间隙熄弧时产生的高陡度过电压，威胁变压器绕组的匝间绝缘。
还有个别地区不设间隙，主要认为间隙放电电压不准。
而氧化锌避雷器通流容量已比碳化硅避雷器大许多，具有一定的内过电压保护功能。
但仍不能解决在内过电压下避雷器爆炸问题和偶然形成的不接地局部电网问题。
也有个别地区要求在中性点加装电压互感器，以监视放电记录中性点出现的过电压和波形。
但这要付出较高的代价。
4）间隙整定困难
间隙要依据电网的
值进行过电压计算进行整定。
但
是变化的。
设计者并不掌握，也没有条件对整个电网的间隙距离经常调整。
往往是以不变应万变，由当地供电部门给定放电电压或固定的间隙距离，有100～135mm不等。
各地区规定的范围差别很大。
导致与避雷器的动作电压配合不理想。
5）现场组装占地多
各原件分别采购，分立安装。
现场的施工安装工作量大，又没有必要的试验设备，调试困难，占地面积较大。
4.第三代保护方式
4.1保护方式
避雷器并联球形放电间隙。
它们与接地隔离开关共三台，按图4组成一体之成套装置。
4.2时段：
2006—现在。
4.3保护条件
1）不管是那一种过电压，只要过电压的幅值超过了避雷器动作电压，避雷器都应动作。
2）避雷器动作后，端子电压上升到15
5%时，球间隙都要放电，把避雷器短接，并释放过电压电能。
3）球间隙的放电冲击系数应为1，即雷电冲击放电电压和工频峰值的放电电压相同，不受波形的影响。
4.4保护原理
鉴于第二代保护方式存在的核心问题是帮间隙的放电整定值和分散性问题，第三代保护方式就从放电间隙着手，做了以下技术改进：
1）把棒间隙改为球间隙，球的直径和间隙距离之间的配合比，严格遵照国际电工委员会IEC52号会刊给出的标准放电电压值进行设计，确保了球隙放电电压在工频交流，正负极性电波，正负极性标准全波冲击和长波尾冲击下的一致性和稳定性。
把放电电压分散性降低为最低。
2）有几乎固定不变的球间隙放电电压直接与避雷器的动作电压进行配合。
而不是要根据网络的
值进行计算和整定。
避免了因系统不同，变压器位置不同，运行方式不同，过电压形态不同等等不确定因素造成的间隙计算整定困难。
使得间隙和避雷器之间的配合简单易行，固定不变。
3）球间隙表面是有一定半径的圆弧，放电电弧极易在电磁力的作用力下，向外拉弧熄灭。
大大降低了电弧对球间隙的灼伤，减少了维修工作量，延长了设备寿命。
4）这样就可以一切都在工厂生产。
实现标准化、装配化，大大减少了现场加工调试工作量。
更进一步把第二代的散装元件组装为成套设备，提高了产品质量和过电压保护的有效性和可靠性，完成了质的飞跃。
4.5存在问题
1）间隙的放电电流达数万安培。
特别是对棒间隙，几乎每次放电都会对棒间隙的端部烧损。
每放电一次，就要换修一次。
重新进行调试。
大的放电电流也超过了回路中的电流互感器动热稳定倍数，降低了测量准确级，甚至烧坏了电流互感器。
2）制造极不规范，产品质量参差不齐。
许多厂家不了解第三代产品的内涵，球的直径，间隙取值随意性很大。
根本就没有和避雷器之间的配合。
失掉了保护的意义。
在恶意竞争的环境下，更有粗制滥造者，以电镀代替不锈钢，以棒替代球。
无试验，无鉴定。
以劣质产品充斥市场。
使得变压器的中性点保护沦为薄弱环节，严重影响了安全运行。
5.第四代保护方式
5.1保护方式。
在第三代保护方式的基础上，增加了两项功能：
1）限流式，在间隙回路中串加限流电阻。
2）间隙放电后，自动合闸接地隔离开关，把不接地系统改变为直接接地系统。
本项目为可选项目。
5.2时段：
2012—现在。
5.3保护条件
1）过电压的保护条件同第三代。
2）把放电电流从数万安培限流到几千到几百安培。
降低1～2个数量级。
3）放电瞬间起动GW8或GW13型接地隔离开关的电动操作机构。
指令开关合闸，合闸时间为隔离开关的固有合闸时间。
5.4限流的必要性。
电网失地时，若线路有接地故障，变压器中性点出现的高幅值过电压将把间隙击穿，突然演化为直接接地电网的单相接地短路。
5.4.1放电电流的估计。
图为避雷器与棒间隙并联时，110KV电压等级避雷器动作后的间隙放电的典型波形。
间隙放电为极陡的电压波，接地部分仅有接地装置小范围的接地体，能发挥入地泄流作用，估算电阻约为2Ω左右。
对常用的间隙距离为110～120mm的棒间隙，工频放电压约为52～54KV，雷电冲击约为100～115KV，由此推算出冲击放电电流达42～52KA。
有效值为16.8～20.8KA。
此估算值与常用GW13型接地隔离开关额定动稳定电流55KA，额定热稳定电流16KA，基本吻合。
5.4.2大的放电电流的危害
不仅是二代还是三代产品，不论是从那一个角度来考查，无限流间隙在击穿放电时，放电电流击穿峰值达50KA，有效值近20KA。
给系统安全运行带来诸多问题。
1）放电时，因为电流的波头时间很短，接地网的有效面积利用率很低，泄流遭到“阻塞”，导致地电位短时升高，威胁人身和设备安全。
间隙放电实际上是单相接地短路，大的放电电流也会对系统产生冲击。
2）对间隙的烧伤严重。
特别是对二代产品差不多每放电一次，帮间隙端部都会被烧熔，需要及时修复，重新调整。
国电十八项反事故措施指出：
“间隙动作后，应检查间隙的烧损情况并校核间隙距离”。
某省电力公司专文通知：
“应定期对棒间隙进行检查，保证其间隙尺寸、端部形状符合技术要求，若发现有明显烧蚀现象，应及时检修或更换，确保放电特性稳定”。
3）放电电流波形成很陡，会对变压器的纵绝缘破坏性极大。
变压器的纵绝缘指匝间、层间，其电位梯度由自身电感量和流过的电流梯度
决定，不受避雷器保护，避雷器仅能保护变压器的横绝缘，即导体对铁芯或外壳的主绝缘。
而对纵绝缘无能为力。
4）超出了接地电流互感器的额定动、热稳定允许值，接地回路的电流互感器变比一般取值较小，大多为200/5～300/5，其动热稳定限值亦较低。
接近百倍的超值，也会影响其二次输出的准确级。
由此而言，在间隙回路中串联一定数值的电阻，把放电电流限制到一定的水平是必要的。
据此，并考虑到接地装置的接地电阻的存在，电网的复杂性，限流电阻宜给出一个范围，建议如表2，能把间隙击穿电流从数万安培限制一个数量级，约为3KA～4KA。
能够同时满足上述1）2）3）点的要求。
表2限流电阻阻值
电网标称电压（KV）
球间隙工频放电电压（KV）
限流电阻阻值（Ω）
110
83
15～20
220
166
30～40
5.5.2材料
可供选择的电阻材料有两种：
金属电阻（如不锈钢）和非金属电阻（如精密陶瓷）。
比较如下：
1）体积
金属是为导体，电阻率极低，用其做电阻材料用量极多，体积必然庞大，配装在第三代接地保护成套装置上，难度很大。
非金属为碳素为主和十多种元素配比烧结而成，电阻率是金属的6个数量级以上。
圆盘状电阻片直径12.5cm,厚度2.54cm，每片阻值可在1～50Ω范围内优选。
对110KV而言，近4～5片叠加组成，体积仅为金属的
～
。
极易装配安装。
2）热稳定
因为冲击电流时间极短，对电阻发热是一个绝热过程，其温升按材料比热确定。
金属电阻的比热，不锈钢为450J/Kg•℃,非金属电阻的比热为840～920J/Kg•℃，几乎是金属电阻的2倍。
也就是在同一电流的冲击下，金属电阻的温升仅是金属电阻的一半。
从耐热的角度考查，金属的熔点不超过1000℃，而非金属则在4000℃左右，更加耐热。
所以在热稳定方面，非金属电阻的优势显著。
3）价格
从材料的用量和体积已可以判断出非金属电阻价格低，制造成本低，使得第四代限流型中性点接地保护装置更易被市场所接受。
5.6MT-XZJB限流型中性点接地保护装置的结构（详见样本：
中性点设备P25～29）外形照片另附。
四、330～500KV超高压、750～1000KV特高压接地方式
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