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1、电力系统中性点的运行方式分析电力系统中性点的运行方式分析 摘 要：本文简要介绍了电力系统中性点接地的各种运行方式及分析，中性点接地方式与电压等级、单相接地短路电流、过电压水平的相关关系，以及在实际工作中的优缺点和应用情况，并对不同电压等级和系统结构采取何种中性点接地方给出了建议。 关键词：电力系统 中性点 分析 1. 前言 电力系统的中性点实际上是指电力系统中发电机、 变压器的中性点，其接地或不接地是一个综合性的问题。中性点接地方式与电压等级、单相接地短路电流、过电压水平、保护配置等有关，对于电力系统的运行，特别是对发生故障后的系统运行有多方面的影响，直接影响电网的绝缘水平、系统供电的可靠性和
2、连续性、主变压器和发电机的运行安全以及对通信线路的干扰等。所以在选择中性点接地方式时，必须考虑许多因素。电力系统中性点接地方式有两大类:一类是中性点直接接地或经过低阻抗接地，称为大接地电流系统；另一类是中性点不接地、经过消弧线圈或高阻抗接地，称为小接地电流系统。其中采用最广泛的是中性点不接地、中性点经过消弧线圈接地和中性点直接接地等三种方式。 对于610kV系统，由于设备绝缘水平按线电压考虑对于设备造价影响不大，为了提高供电可靠性，一般均采用中性点不接地或经消弧线圈接地的方式。对于110kV及以上的系统，主要考虑降低设备绝缘水平，简化继电保护装置，一般均采用中性点直接接地的方式，并采用送电线路
3、全线架设避雷线和装设自动重合闸装置等措施，以提高供电可靠性。2060kV的系统,是一种中间情况，一般一相接地时的电容电流不很大，网络不很复杂，设备绝缘水平的提高或降低对于造价影响不很显著，所以一般均采用中性点经消弧线圈接地方式。1kV以下的电网的中性点采用不接地方式运行，但电压为380/220V的系统，采用三相五线制，零线是为了取得相电压，地线是为了安全。 2、中性点不接地系统 2.1中性点不接地系统运行 中性点不接地系统，即中性点对地绝缘。这种接地方式结构简单，运行方便，不需任何附加设备，投资经济。适用于10kV架空线路为主的辐射形或树状形的供电网络。中性点不接地系统优点在于发生单相接地故障
4、时，由于接地电流很小，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，接在相间电压上的电气设备的供电并未遭到破坏，它们可以继续运行。但是这种电网长期在一相接地的状态下运行，也是不能允许的，因为这时非故障电压升高，绝缘薄弱点很可能被击穿，而引起两相接地短路，将严重地损坏电气设备。根据规定，系统发生单相接地故障后可允许继续运行不超过两小时，从而获得排除故障时间，相对地提高了供电的可靠性。 中性点不接地方式缺点在于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。当接地的电容电流较大时，在接地处引起的电弧就很难自行熄灭，在接地处还可能出现所谓间隙电弧，即周期地熄灭与
5、重燃的电弧。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。由于电网是一个具有电感和电容的振荡回路，间歇电弧将引起相对地的过电压，其数值可达(2.53)UX，容易引起另一相对地击穿，而形成两相接地短路。所以必须设专门的监察装置，以便使运行人员及时地发现一相接地故障，从而切除电网中的故障部分。 在电压为310kV的电力网中，一相接地时的电容电流不允许大于30A否则，电弧不能自行熄灭，在2060kV电压级的电力网中，间歇电弧所引起的过电压，数值更大，对于设备绝缘更为危险，而且由于电压较高，电弧更难自行熄灭。因此，在这些电网中，
6、规定一相接地电流不得大于10A。 2.2中性点不接地系统分析 中性点不接地方式即电力系统的中性点不与大地相接。电力系统中的三相导线之间和各相导线对地之间都存在着分布电容。设三相系统是对称的，则各相对地均匀分布的电容可由集中电容C表示，线间电容电流数值较小，可不考虑，如图1所示。 系统正常运行时，三个相电压U1、U2、U3是对称的，三相对地电容电流IC1、IC2、IC3也是对称的，其相量和为零，所以中性点没有电流流过。各相对地电压就是其相电压，如图1所示。 图1 正常运行时中性点不接地的电力系统 相量图 当系统任何一相绝缘受到破坏而接地时，各相对地电压、对地电容电流都要发生改变。当故障相(假定为
7、第3相)完全接地时，如图2所示。接地的第3相对地电压为零，即U3=0，但线间电压并没有发生变化。非接地相第1相对地电压U1=U1+(-U3)=U13，第2相对地电压U2=U2+(-U3)=U23。即非接地两相对地电压均升高3倍，变为线电压，如图2所示。当第3相接地时，由于另外两相对地电压升高3倍，使得这两相对地电容电流也相应地增大3倍，即IC1=IC2=3IC0。 从图2的相量图可知，中性点不接地系统单相接地电容电流为正常运行时每相对地电容电流的3倍。从图2的相量图还可看出，系统的三个线电压无论相位和量值均未发生变化，因此系统中所有用电设备仍可继续运行。 图2 一相接地时的中性点不接地系统 电
8、路图；相量图 可见，中性点不接地系统发生一相接地时有以下特点。经故障相流入故障点的电流为正常时本电压等级每相对地电容电流的3倍。中性点对地电压升高为相电压。非故障相的对地电压升高为线电压。线电压与正常时的相同。 3、中性点经消弧线圈接地系统 3.1中性点经消弧线圈接地系统运行 中性点经消弧线圈接地系统，是将中性点通过一个电感消弧线圈接地。消弧线圈主要由带有气隙的铁芯和套在铁芯上的绕组组成,它们被放在充满变压器油的油箱内，绕组的电阻很小，电抗很大。消弧线圈的电感，可用改变接入绕组的匝数加以调节，显然，在正常的运行状态下，由于系统中性点的电压为三相不对称电压，数值很小，所以通过消弧线圈的电流也很小
9、。 中性点经消弧线圈接地的优点在于其能迅速补偿中性点不接地系统单相接地时产生电容电流，减少的弧光过电压的发生。虽然中性点不接地系统具有发生单相接地故障仍可以继续供电的突出优点，但也存在产生间歇性电弧而导致过电压的危险。当接地电流大于30A时，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。而消弧线圈是一个具有铁芯的可调电感，当电网发生接地故障时，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能自行熄弧范围。当电流过零而电弧熄火后，消弧线圈尚可减少故障相电压的恢复速度，从而减少了电弧重燃的可能，有利于单相接地故障的消除。此外，通过对消弧
10、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，提高了供电可靠性。中性点经消弧线圈接地系统的缺点主要在于零序保护无法检出接地的故障线路。当系统发生接地时，由于接地点电流很小，且根据规程要求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、零序方向保护无法检测出已接地的故障线路。其次，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。中性点经消弧线圈接地仅能降低弧光接地过电压的概率，还是不能彻底消除弧光接地过电压，也不能降低弧光接地过电压的幅值。 发生单相接地时,按规定可带单
11、相接地故障运行2小时,对于中压电网,因接地电流得到补偿,单相接地故障并不发展为相间故障,因此中性点经消弧线圈接地方式的供电可靠性,大大的高于中性点经小电阻接地方式。在中性点经消弧线圈接地的系统中，一相接地和中性点不接地系统一样，故障相对地电压为零，非故障相对地电压升高至倍，三相线电压仍然保持对称和大小不变，所以也允许暂时运行，但不得超过两小时。在中性点消弧线圈接地的系统中，各相对绝缘和中性点不接地系统一样，也必须按线电压设计。 3.2中性点经消弧线圈接地系统分析 系统正常运行时，由于三相电压、电流对称，中性点对地电位为0，消弧线圈上电压为0，消弧线圈中没有电流流过。当系统发生单相接地时，消弧线
12、圈处在相电压之下，通过接地处的电流是接地电容电流IC和线圈电感电流IL的相量和，如图3所示。由于IC超前UC90，而IL滞后UC90，IC与IL相位相反，在接地点相互补偿。只要消弧线圈电感量选取合适，就会使接地电流减小到小于发生电弧的最小生弧电流，电弧就不会产生，也就不会产生间歇过电压。 图3 一相接地时的中性点经消弧线圈接地系统 电路图；相量图 根据消弧线圈中电感电流对接地电容电流的补偿程度不同，可以分为全补偿，欠补偿和过补偿三种补偿方式。 全补偿：当IL=IC时，接地点的电流为O，确实能很好的避免电弧的产生,这种补偿称全补偿。从补偿观点来看，全补偿应该是最好的，但实际上不采用这种方式。因为
13、系统正常运行时，各相对地电压不完全对称，中性点对地之间有一定电压，此电压可能引起串联谐振，在线路中会产生很高的电压降，造成电网中性点对地电压严重升高，这样可能会损坏设备和电网的绝缘，因此这种补偿方式并不是最好的补偿方式。 欠补偿：当ILIC，即感抗大于容抗时，接地点的电流没有被消除，尚有未补偿的电容电流，这种补偿称欠补偿。这种补偿方式也很少采用。因为在欠补偿运行时，如果切除部分线路，或系统频率降低，都有可能使系统变为全补偿，出现电压串联谐振过电压，因此这种补偿方式也不好。 过补偿：当IL3C即感抗小于容抗时，接地点出现多余的电感电流，这种补偿称过补偿。采用这种补偿方式，不会出现串联谐振情况，因
14、此得到广泛应用。因为ILIC，消弧线圈留有一定的裕度，也有利于将来电网发展。采用过补偿，补偿后的残余电流一般不超过510A。运行实践也证明，不同电压等级的电网，只要残余电流不超过允许值接地电弧就会自动熄灭。 然而，中性点经消弧线圈接地的电力系统与中性点不接地的电力系统一样，发生单相短路时，非故障相的对地电压要升高为原相电压的3倍，即成为线电压。总之，当电网发生单相接地故障时，由于消弧线圈的存在使得流过中性点的电流为感性，对接地电容电流进行了补偿，使通过故障点的电流减小到能自行熄弧的范围。同时，当电流过零而电弧熄火后，消弧线圈也减少了故障相电压的恢复速度，从而减小了电弧重燃的可能。 4、中性点直
15、接接地系统 4.1中性点直接接地系统简介 在电力系统中采用中性点直接接地方式，就是把中性点直接和大地相接，这种方式可以防止中性点不接地系统中单相接地时产生的间歇电弧过电压，中性点直接接地系统又称为大电流接地系统。 中性点的电位在电网的任何工作状态下均保持为零。在这种系统中，当发生一相接地时，这一相直接经过接地点和接地的中性点短路，一相接地短路电流的数值最大，应立即使继电保护动作，将故障部分切除，因而使用户的供电中断。运行经验表明，在1kV以上的电网中，大多数的一相接地故障，尤其是架空送电线路的一相接地故障，大都具有瞬时的性质，在故障部分切除以后，接地处的绝缘可能迅速恢复，而送电线可以立即恢复工
16、作。目前在中性点直接接地的电网内，为了提高供电可靠性，均装设自动重合闸装置，在系统一相接地线路切除后，立即自动重合，再试送一次，如为瞬时故障，送电即可恢复。 中性点直接接地的主要优点是它在发生一相接地故障时,非故障相地对电压不会增高, 因而各相对地绝缘即可按相对地电压考虑。电网的电压愈高，经济效果愈大；而且在中性点不接地或经消弧线圈接地的系统中，单相接地电流往往比正常负荷电流小得多，因而要实现有选择性的接地保护就比较困难，但在中性点直接接地系统中，实现就比较容易，由于接地电流较大，继电保护一般都能迅速而准确地切除故障线路，且保护装置简单，工作可靠。 中性点直接接地系统的缺点，接地故障线路迅速切
17、除，间断供电。接地电流大，地电位上升较高，增加电力设备损伤，增大接触电压和跨步电压、对信息系统干扰和对低压网反击。 4.2中性点直接接地系统分析 中性点直接接地系统中性点的电位在电网的任何工作状态下均保持为零。在这种系统中，当发生一相接地时，这一相直接经过接地点和接地的中性点短路，一相接地短路电流的数值很大， 因而立即使继电保护动作，将故障部分切除，如图4所示。 图4 一相接地时的中性点直接接地系统 5.结束语 中性点经消弧线圈接地的系统中，单相接地和中性点不接地系统一样，故障相对地电压为零，非故障相对地电压升高至3倍，三相线电压仍然保持对称和大小不变，所以也允许暂时运行，但不得超过两小时，消弧线圈的作用对瞬时性接地系统故障尤为重要，因为它使接地处的电流大大减小，电弧可能自动熄灭。接地电流小，还可减轻对附近弱点线路的影响。在中性点运行方式的问题上，要做到具体问题具体分析。例如，同是经消弧线圈接地，发电机目前采用的还是手动调节方式，而配电网则采用中性点经自动跟踪补偿消弧线圈接地及选线装置；在110 kV及以上的系统中，总体来说是直接接地，但并不是所有的中性点均直接接地；另外，中性点经电阻接地的方式应用越来越多。
