第一章電力系統(tǒng)的中性點接地方式概論

1、主講人主講人: :梁志瑞梁志瑞第一章第一章 電力系統(tǒng)的中性點接地方式電力系統(tǒng)的中性點接地方式概論概論第一節(jié) 導(dǎo)言第二節(jié) 中性點接地方式發(fā)展簡史第三節(jié) 一個概念和幾個術(shù)語第四節(jié) 接地方式的劃分及電壓、電流的互換特性第五節(jié) 接地程度系數(shù)與中性點接地方式的關(guān)系第六節(jié) 不同接地方式系統(tǒng)的基本運行特性第七節(jié) 發(fā)電機中性點的接地方式第八節(jié) 不同接地方式的適用范圍第九節(jié) 結(jié)語OK第一節(jié)第一節(jié) 導(dǎo)言導(dǎo)言 電力系統(tǒng)中性點接地方式是防止系統(tǒng)事故的一項重要應(yīng)用技術(shù),具有理論研究與實踐經(jīng)驗密切結(jié)合的特點, 是電力系統(tǒng)實現(xiàn)安全與經(jīng)濟運行的一項重要的技術(shù)基礎(chǔ)。 電力系統(tǒng)的中性點接地方式是一個綜合性的技術(shù)問題,它與系統(tǒng)的供

2、電可靠性、人身安 全、設(shè)備安全、絕緣水平、過電壓保護、繼電保護、通信干擾 ( 電磁環(huán)境 )及接地裝置等問題有密切的關(guān)系。 電力系統(tǒng)中性點接地方式也是經(jīng)濟問題。在選定方案的決策過程中,應(yīng)結(jié)合系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展規(guī)劃進行技術(shù)經(jīng)濟比較,全面考慮,使系統(tǒng)具有更優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟指標,避免因決策失誤而造成不良后果。 電力系統(tǒng)的中性點接地方式是一個系統(tǒng)工程問題。第二節(jié)第二節(jié) 中性點接地方式中性點接地方式發(fā)展簡史發(fā)展簡史 在發(fā)展初期 , 電力系統(tǒng)的容量較小,當時人們認為工頻電壓升高是絕緣故障的主要原因, 所以,電力設(shè)備的中性點最初都采用直接接地方式運行。 隨著電力系統(tǒng)的擴大,單相接地故障增多,線路斷路器經(jīng)常跳閘,造成

3、頻繁的停電事故,于是,便將上述的直接接地方式改為不接地方式運行。 在這種情況下發(fā)生單相接地故障時,接地電容電流在故障點形成的電弧不能自行熄滅,同時,間歇電弧產(chǎn)生的過電壓往往又使事故擴大,顯著地降低了電力系統(tǒng)的運行可靠性。 為了解決系統(tǒng)中出現(xiàn)的這些問題,當時世界上兩個工業(yè)比較發(fā)達的國家分別采取了不同的解決途徑。 德國為了避免對通信線路的干擾和保障鐵路信號的正確動作,采用了中性點經(jīng)消弧線圈的接地方式,自動消除瞬間的單相接地故障。 美國采用了中性點直接接地和經(jīng)低電阻、低電抗等接地方式,并配合快速繼電保護和開關(guān)裝置,瞬間跳開故障線路。 這兩種具有代表性的解決辦法,對后來世界上許多國家的電力系統(tǒng)中性點接

4、地方式的發(fā)展產(chǎn)生了很大的影響。 第三節(jié)第三節(jié) 一個概念和幾個術(shù)語一個概念和幾個術(shù)語 各種中性點接地方式表現(xiàn)方式各種中性點接地方式表現(xiàn)方式不同不同, ,但是但是究其實質(zhì)究其實質(zhì), ,均可概括為是經(jīng)均可概括為是經(jīng)一定數(shù)值的一定數(shù)值的( (零序零序) )阻抗接地的阻抗接地的! !一、“零序阻抗”的概念 零序阻抗,是指電網(wǎng)在單相接地故障情況下,零序電流所經(jīng)回路的阻抗。 該阻抗不僅包括故障點與中性點之間的、由系統(tǒng)幾何與物理參數(shù)所確定的回路阻抗,而且還包括這兩點之間的大地回路構(gòu)成的阻抗(與接地裝置及大地的幾何、物理參數(shù)等有關(guān)),以及中性點的接地阻抗。 不同的中性點接地方式下系統(tǒng)的零序阻抗、或者是系統(tǒng)的零序

5、阻抗與正序阻抗的比值的大小不同。二、“中性點不接地”和“中性點絕緣” 我國常用的中性點不接地這一術(shù)語,在有的國際場合稱為“中性點絕緣”,而通常所講的中性點不接地,實際上是經(jīng)過集中于電力變壓器中性點的等值電容(絕緣狀態(tài)欠佳時還有泄漏電阻)接地的,其零序阻抗多為一有限值,而且不一定是常數(shù)。如在工頻零序電壓作用下,零序阻抗可能呈現(xiàn)較大的數(shù)值,因此 零序電流數(shù)值較小；而在3次或更高次諧波的零序電壓作用下,零序容抗銳減,高次諧波電流驟增,有時甚至在正常運行情況下也可引起通信干擾。 中性點不接地這一術(shù)語雖不理想,但習(xí)慣上已被國內(nèi)外廣泛地應(yīng)用了多年,因而只要正確理解其物理意義就行了。三、“中性點有效接地”和

6、“中性點直接接地” “中性點直接接地”這一術(shù)語對電力設(shè)備(如變壓器等)而言,含義是清晰的,它指該設(shè)備的中性點經(jīng)過零阻抗接地?？墒?現(xiàn)在很多人常用它泛指一個電力系統(tǒng)(或電網(wǎng)),這時其含義是不確切的,容易造成誤解。這是因為,即使在高壓電力系統(tǒng)中,也有部分變壓器的中性點不接地運行；甚至在全接地的超高壓和特高壓電力系統(tǒng)中,仍然存在著有的變壓器中性點經(jīng)低電抗(低電阻)接地的情況。 美國電機工程師學(xué)會第32號標準對此作出了明確的規(guī)定：“當在系統(tǒng)或系統(tǒng)的指定部分的所有各點上,不論運行的情況如何,以及連接的發(fā)電機容量多大,零序電抗對正序電抗之比都不大于3,而且零序電阻對正序電抗之比不大于1時,該電力系統(tǒng)或系統(tǒng)

7、的一部分可被認為是中性性點有效接地的?！?這個標準沿用至今 ,在國際上得到廣泛的認同。 根據(jù)上述標準, 不論變壓器的中性點是直接接地 , 還是經(jīng)低電阻或低電抗接地,只要在指定的系統(tǒng)內(nèi)各點均滿足：零序等值電抗與正序等值電抗之比小于或等于3 （X0/X1 3） ；零序等值電阻與正序等值電抗之比小于或等于1 (R0/X11)，則該系統(tǒng)便屬于有效接地系統(tǒng)。 而所謂的電力系統(tǒng)中性點直接接地方式 ,不能直接反映上述的內(nèi)涵,在實際工作中容易引起誤解,影響系統(tǒng)的安全運行。 例如,隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展,高壓輸電線路直接深入城市中心,有些新建的110-220kV終端變電所變壓器的中性點不接地運行,便有人認為出現(xiàn)了新

8、問題。 再如,有些人為了解決10kV 斷路器遮斷容量不足的問題,未經(jīng)校驗便將220kV或110kV 變電所的母聯(lián)斷路器解列運行等。由此可見,對于專業(yè)人員來講,還是采用中性點有效接地這一術(shù)語更為貼切。 對于超高壓電力系統(tǒng)來說,由于廣泛采用了省料、節(jié)能的自耦變壓器,所以全部的中性點都保持直接接地,或在特殊需要時經(jīng)低電抗(低電阻)接地運行。我國的 500kV系統(tǒng)全部采用自耦變壓器,其中性點的接地方式如此 , 世界各國的情況也相同。特高壓電力系統(tǒng)的中性點接地方式更是如此,無一例外。 這一中性點接地方式一般稱為中性點全接地方式,也有人稱之為中性點死接地方式。由于其零序阻抗遠較中性點有效接地方式時為小,所

9、以又可稱為中性點非常有效接地方式。四、“中性點非常有效接地”和“中性點全接地”五、“中性點非有效接地” 在電力系統(tǒng)各種中性點接地方式中,除了有效接地和非常有效接地 (即全接地方式)之外,都屬于中性點非有效接地的范疇。 主要是：中性點不接地、諧振接地和高電阻接地的小電流接地系統(tǒng),等。 六、“中性點諧振接地”和“和中性點 經(jīng) 消弧線圈接地” 中性點經(jīng)消弧線圈接地,調(diào)諧為“共振接地”時，系統(tǒng)的零序阻抗接近無限大，接地點電流接近零。 不過,運行中的消弧線圈和現(xiàn)代的自動跟蹤補償裝置并不都是恰好在諧振點運行,在一般情況下它們多采用略微偏離諧振點的過補償運行方式。中性點經(jīng)消弧線圈接地的電力系統(tǒng)通常稱為諧振接

10、地系統(tǒng) 在中性點有效接地的110、220kV 高壓電力系統(tǒng)中,因運行方式的改變或斷路器的自行跳閘,有時也會在某一區(qū)域內(nèi)形成非有效接地的部分,這時應(yīng)及時采取措施,使整個系統(tǒng)全部恢復(fù)到有效接地方式運行。第四節(jié)第四節(jié) 接地方式的劃分及電壓、電流接地方式的劃分及電壓、電流的互換特性的互換特性 電力系統(tǒng)的電壓等級較多,不同額定電壓電網(wǎng)的中性點接地方式也各有特點,適當對其進行劃分,有助于正確地理解、選擇和處理相關(guān)的問題。 一、中性點接地方式的劃分 從另外一種角度，可以將電力系統(tǒng)的中性點接地方式劃分為兩大類：（1）凡是需要斷路器遮斷單相接地故障者,屬于大電流接地方式；（2）凡是單相接地電流能夠瞬間自行熄滅者

11、, 屬于小電流接地方式。在大電流接地方式中,主要有：中性點非常有效接地方式；中性點有效接地方式，等。在小電流接地方式中,主要有：中性點不接地方式；中性點諧振(經(jīng)消弧線圈)接地方式；中性點經(jīng)高電阻接地方式等。 在小電流接地方式中,以諧振接地方式最受關(guān)注,其中涉及的技術(shù)問題較多,近來發(fā)展變化也較快。運行特性也已得到優(yōu)化。 二、非故障相工頻電壓和單相接地故障電流 電力系統(tǒng)在正常運行中,對不同的中性點接地方式及其差異,基本上沒有反映?？墒?，當系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時,情況則大不一樣了。因中性點接地方式的不同,非故障相工頻電壓的升高和單相接地故障電流的大小也不相同。通常,以兩者的具體數(shù)值表征不同接地方式系

12、統(tǒng)的基本運行特性。 稱為接地程度系數(shù)。（以后用到） 10ZZk 三、電壓與電流的互換特性 對于非故障相的工頻電壓升高和故障點的單相接地電流，現(xiàn)以系統(tǒng)的額定電壓和三相短路電流為基礎(chǔ)用標么值來表示，則可發(fā)現(xiàn)兩者之間存在著互換的關(guān)系。 故障點接地故障電流的標么值 和非故障相工頻電壓升高的標么值 : （1-12） （1-13）從式中可知,隨著接地程度系數(shù)k值的增大,故障點的接地電流 減小,非故障相的工頻電壓 升高；反之,隨著接地程度系數(shù)k值的減小,故障點的接地電流增大,非故障相的工頻電壓降低。這就是電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時電壓與電流的互換特性。 AI*,CBU*32AIk2,*12B CkkUk*AI*

13、,CBU第五節(jié)第五節(jié) 接地程度系數(shù)與中性點接地方式的關(guān)系接地程度系數(shù)與中性點接地方式的關(guān)系 在接地程度系數(shù)和電力系統(tǒng)的中性點接地方式之間,存在著一定程度的對應(yīng)關(guān)系。 圖1-6可以看出, 為諧振點,即系統(tǒng)的相對地容抗 與 發(fā)生諧振， 與 同時趨向于 ,此點只有理論意義。 2k UAI0C12X 實際上,對于運行中的電力系統(tǒng)來說, 值都大于零 , 故我們只需關(guān)注 的情況。 當 時,主要為中性點全接地系統(tǒng)； 當 時,主要為有效接地系統(tǒng)；當 時,為非有效接地系統(tǒng),含過補償運行的諧振接地系統(tǒng)。k0k 01.5k 1.53k 3k 在1k+的范圍內(nèi), 隨著k值的增大, IA減小, U增大。 當系統(tǒng)的k值確

14、定后 , 單相接地故障情況下的非故障相的工頻電壓升高U和故障點的接地電流IA,也就相應(yīng)確定了。 當k值達到+ 時， IA減小到零； U增大到-U 。 對于110kV以上的高壓、超高壓和特高壓電力系統(tǒng)來說,主要矛盾是限制工頻電壓的升高和降低絕緣水平的問題； 對于110kV以下的電力系統(tǒng)來說,主要矛盾 則轉(zhuǎn)化為限制單相接地故障電流的危害性,而降低絕緣水平變成次要問題； 對于110kV電壓等級的系統(tǒng)來說,則應(yīng)視不同地區(qū)、國家的具體條件而定。這是電力系統(tǒng)求得最佳技術(shù)經(jīng)濟指標的理論基礎(chǔ)。第六節(jié)第六節(jié) 不同接地方式系統(tǒng)的基本運行特性不同接地方式系統(tǒng)的基本運行特性 本節(jié)所謂不同接地方式電力系統(tǒng)的基本運行特性

15、是指： 電力系統(tǒng)中，當任何一相發(fā)生單相接地故障時,單相接地故障電流的大小和非故障相工頻電壓的高低 ，與不同的接地方式（對應(yīng)于不同數(shù)值范圍的接地程度系數(shù)）的關(guān)聯(lián)特性 。 一、中性點有效接地和全接地系統(tǒng)1 有效接地系統(tǒng) 在中性點有效接地和非常有效接地的情況下 ,因 0k 3,故從計算結(jié)果和圖1-7中可知 , 三者的變化范圍分別是 : 為 為 或 為 AI(3)(1.5 0.6)I,B CU(0.866 1.249)U(0.500 0.721)AU0U(033 0.6)U 對于中性點有效接地的高壓電力系統(tǒng) , 單相接地故障電流一般均小于三相短路電流 ,具體的數(shù)值需視k值而定。 如果單相接地故障電流大

16、于三相短路電流 , 則應(yīng)減少中性點直接接地變壓器的容量或臺數(shù)。（從斷路器的選擇及零序過電流保護能夠正確動作方面考慮） 關(guān)于非故障相最大的工頻電壓升高和中性點位移電壓 , 一般均不會超過上述的上限值 ,也不會低于其下限值。 2 全接地 ( 非常有效接地 ) 系統(tǒng) 對于超高壓和特高壓的中性點全接地系統(tǒng),單相接地故障電流偏向于上限方向 , 非故相工頻電壓升高和中性點位移電壓則偏向于下限方向。 其單相接地故障電流可能大三相短路電流。 運行經(jīng)驗表明 , 隨著裝機容量和變電所的不斷增加 , 我國的華中、華東、東北等 500kV 系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)了這一情況。為了便于選擇斷路器 , 應(yīng)當采取適當?shù)南拗拼胧?, 例

17、如使中性點經(jīng)低電抗接地或改變運行方式等。 二、中性點非有效接地系統(tǒng)主要討論中性點不接地系統(tǒng)和諧振接地系統(tǒng)。1 中性點不接地系統(tǒng) 前已明確,所謂的中性點不接地系統(tǒng) , 實際上是中性點經(jīng)過一定數(shù)值的容抗接地的。此時,系統(tǒng)的零序阻抗呈現(xiàn)容性,因接地程度系數(shù) ， 可能高于相電壓,故非故障相 的工頻電壓升高將會略微超過線電壓。 實際上,中性點不接地的電力系統(tǒng),其 k值的一般變化范圍為 ，零序阻抗很大。0k U40k 當系統(tǒng)的電容電流較小時 ,單相接地電弧自行熄滅后 , 容易導(dǎo)致電壓互感器的鐵心飽和激發(fā)起中性點不穩(wěn)定過電壓,引起電壓互感器燒毀與高壓熔絲熔斷等事故。近來 , 我國有些單位 采用高電阻接地方式

18、來防止此種過電壓,有效果。 但是 ,當接地故障電流超過lOA 后 ,接地電弧便不能自行熄滅 ,又需要改變中性點接地方式。 試驗研究和運行經(jīng)驗表明,當系統(tǒng)的電容電流達到10A時,便應(yīng)當采用諧振接地方式 ,這樣才能提高供電可靠性,而高電阻接地方式的應(yīng)用范圍是極其有限的。 2 諧振接地系統(tǒng) 諧振接地系統(tǒng)的中性點一般經(jīng)消弧線圈 ( 自動或手動調(diào)諧電感 ) 接地 , 也可采用消弧變壓器。 從理論上可以這樣考慮 , 將系統(tǒng)的三相對地分布電容集中在一個( 或幾個 )變壓器的中性點上, 同時與該集中電容并聯(lián)一個( 或幾個 ) 調(diào)諧電感 , 對電感值進行調(diào)整,使之靠近諧振點運行。雖然調(diào)諧電感是一個很有限的數(shù)值

19、, 但卻可使X0 趨近無限大 , 諧振接地系統(tǒng)的基本運行特性也就由此確定。 當消弧線圈過補償運行時 , 失諧度 vO, Z0 - , IA 同樣很小 ,但此時為容性 。 顯然 , 因k , 則 IA 0, UB,C 。故UB,C的最大值只能等于而不會超過 。因此 , 諧振接地系統(tǒng)同樣應(yīng)當選用 100% 的避雷器 , 其工作條件較中性點不接地電網(wǎng)有利。UU三、中性點經(jīng)電阻接地系統(tǒng) 中性點經(jīng)電阻接地后 , 可以屬于有效和非常有效接地系統(tǒng) , 也可以屬于非有效接地、甚至小電流接地系統(tǒng) , 具體情況需視電阻的數(shù)值而定。 超高壓和高壓電力系統(tǒng)超高壓和高壓電力系統(tǒng) 中 , 為了提高動態(tài)穩(wěn)定 , 有的變壓器

20、中性點是經(jīng)低電阻接地的。 中壓電網(wǎng)中壓電網(wǎng) ： 中性點經(jīng)高電阻接地可以限制電弧接地過電壓。但是系統(tǒng)的單相接地電容電流應(yīng)不大于lOA,（保證接地電弧瞬間自行熄滅 ），所以此方法的適用范圍受到限制 。 若改為低電阻接地方式，電網(wǎng)的接地電容電流便可不受限制。 中性點若采用中電阻接地方式 , 接地故障電流一般不應(yīng)超過 200A, 最大不應(yīng)超過300A。但是，當系統(tǒng)發(fā)生高阻接地故障時，零序過電流保護的靈敏度明顯降低 , 較難保證動作。 但是，中壓電網(wǎng)采用低、中電阻接地時都使供電可靠性降低。 當今 , 電網(wǎng)的負荷特性發(fā)生了變化 , 用戶對電能質(zhì)量的要求明顯提高，IEC絕緣配合標準已經(jīng)改變，特別是小電流接地

21、系統(tǒng)繼電保護的選擇性和消弧線圈的自動調(diào)諧問題已經(jīng)解決。在這種新的情況下 , 再為中壓選擇中性點經(jīng)電阻的接地方式 , 應(yīng)當慎重考慮行事。第七節(jié)第七節(jié) 發(fā)電機中性點的接地方式發(fā)電機中性點的接地方式 當選定發(fā)電機中性點的接地方式時 , 因發(fā)電機、特別是大型發(fā)電機定子鐵心的燒損會給檢修和運行帶來許多問題 , 故對單相接地故障電流的限制比在電網(wǎng)中要嚴格得多。 CIGRE 第 6 工作組 (SC23-06) 于 1988 年的調(diào)查報告中也明確指出:“在選擇發(fā)電機的中性點接地方式時 , 99% 絕對多數(shù)的用戶主張把接地故障電流保持在非常低的水平”。 當今世界各國的大型發(fā)電機應(yīng)用較多的中性點接地方式，為諧振接

22、地和經(jīng)高電阻接地兩種。 對于大型的水輪發(fā)電機來說，從安全接地電流方面考慮 , 高電阻接地方式的應(yīng)用會受到限制；而諧振接地方式由于單相接地繼電保護問題已經(jīng)解決，當需要時同樣可以自動瞬間跳開故障的發(fā)電機 , 故其適應(yīng)范圍可實際不受限制 。 第八節(jié)第八節(jié) 不同接地方式的適用范圍不同接地方式的適用范圍 大電流接地系統(tǒng)主要包括中性點非常有效接地和有效接地系統(tǒng) , 有時為了限制單相接地故障電流或提高系統(tǒng)穩(wěn)定 , 在上述的中性點非常有效接地 、有效接地的電力系統(tǒng)中 , 間或有少數(shù)中性點是經(jīng)低電抗或低電阻接地運行的。 中性點非常有效接地方式廣泛適用于國內(nèi)外 330kV 以上電壓等級的超高壓、特高壓電力系統(tǒng)。

23、中性點有效接地方式適用于我國的 110 、 220kV, 有時也含 330kV 系統(tǒng) , 以及國際上與此相近電壓等級的電力系統(tǒng)。 小電流接地方式廣泛適用于我國的 110kV以下的中壓系統(tǒng) , 以及國際上與此相近電壓級的電力系統(tǒng)。 中性點不接地和經(jīng)高電阻接地方式 ( 發(fā)電機經(jīng)高電阻接地方式例外 ) , 均以單相接地故障電流的電弧自行熄滅為條件的。當中性點不接地的中壓系統(tǒng)的接地電容電流超過 lOA 時 , 中性點應(yīng)過渡為諧振接地方式。 為了防止諧振過電壓事故 , 我國有的地區(qū)推薦采用高電阻接地方式 , 因電弧不能自行熄滅 , 現(xiàn)又建議改為高阻抗 ( 高電阻與消弧圈串聯(lián)的 ) 接地方式 。其實 ,

24、直接改為諧振接地方式問題就全部解決了。 在中壓系統(tǒng)中 , 還有中性點經(jīng)低、中電阻和直接接地等方式 , 這些均屬大電流接地范疇。 就世界范圍來說 , 此種情況基本上是在小電流接地系統(tǒng)的繼電保護選擇性尚未解決期間形成的。 小電流接地系統(tǒng)繼電保護選擇性問題在國內(nèi)外均已取得了突破性的進展 , 能夠準確地判斷發(fā)生單相接地故障的線路，并且發(fā)出接地報警信號 , 也可作用于自動跳閘或延時跳閘。 與此同時 , 自動跟蹤補償?shù)南【€圈等裝置也正在不斷推廣?，F(xiàn)代技術(shù)使小電流接地系統(tǒng)的運行特性得到了顯著優(yōu)化， 這就為包括電纜網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的城市電網(wǎng)采用諧振接地方式創(chuàng)造了十分有利的條件。 一些國家的中壓電網(wǎng),由于歷史慣例等等

25、原因 , 中性點依然保持著大電流的接地方式,這些電網(wǎng)一般處于經(jīng)濟發(fā)達的國家,如美國等。由于他們從系統(tǒng)規(guī)劃開始就對可靠性指標有明確規(guī)定,加上系統(tǒng)備用容量大、設(shè)備性能好、自動裝置和管理水平高等諸多有利條件,所以，他們的電力系統(tǒng)也可以運行在較高的水準上。 但是,由于電纜線路的增多,接地電容電流迅速增大，加上電力負荷特性的改變和電能質(zhì)量標準的提高等原因,在斷路器切除故障線路的過程中, 故障點附近形成的跨步電壓和接觸電位差,以及系統(tǒng)中形成的電磁浪涌等,均容易造成人身傷亡與低壓設(shè)備損壞等事故。為了防止這些事故,除采用快速動作的斷路器外,美國還將低壓設(shè)備的工頻耐壓水平提高到4kV、1min, 但是人身傷亡事故依然嚴重。 由于對中性點接地方式問題考慮不夠 , 我國沿海有的電力企業(yè)在改革開放初期從國外購進了大量的低絕緣水平電力電纜等設(shè)備 , 不能直接在我國的城市電網(wǎng)中投入運行 ,