電力網中性點接地方式的分析及應用

摘 要：我國電力系統中性點接地方式主要有兩種：中性點直接接地方式。它的優點是：過電壓數值小，絕緣水平低，因而投資少、經濟。缺點是由于單相接地電流大，故接地保護必須作用于跳閘，從而增加了停電的機會。另一種方式為中性點非直接接地方式。其優點是發生單相接地時，接地電流小，系統線電壓仍保持對稱性，不影響對負荷的供電，提高供電的可靠性。缺點是過電壓數值大，電網絕緣水平高，因而投資大，不經濟。這兩種方式在保護整定、絕緣監視等方面有廣泛的應用。

關鍵詞：中性點；分析；實際應用

中圖分類號：TM862 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）35-0078-02

1 接地方式的分類與特點

我國的電力系統主要有兩種中性點接地方式：中性點直接接地方式（包括中性點經小電阻接地方式）和中性點非直接接地方式（包括中性點經消弧線圈接地方式）。中性點直接接地系統（又稱為大電流接地系統）在發生單相接地故障時，接地短路電流會很大。中性點不接地系統（又稱為小電流接地系統）在發生單相接地故障時，由于不構成短路回路，接地電流往往比負荷電流小得多。劃分的標準在我國為：X0/X1≥4～5的系統屬于大接地電流系統，X0/X1≤4～5的系統屬于小接地電流系統；X0為系統零序電抗，X1為系統正序電抗。

中性點直接接地電力網的優點是：過電壓數值小，絕緣水平低，因而投資少、經濟。但由于單相接地電流大，故接地保護必須作用于跳閘，從而增加了停電的機會。此外，由于接地時短路電流過大，電壓會驟然下降，還可能破壞電力系統動態的穩定，接地時產生的零序電流還會干擾通信系統。

中性點非直接接地電力網的優點是：發生單相接地時，接地電流小，系統線電壓仍保持對稱性，不影響對負荷的供電，提高供電的可靠性。不過為了避免故障擴大成兩點或多點接地故障，當接地保護發信號后，運行人員必須及時處理，消除故障。中性點非直接接地電力網的缺點是過電壓數值大，電網絕緣水平高，因而投資大，不經濟。此外，接地保護也較中性點直接接地電力網復雜。在我國，110 kV及以上的電力系統采用中性點直接接地方式，66 kV及以下電力系統采用中性點非直接接地方式。

2 不同接地系統發生單相接地故障的分析

2.1 中性點直接接地

由對稱分量法的分析中我們知道，三相系統不平衡時會出現零序分量。因此，中性點直接接地電力網任一點接地短路時，都會出現零序電壓U0和零序電流I0。

為了使零序電流和零序電壓構成零序保護，需要了解零序電流和零序電壓分布的規律。零序電流的產生，可以看成各相都在短路點連接起來，然后在故障點加了一個零序電壓，在其作用下，三相都流過零序電流I0，假設零序電流I0的方向以流向故障點為正方向；零序電壓的方向U0的方向以線路指向大地為正方向，則零序電流I0的路徑為從接地點經大地流向變壓器中性點，在經變壓器流向線路。由此可知，零序電流的分布和變壓器中性點是否接地有關，發電機容量的大小只影響零序電流值的大小而不影響零序電流的分布。

零序電流流過變壓器繞組時，將在變壓器的其他繞組感應出電勢來，但是只有當其他繞組側存在零序電流的通路時，連接在其他側的元件上才有零序電流通過。如果其他側有三角形接線的繞組，因三相零序電流方向相同，大小相等，零序電流將只在三角形接線是繞組所連接的元件上。如果其他側也為中性點接地的星形接線，則只有當存在零序電流通路時才能有零序電流通過。

接地故障時零序電壓的沿線路的分布為發生故障時，故障點零序電壓最大，離故障點越遠，零序電壓越小，在變壓器中性點接地處的零序電壓為零。因而在母線處的零序電壓UMO=IZT0，此式說明M母線處的零序電壓相量和零序電流相量間的相角差只決定與變壓器的零序阻抗角，而與被保護線路的阻抗角無關。

2.2 中性點非直接接地

中性點非直接接地電力網正常運行時，由于三相對地電容C相同，故在三相對稱電壓作用下，三相電容電流相同，電容中性點電位和電源中性點電位相同。由于三相電容中性點接地，電位為零，故電源中性點電位也為零。由I=UjwC0可知，各相對地電容電流超前相應的相電壓90 ？觷。

中性點不接地的電力網發生單相接地時，電網會出現零序電壓U0，其大小等于電網正常工作時的相電壓，方向和接地故障前電壓相量相反。這時故障相電壓將為零；中性點對地的電壓由零變為-E。

由于中性點不接地電力網發生單相接地時不能構成短路回路，因此各相對地短路電流僅為電容電流。各相電容電流仍超前各相電壓90 ？觷，只是各相電壓的大小和相位變了，故電容電流的大小和相位也隨著改變，電容電流的方向是從母線流向線路。

2.3 中性點經消弧線圈接地

中性點非直接接地方式電力網發生單相接地故障時，接地電流將流過接地線路相應電壓等級的電網的全部對地電容電流，如果此電容電流大到一定程度，就會在接地點產生電弧，引起弧光過電壓，從而使非故障相對地電壓極大增加。在電弧接地過電壓的作用下，可能導致絕緣損壞，造成兩點或多點的接地短路，使事故擴大。其次，當各級電壓單相接地故障時，如果接地電容電流超過一定數值就在中性點裝設消弧線圈。利用消弧線圈的感性電流補償接地故障時的容性電流，使接地故障電流減少，達到自動熄弧持續供電的目的。

消弧線圈接地的電力網單相接地故障時（設A相接地），電壓變化情況和中性點非直接接地電力網一樣，電容電流由發電機流出，流向各線路和發電機的非故障相的接地電容，然后在接地點匯合流回發電機。同時由于中性點對地電壓升高至相電壓，該電壓作用在消弧線圈上，就產生一感性電流IL，IL在相位上滯后零序電壓90 ？觷，而電容電流I在相位上超前零序電壓90 ？觷。故I和I在相位上相差180 ？觷。IL由中性點流出，經消弧線圈流向接地點，正好對電容電流起補償作用。從接地故障點流回的電流為消弧線圈的感性電流IL和全系統是接地電容電流總和IC相消后的殘余電流，為防止鐵磁共振過電壓，消弧線圈一般采用過補償方式，即IL>IC，就是說殘余電流為感性電流，相位滯后零序電壓90 ？觷。過補償多少用補償度S表示，S=IL-IC/IC，補償度一般為5%～10%最大不超過20%，但位移電壓超過允許范圍時可過補償20%以上，如消弧線圈容量不夠時，可采取欠補償5%～20%。

3 實際應用

3.1 零序電流保護在中性點直接接地系統中的應用

在110 kV及以上的中性點直接接地電力網中，單相接地故障發展而來的，因此必須設置接地保護，以消除接地故障。考慮到接地故障時會出現零序分量，因此利用接地故障特有的零序分量構成接地保護就具有較大的優越性。在110 kV及以上的中性點直接接地電力網中，廣泛采用的是零序電流保護來作為接地保護。

實際中要用方向性零序電流保護。在多電源或多電源的網絡中，電源側至少有一臺變壓器的中性點要接地。當接地故障時每臺接地變壓器的中性點都有零序電流流過，且零序電流的實際流動方向都是由故障點流向中性點。因此，在多個變壓器中性點接地的網絡中，也需要考慮零序電流保護動作的方向性，以保證保護動作的選擇性。對可能誤動作的保護應加裝零序功率方向元件，使功率方向元件只在被保護線路內部故障，即假設的功率方向從母線流向被保護線路時動作，而在假設的功率方向從被保護線路流向母線時不動作。

3.2 絕緣監視裝置在中性點非直接接地電力網的應用

中性點非直接接地電力網發生單相接地故障時，會出現零序電壓，使故障相對地電壓降為零，非故障相對地電壓升高。因此利用系統母線電壓的變化，可以測知該系統是否發生接地故障。絕緣監視裝置就是為此目的裝設的。絕緣監視裝置中的電壓表裝在母線電壓互感器的二次繞組和開口三角形繞組上，由于正常運行時三角電壓的相量和為零，沒有零序電壓，故開口三角形繞組無輸出電壓，過電壓繼電器不會動作。當系統發生一點接地故障時，開口三角形繞組處出現零序電壓，過電壓繼電器就動作，發出接地信號。

絕緣監視裝置只能判別哪相發生接地故障，而不能判別哪條線路發生接地故障，因此當發生接地信號時，運行人員為了尋找故障線路，還需逐一斷開各條線路。當斷開某條線路，接地現象消失時，該線路就是故障線路。由于中性點不接地電力網發生一點接地時不構成短路回路，短路電流很小，且三相之間的線電壓是對稱的，不影響供電，因此一般情況下允許繼續運行1～2 h，這對處理單相接地故障是有利的。

3.3 零序電流保護在非直接接地系統的應用

在線路較多的輻射式電網中，通常裝設零序電流保護來實現有選擇的接地保護。零序電流保護由零序電流濾過器和電流繼電器組成。零序電流濾過器通常是用環形或矩形的零序電流互感器套在被保護的電纜線路或經電纜引出的架空線路上，其勵磁阻抗和電流繼電器線圈阻抗相匹配，從而獲得最大的功率輸出，使保護的靈敏度得以提高。零序電流保護動作時，除有特殊要求者外，一般都作用于信號。

3.4 變壓器中性點接地方式的安排

變壓器中性點接地方式的安排應盡量使變電所的零序阻抗基本保持不變。當變電所只有一臺變壓器時，則中性點應直接接地，當變壓器檢修時，可做特殊運行方式處理，如改定值或按規定停用、起用有關保護段；當變電所有兩臺及以上變壓器時，應只將一臺變壓器中性點直接接地運行，當該變壓器停運時，將另一臺中性點不接地變壓器改為直接接地；雙母線運行的變電所有三臺及以上變壓器時，應按兩臺變壓器中性點直接接地方式運行，并把它們分別接于不同的母線上，當中性點直接接地變壓器停運時，將另一臺中性點不接地變壓器改為直接接地；為了改善保護配合關系，當某一短線路檢修停運時，可以用增加中性點接地變壓器臺數的方法來抵消線路停運對零序電流分配關系產生的影響；絕緣有要求的變壓器和自耦變壓器中性點必須直接接地。

4 結 語

綜上所述，220 kV系統采用中性點直接接地方式，變壓器中性點接地的安排應根據實際情況確定，以滿足繼電保護和自動裝置的要求。66 kV系統通常經消弧線圈接地，系統中應分布一定容量的消弧線圈，以滿足系統補償的需求，如消弧線圈容量不足時應采取欠補償方式運行。

參考文獻：

[1] 陳珩.電力系統穩態分析[M].北京：中國電力出版社，2007.

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