建筑供配电与照明-电力系统中性点运行方式

1.3.1　电力系统中性点的运行方式

选择电力系统中性点接地方式是一个综合性问题。它与电压等级、单相接地短路电流、过电压水平、保护配置等有关，直接影响电网的绝缘水平、系统供电的可靠性和连续性、主变压器和发电机的运行安全以及对通信线路的干扰等。

考虑到电力系统运行的可靠性、安全性、经济性及人身安全等因素，电力系统中性点常采用不接地、经消弧线圈接地、高电阻接地和直接接地等运行方式。

1.中性点不接地的电力系统

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1.9（a）所示。

系统正常运行时，三个相电压是对称的，三相对地电容电流也是对称的，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1．9（b）所示。

图1.9　正常运行时中性点不接地的电力系统

（a）电路图；（b）相量图

接地的第3相对地电压为零，即＝0，但线间电压并没有发生变化。

非接地相　第1相对地电压＝＋（－）＝

　　　　　第2相对地电压6＝6＋（－6）＝6

即非接地两相对地电压均升高倍，变为线电压，如图1．10（b）所示。

当第3相接地时，由于第1、2两相对地电压升高倍，使得这两相对地电容电流也相应地增大3倍，即

图1.10　一相接地时的中性点不接地系统

（a）电路图；（b）相量图

从图1.10（b）的相量图可知，第3相接地点接地电容电流为

即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1.10（b）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。

中性点不接地系统发生一相接地时有以下特点：

①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。

②中性点对地电压升高为相电压。

③非故障相的对地电压升高为线电压。

④线电压与正常时的相同。

值得注意：一是这种单相接地状态不允许长时间运行；否则，如果另一相又发生接地故障，则形成两相接地短路，产生很大的短路电流而损坏线路和用电设备。二是单相接地电容电流会在接地点产生电弧，形成间歇电弧过电压，将威胁电力系统的安全运行。因此，我国电力规程规定，中性点不接地的电力系统发生单相接地故障时，单相接地运行时间不应超过2h。

为了保证在发生单相接地故障时能够及时发现并得到处理，中性点不接地系统一般都装有单相接地保护装置或绝缘监测装置，在发生接地故障时能及时发出警报，使工作人员尽快排除故障，在可能的情况下，应把负荷转移到备用线路上去。

在6～63kV电网采用中性点不接地方式，但电容电流不能超过允许值，否则接地电弧不易熄灭，易产生较高弧光间歇接地过电压，波及整个电网。

2.中性点经消弧线圈接地的电力系统

在中性点不接地系统中，当单相接地电流超过规定数值时电弧不能自行熄灭，一般采用经消弧线圈接地措施来减小接地电流，使故障电弧自行熄灭，这种方式称为中性点经消弧线圈接地方式，如图1.11所示。

消弧线圈L是一个具有铁芯可调的电感线圈，其外形与电力变压器相似，它的铁芯上套有绕组，此绕组有若干个抽头，可根据电网的不同情况调整消弧线圈的补偿电流。另外还有一个额定电压为110V、额定电流为10A的信号线圈，当电网中有接地故障时，此信号线圈发出警告信号，并接通位于消弧线圈隔离开关旁边的信号灯，指示有接地故障存在或中性点对地电压过大，此时禁止操作隔离开关，否则会导致带负荷拉隔离开关的误操作。在消弧线圈的接地端还装有一个电流互感器，用以检测通过消弧线圈的电流的大小。消弧线圈本身电阻很小，感抗却很大，通过调节铁芯气隙和线圈匝数改变感抗值，以适应不同系统中运行的需要。(www.xing528.com)

图1.11　一相接地时的中性点经消弧线圈接地系统

（a）电路图；（b）相量图

消弧线圈安装在变压器或发电机的中性点上。在正常运行情况下，三相系统是对称的，中性点对地电压近似为零，通过消弧线圈的电流很小。当发生一相接地（例如第3相）时，就把相电压U₃加在消弧线圈上，使消弧线圈有电感电流I_L流过。因为电感电流I_L和接地电容电流I_C相位相反，因此在接地处互相补偿。如果消弧线圈电感选用合适，会使接地电流减到很小，而使电弧自行熄灭。这种系统和中性点不接地系统发生单相接地故障时，接地电流均较小，故统称为小电流接地系统。

中性点经消弧线圈接地系统与中性点不接地系统一样，当发生单相接地故障时，接地相电压为零，三个线电压不变，其他两相电压也将升高倍，因而单相接地运行也同样不允许超过2h。

由于消弧线圈能有效地减小单相接地电流，迅速熄灭电弧，防止间歇性电弧引起的过电压，故广泛地用于3～60kV的电网中。在35kV电力网中单相接地电流大于5A，在6～10kV电力网中单相接地电流大于30A，其中性点均要求采用经消弧线圈接地方式。

3.中性点经高电阻接地的电力系统

当接地电容电流超过允许值时，也可采用中性点经高电阻接地方式。此种接地方式和经消弧线圈接地方式相比，改变了接地电流相位，加速泄放回路的残余电荷，促使接地电弧自熄，从而降低弧光间歇接地过电压，同时可提供足够的电流和零序电压，使接地保护可靠动作。

一般用于大型发电机中性点或单相接地故障电容较少的10（6）kV配电系统中。这种方式适用于接地电容电流小于10A的场合。

（1）当发电机或变压器10（6）kV绕组为Y接线时，其原理接线图如图1.12所示。

电阻通过接地变压器接入中性点，将会使变压器中性点接地电阻的一次值增加到原来N²倍，即

式中　R——接地电阻值，Ω；

R′——接地电阻一次值，Ω；

N——接地变压器变比。

（2）当变压器10（6）kV绕组为△接线时，其原理接线图如图1.13所示。

接地变压器由三台单相变压器组成，其接线为YN/开口△。接地变压器一次侧中性点直接接地，二次侧在△开口处接电阻。接地变压器一般接在母线进线开关侧。

图1.12　10（6）kV绕组为Y接线时，中性点经高电阻接地原理图

图1.13　10（6）kV绕组为△接线时，中性点经高电阻接地原理图

4.中性点直接接地的电力系统

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。

图1.14　一相接地时的中性点直接接地系统

在中性点直接接地系统中，如发生单相接地，则接地点和中性点通过大地构成回路，形成单相短路，其单相短路电流比线路正常负荷电流要大许多倍，使保护装置动作或使熔断器熔断，将短路故障切除，恢复其他无故障部分继续正常运行。所以，中性点直接接地系统又称为大电流接地系统，如图1.14所示。

中性点直接接地系统发生单相接地时，既不会产生间歇电弧过电压，也不会使非接地相电压升高，因此，这种系统中供用电设备的相绝缘只需按相电压设计。这样对超高压系统而言，可以大大降低电网造价，具有较高的经济技术价值；对低压配电系统可以减少对人身及设备的危害。但是，每次发生单相接地故障时，都会使保护装置跳闸或熔断器熔断，从而中断供电，使供电可靠性降低。为了提高供电可靠性，克服单相接地必须切断故障线路这一缺点，目前在中性点直接接地系统中广泛采用自动重合闸装置。当发生单相接地故障时，保护装置自动切断线路，经过一定时间自动重合闸装置动作，将线路合闸。如果是瞬时接地故障，则线路接通恢复供电；若属持续性接地故障，则保护装置再次切断线路。

目前，我国110kV及以上电力网均采用中性点直接接地方式，380/220V低压配电系统也采用中性点直接接地方式。

另外，还有中性点经低电阻接地系统。

随着我国现代化建设事业的发展，城市电网也正在向电缆化发展，35kV、10（6）kV电网的电容电流也在成比例增加。如采用消弧线圈接地，由于电缆长度随运行情况而改变，很难及时找到合适的补偿度、脱谐度而使位移电压和残余电流控制在允许范围内，往住引起弧光重燃，造成过电压，损坏电气设备，所以城市电网正在逐步推广低电阻接地方式。变压器35～10kV侧一般采用△接线，所以多数选用一台Z形接线的所用变压器中性点处接以低电阻。35kV、10（6）kV系统低电阻接地如图1.15所示。当系统发生接地故障时，故障电流不再是微小的电容电流，可达数十甚至数百安培，可以迅速使继电器动作，切断电源。这样，35kV、10kV系统绝缘水平可以大大降低，节省建设投资。

图1.15　35（10）kV经低电阻接地系统