2 中性点接地.doc

2、中性点接地 中性点点接地是较复杂的问题，它涉及的面很广，当电气工程师讨论中性点问题时，其观点也各不相同。已有专门论述中性点的教科书，在此仅打算作为一个章节来论述中性点问题，主要论述它对变压器设计和运行的影响。每个国家对中性点的布置各不相同，即使在同一国家，不同电力部门间的布置也不一样。经过一段时期后，每个电力部门都要重新检验过去对中性点的布置，有时还需要做一些细节上的变动。对变压器设计人员来说，系统中性点的接地方式可以分为三种方式。 中性点死接地 中性点通过阻抗接地 中性点不接地 由于第三种方式有一定缺点和不利因素，所以很少应用，在变压器设计时仅仅需要考虑前两种接地方式。 本节的主要目的是回顾英国电力部门规定的中性点接地条例，各称为“电力供电条例1988”。 以上条例是根据条例1937和“电力(架空线)条例1970”及“电雷击(条例)1899”修订，这些条例主要代表一种合理化建议和最新进展，而不是中性点接地方式的变化。“电力供电条例1988”的第2部分包括与接地有关的措施如下： 凡是额定电压高于50V的系统均应接地。 高低压系统的接地方式互不相同。 大于50V但低于1000V的低压系统接地方式参照415V电网。对高压系统来说，凡超过规定的电压值则应当接地，但没有规定接地方式。对低压系统来说,“任何对地线路都不能接入阻抗除非需要对开关装置、仪表、控制或无线电遥测装置等进行操作时”，换言之，低压系统必须死接地。在某些场合，保护性多重接地系统适用于415V配电网络。在低压系统中，允许保护性多重接地，但要求一定要死接地，“合理的接地位置是在电源处或其附近”。 2.1、高压系统接地 如上所述，英国立法规定，所有电力系统都应接地，因此对技术上优缺点的讨论则是学术性的讨论。然而，最重要的是要完全弄清楚中性点接地的意义,可以归纳出以下几点。 2.1.1、高压系统接地的优点 系统接地故障可导致线对中性点的短路故障。中性点不接地的高压系统出现的高压振荡很容易对系统造成严重破坏，如果系统中性点接地，将会使高压振荡降到最低限度，因此，大大提高了系统对地的安全因数，这一理论也适用于应用广泛的架空线或地下电缆。 在系统发生接地故障的情况下，接地中性点可以使自动保护快速动作发挥作用。在高压网络中，大多数线路故障均是接地故障，特别是在布设有地下电缆的情况下，中性点不接地时，接地故障通常是以弧光接地的形式出现。对于多心电缆来说，接地故障最终会导致相间短路。中性点接地时，若设有灵敏的接地故障保护装置，则可使故障线路在故障早期阶段被切除。 如果中性点死接地，任何带电导线电压都不会超过线对中性点的电压。在这种情况下，中性点电压为零，可以明显地降低电缆和架空线对地绝缘，从而节约成本，也可以采用分级绝缘方式降低变压器绝缘，使高压绕组到中性端的绝缘得到降低。在英国，对132kV及以上的电压系统均采用分级绝缘的方式。 在中性点不接地的系统中，如果一相出现接地故障，另两相的对地电压则会上升到线电压水平，并且一直保持到故障消失。在这两相上连接的所有设备绝缘都要能承受这种较高电压的作用，虽然这些设备可以耐受某些过电压，但在这种情况下，最终还是会被损坏。在超高压系统中，由于电容的作用，未发生故障的两相电压最初可能会达到额定线电压的两倍。这种现象与在线路中接入纯电容所发生的电压现象相同，系统绝缘也将承受相应的过应力。在非接地系统中，即使线电压和线对中性点电压保持额定电压，任何线路的对地电压都可达到对地绝缘的击穿值。在有架空线的电力系统中，由于电容的作用，上述情况很容易发生，这是因为架空线要经受来自邻近带电云层、灰尘、冰雹、雾和雨的静电感应。如果不采取措施限制这些感应电荷，它们将会不断积累，使与线路和线路上连接的设备达到很高的悬浮电位，直到线路设备绝缘产生对地击穿、间隙或电涌放电器放电。 如果中性点事先争先直接接地或通过限流器接地，就可以将感应静电荷导入大地，从而消除了故障对线路和设备绝缘的所有破坏。中性点死接地系统任何部位的对地电压都不会超过线对中性点的额定电压。 2.1.2、高压接地系统的缺点 高压接地系统的唯一缺点是起始端首次接地，这就增加了接地故障的机率。对很长的架空线来说，特别是频繁出现雷击的区域更是如此；但是这种故障一般均是瞬变故障，当线路被断开，故障便会立即消失，线路延时重合闸装置动作后系统很快恢复供电。 显然，接地系统的优点远远多于缺点，对变压器设计人员来说，目前接地系统的最主要优点是可以采用分级绝缘。 2.1.3、多点接地 电力供电条例1988和在此之前的条例之间有一个明显的差别是多点接地的位置。在条例1937中规定，每个系统只能是一点接地，并且规定除非经电力委员会及电力部门最高领导的同意，否则互相连接的多系统也只能一点接地，在那时，电信部门亦受法规制约。规定系统一点接地的原因是，如果系统多点接地将会导致谐波电流在多个接地点间流通。三相系统的三次谐波电压同相，因此，如果系统两点同时接地，三次谐波电压将会产生谐波电流，特别是高次谐波电流会对无线电通信造成干扰，这就是之所以需要规定系统必须一点接地的原因。虽然通过调节电流的方式可打破一点接地的局限，但要求供电系统不能引起无线电通信设备干扰。欧共体制定的电磁兼容性标准规定了消除干扰的基本措施，并且规定电力用户应该保证其电力设备不能引起电磁干扰，电力用户的责任是如何研究出成熟的技术方法，以实现系统的多点接地。在这种情况下，用户可以采用三次谐波抑制器抑制干扰，这种装置通常在某接地的中性点处接入电抗器，在50Hz或60Hz电流下，它的阻抗最低，对较高次谐波电流来说，其阻抗也越高。 2.1.4、变压器中性点死接地或通过阻抗接地 如上所述，对高压系统的接地方式并未作出规定。根据实际情况，如果需要进行分级绝缘，则必须要保证中性点电压维持在故障状态的最低水平，这种情况需要采用死接地方式。分级绝缘的经济效益性明显体现在132kV及以上变压器系统中，因而英国132kV和以上系统都采用中性点死接地。在没有经济赔偿的情况下，采用接地阻抗是可行的。就变压器绝缘而论，所有系统都可定为高压系统，实际上这意味着从3.3kV至66kV电压范围均包括在内。 下面要考虑接地阻抗对系统是否有利，如果有利，应具体考虑如何选取阻抗类型和阻抗值。在解决这一问题时，要考虑为什么要采用接地阻抗，其主要原因是在接地故障条件下，接地阻抗可限制故障电流，因此，极大的降低了故障部位受破坏的程度。根据这一逻辑推理，只要采用高阻抗值就行了，但问题是在某些接地故障条件下，故障本身便有很高的阻抗，若采用高阻抗值，则会使保护装置动作迟缓。一般情况下，选择阻抗值时应使系统满载时的线电流与发生接地故障时的零序电流相等。例如，用容量为60MVA的变压器为33kV电网供电时，33kV中性点的接地阻抗值需使接地故障电流达到以下数值： 英国电力工业实际上采用了较低的接地故障电流极限。因此，对30MVA、33kV变压器的接地阻抗应能允许通过750A故障电流，而不是525A。其他供电公司则希望这一限值达到一个方便的整数值，比如1000A。 2.1.5、三角形联结变压器的接地 在以上实例中，将33kV电网供电的变压器一次侧联结到132kV，并且采用分级绝缘，它的高压绕组呈星形联结并且中性点死接地。三角形联结的33kV侧绕组则不能构成中性点接地系统，在这种情况下，必须采用辅助装置人为地引出中性点，一般采用曲折形中性点接地变压器，极特殊的情况下也可采用星形/三角形联结的变压器。 图5和图6分别示出了两种接地方式。曲折形联结是一种1：1的自耦变压器，其绕组排列方式是使绕组在正常运行条件下，每个绕组保持线对地电压，当中性点接地线路发生接地故障时，单相故障电流的阻抗值最小。在正常运行条件下，通过绕组的电流仅仅是接地变压器的励磁电流，设计的绕组应能够承受最大故障电流30s。此装置在结构上完全与油浸三相心式变压器相同。 图5、曲折形中性点接地变压器 a)、限流电阻器接在中性点；b)、限流电阻器接在线端 图6、三相星形/三角形中性点接地变压器 a)、限流电阻器接在中性点；b)、限流电阻器接在线端 曲折形中性点接地变压器是最常采用的一种变压器接地型式，它可有人为引出的中性点，也可选择普通的一次绕组为星形联结的三相心式变压器，并且中性点接地。线端联结到三相线路，二次绕组联结到封闭的三角形绕组，而其他情况下中性点不接地。一般情况下，变压器仅仅通过励磁电流，但在故障条件下三角形联结的绕组为故障电流流通到变压器一次侧的三相提供了通路。由于一次侧和二次侧故障安匝平衡，所以这种接法对电流具有较低的阻抗。 此变压器与曲折形接地变压器外形相同，它的结构与普通电力变压器极其相同。 安装故障限流电阻器的目的是限制故障电流，可以将故障限流电阻器连接在以上两种类型的接地变压器中性点和地之间，也可以安装在接地变压器线路端子之间和线路之间。前一种方式，一方面需要安装一个电阻器，必须将此电阻器设计成能够承受总的故障电流，而电阻器的绝缘必须能够承受系统的相电压；另外，在故障条件下，接地变压器绕组的中性点对地电压将升到接地电阻器电压降的水平，变压器绕组绝缘必须能承受线路对地的全电压。在任何情况下，均可采用后一种方式，但最好避免采用接地电阻器，以免接地变压器绕组承受不可避免的瞬时过电压。一方面，因为变压器绕组是最容易被损坏的部分，如果将接地电阻器接在接地变压器端子和线路之间，而不是中性点和地之间，不仅可以达到限制故障电流的目的，而且还会使接地变压器中性点始终处于零电位，这样绕组便可以不承受任何高电压的冲击；另一方面，接地电阻器必须承受线路全电压，这一点较容易实现，并且是较经济的做法。对于相同的故障电流和具有相同电压降的电阻器来说，接地变压器端子和线路间电阻器的电阻值是安装在中性点和地之间电阻器电阻值的3倍，但接在线路中的每个电阻器的额定电流却是接在中性点电阻器额定电流的1/3，这是因为在故障条件下，线路中的3个电阻器呈并联状态。 2.1.6、接地阻抗值 对以上所述的布置方案来说，用简单的欧姆定律便可确定出所需的电阻大小： 2.1.7、中性点接地装置 高压中性点接地采用的最普遍装置是液体接地电阻或LNER。这些电阻器均较便宜、耐用并且容易制作，它们可通过高达1500A的接地故障电流，一般来说，设计成可承受30s的故障电流。接地电阻器的电阻值是系统对地电压和可允许的故障电流的函数。充液电阻器的缺点是需要始终充满液体，保持电解状态和适当的强度，在热气候下，负载会稍有增大，在冬季则需要用加热器防止其冷冻。相比之下，有时认为金属电阻器更好。这些电阻器可采用铸压网格或不锈钢丝绕制的模，可以进行串联和并联，以保证得到需要的额定电压和电流。这些接地电阻器有很高的可靠性和坚固性，唯一的缺点是造价高。 接地电阻也可选择消弧线圈。消弧线圈最先由W.皮特森于1916年提出，一般称消弧线圈。采用消弧线圈的好处是能够使电力系统的未接地系统免遭接地故障电流的破坏。具体做法是，将电抗器连接在变压器中性点和地之间，线圈的电抗与电力系统电容相匹配。 如上所述，高压网络的故障主要是接地故障，而这些接地故障大多数是相对地间产生电弧。由于采用消弧线圈，间歇性故障可自行消除，这归因于系统电容和消弧线圈的电感产生谐振，可使故障部位的超前和滞后分量达到平衡，剩下的很小接地电流便足以维持电弧的存在。由于电弧与故障导线的电压同相，因此两者在同一瞬时为零，此时电弧熄灭，电弧熄灭后，谐振延迟建立起恢复电压恢复电压可恢复故障部位的绝缘强度，并可防止电弧重新出现。图7示出了这种安装方式下电弧熄灭后恢复电压的典型波形。 图7、初始电弧熄灭后的恢复电压 图8、消弧线圈接地系统中接地故障点的电压和电流 在持续的相对地故障情况下，消弧线圈可使电力系统在故障状态下继续运行，直到故障被查出并切除。一般情况下，剩余故障电流是电容性总故障电流的5%1O%。图8示出了三相电压的相位关系和通过消弧线圈的故障电流。目前，固态控制装置可与消弧线圈连接，在故障情况下，通过自动切换消弧线圈的分接位置可以达到最佳补偿。这种方法对具有多条馈电线路系统特别有用，因为接地故障会使一条馈电线路的接地故障电流幅度不同于另一条馈电线路。 安装消弧线圈的所有设备和装置的绝缘水平必须满足在单相接地期间能正常运行。一般来说，在66kV以上系统安装消弧线圈不太经济，在这种电压系统中，所有变压器均没有采用标准的分级绝缘，如果系统单相接地的运行时间在24h内多于8h，或一年之内多于125h，则要求系统有较高的绝缘水平。 在故障条件下，电网是否继续运行主要由系统管理者决定。事实表明，消弧线圈可使设备继续运行，但重要的是应保证人身安全。例如，由线路导线击穿引起的故障则存在很大的危险，电力部门不应当在故障条件下维持运行，应立即检查出故障的区段。 一般情况下，在故障之后的一定时间内消弧线圈可使保护继电器动作。在线圈短路后，会出现明显的故障涌流，从而引起电压降。用现代保护装置，可以发挥消弧线圈的这一作用。例如，采用导纳传感继电器，可以确定线路导纳的变化，用它取代传统的过电流继电器。 2.1.8、接地联结 研究中性点接地问题时，最重要的是接地方式，即为了达到可靠接地，必须将电极埋在地下。如果没有认真安装并维护接地系统，在故障条件下，跨步电压将会导致严重后果(见以下内容)。 可以采用铜或铸铁板、铁管、铜棒、铜板或镀锌铁板直接接地。 从单一的接地导体很难得到低于2的电阻值，在安装接地系统一段时间后，仍然很难维持这一数值。这一点有时令人费解，因此，一般以并联方式安装多个接地板、接地管等，这样能使安装的总电阻降到1或以下数值。如果采用并联方式，每个接地板、接地棒等均应安装在其他接地件的电阻区域外。严格地说，要求接地装置必须相距lOm，在总电阻增大不超过百分之几的情况下还可以缩短这一距离。 在安装接地装置时，应记住接地装置必须有足够的总截面积，以便通过最大故障电流。在故障条件下，要想使接地板周围的电压梯度值达到安全极限以下，接地装置必须有很低电阻。由于接地系统的大多数电阻都集中在接地装置附近，所以在故障条件下的地电位梯度集中在接地装置附近。为了保证人身安全，可以采取并联安装若干接地板、接地管或加大埋深的方式，用绝缘电缆将其引出，使接地装置的电流密度保持在很低的数值。为了得到很好的接地，最好采用前一种方式，因为它较容易实现，但如果由于地面土质很难达到理想的埋深时，必须将接地棒深埋地下，超过1Om以上。一般来说，在采用接地管、接地棒或条状接地装置时，令电极尺寸在一个方向的值大于另两个方向的值，可使电极周围的最大电流密度降到最低值。 接地板一般由厚度不少于12mm厚的镀锌铸铁或厚度不少于2.5mm的铜板做成，其尺寸一般在O.6m和1.2m之间。如果需要有较大的接地电导率，最好是将两个或两上以上的接地板并联在一起。 接地管是铸铁材料，直径达100mm，长2530m，管壁厚12mm，它们必须以相同方式埋人地下。根据安装需要，有时也可选用3O5Omm直径的低碳钢管。 采用打桩方法时，较常用的是铜棒。接地铜棒由直径1220mm、长115m的几段组成，每段带有螺纹，埋人地下的一段铜棒带桩尖。由于土壤的电阻率随深度而减小，所以铜棒埋得越深越好，一般来说，采用较短的铜棒并联埋入地下较好。 万一土壤层(或难以穿透层)的电阻率很高或低电阻率土层很薄，接地体可以采用尺寸不小于2Omm3mm的不镀锡铜带或裸铜导线。 如果选择的接地点是自然潮湿和排水差的地带，则会出现很低的土壤电阻率，应避免仅靠降雨才能保持潮湿的接地点。接地点的电导率可以通过对土壤进行化学处理的方式来改进，但必须保证对电极材料无腐蚀作用。为了保证得到最大的电导率，接地电极必须牢固地直接与土壤接触。 最重要的是中性点或辅助装置与接地体的连接本身应有足够大的截面积，以便在最大故障电流下有足够的裕度，这样沿铜棒长度方向才不会出现异常的电压降，接地结构件的连接才能有足够的接触表面。 2.2、低压系统的接地 英国低压电力系统的范围是501O00V，主要包括工业用415V三相系统和民用24OV单相供电、中性点为4l5V的单相系统。虽然这些年研制出接地漏电流断路器，使安全保护有了一些改进，但为了达到快速断开故障设备并最大限度的保护人身安全，保护系统仍然主要沿用熔断器。保护系统应设计成具有最低的接地阻抗，这意味着中性点必须死接地。 供电条例1988中已强调了中性点死接地的基本意义，还指出系统多重接地的好处是有助于获得较低的接地电阻，如果不采用这些措施，则无法达到上述目的。 低压中性点死接地的目的是为了将低压系统的过电压降到最低限度，因为在降压变压器高压和低压绕组间绝缘击穿的情况下，高压系统的接地故障会造成高压系统接地保护的快速动作。若变压器高压侧通过消弧线圈接地，则会是另一种情况。在这种情况下，绕组间的故障点电压接近于低压绕组中相应的电压，即低压系统的电压变化不受正常运行状态的影响，而高压侧的电压分布是可以调整的。实际上，对任何与高压系统连接的变压器来说，高压和低压绕组之间的绝缘击穿，必定会导致严重的后果。 接地系统的设计简述如下： 中性点接地是一个很复杂的问题，显然，接地系统的设计并不是用变压器教科书的几个章节便可说清楚的。在此有必要简单论述关于接地系统的设计，主要是论述近年来设计原则的一些改进，特别是对早期规定的变动。最主要的变化是，目前的接地系统必须设计成能够在故障期间保证接地系统周围电压低于规定值，以前对接地系统的设计要求侧重于得到理想的阻抗值。 系统发生接地故障时，故障电流通过接地电极或系统电极流入地下，与接地系统或任何设备连接的电极电压都将高于实际的接地电压。这种电压的升高特别明显，当大型变电站发生严重故障时，其电极电压可达几千伏。研究这个问题的目的，是为了得到理想的接地设计方案，以便在严重的故障和不可避免的电压上升情况下，避免接触危险的跨步电压或传递电压，确保“人身安全”。 通过以上论述使接地设计的基本原则更为明确，图9可清楚地说明这一设计原则。在故障条件下，接地电极的电压升高时，在接地周围将形成电压梯度。对单一电极来说，电压梯度正如图中所示，在电极附近的人将面临由电压梯度产生的三种不同类型的危险： 跨步电压:图中“a”人代表跨步电压。“a”人的两脚电位差V1是一步之距的跨步电压。由于接地电极附近的地面电压梯度最大，所以在故障条件下，人的一只脚站在最大电压位置，而另一只脚向地面迈动时，他会遭遇最大的跨步电压。 接触电压:图中的“b”人代表“接触电压”。可以看出，电位差V2是人的双手与双脚间产生的电位差。如果此处存在一个金属体，将会出现最大电压，在最大电压的交界处，人站在离金属一步远的地方便会遭受金属电击。这种电击的危险性高于跨步电压对人的伤害，因为电压直接加在人体，电击心脏。 传递电压:高电压区和实际接地点间的距离是一种物理上的分离，它使处于高电压的人同时接触零电压而排除了电击的