关于电力系统中性点接地方式及其单相接地故障的分析

1、电力系统接地综述方程：仅以一相为例U ABAB杨森，马海亮，孙少华，杨宏宇，孟天娇，刘乔（华北电力大学）Summary of power system groundingSen-YANG,Hailia ng-MA,Shaohua-SUN,Ho ngyu-YANG ,Tianjiao-MENG,Qiao-liu（North China Electric Power University）Abstract:This paper discusses the power system grounding， and when it breaks down,the changes of each phas

2、e voltage Electric current based on current theory and simulation,as well as arc suppression circle what is applied to the problem.Keywords:voltage,current,grounding,arc suppression circle摘要：本文主要论述了电力系统接地方式， 发生故障时各 相电压、电流的理论和仿真变化情况， 以及处理中所应用的 消弧线圈。关键字：电压、电流、接地、消弧线圈1电力系统中性点的接地方式电力系统中性点的接地方式分为4类：电源中性点

3、不接地；电源中性点经阻抗接地，在高电 压系统中通常是经消弧线圈接地；电源中性点直 接接地； = 4 * GB3 * MERGEFORMAT | 经低电 阻接地。前两类系统称为小接地电流系统，亦称中 性点非有效接地系统；后两类系统称为大接地电流 系统，亦称中性点有效接地系统。注：后两类经常 可以看做一类。2.接地方式2.1中性点不接地如图1系统正常运行时，三相电压对称，三相 对地电容电流也是平衡的，三相电容电流的相量和 为零，没有电流在地中流动。每一相对地电压=相电压。由此看来，当电源中性点不接地系统发生单相 接地时，在该系统中正常运行的三相用电设备并未 受到影响，因为线路的线电压无论其相位和幅

4、值均 未发生变化。但是这种线路不允许在单相接地故障 情况下长期运行，因为在单相接地的情况下，其他 两相的对地电压将升高" 3倍，容易引起相绝缘的 损坏，从而形成两相和三相断路，造成电力系统的 事故，影响安全用电。另外，发生单相接地故障时， 系统接地电流（故障相接地电流）增大到原来的3 倍，将会在接地点处引起电弧，这是很危险的。如 果接地不良，接地处还可能出现所谓间歇电弧。间 歇电弧常引起过电压（一般可达2. 5倍3倍的相电 压），威胁电力系统的安全运行。因此，实际中规定：单相接地故障运行一般不 得超过2小时。由上述分析可知，在中性点不接地系统中，当发生 单相接地时，线电压仍然对称。若

5、接地电流小，电 流过零值时电弧将自行熄灭，接地故障随之消失； 若接地电流大，则产生间歇电弧或稳定电弧，造成 过电压或烧毁电气设备。因此，中性点不接地系统 仅适用于单相接地电容电流不大的小电网。由上面可以看出，当接地电流（实际为电容电 流的和）过大（3 kV6 kV的系统为30 A ，10 kV 系统为2OA35 kV60 kV系统为1O A） 时，有必要采取一定措施，减弱这一接地电流，消 弧线圈应运而生。2.2中性点经消弧线圈接地法消弧线圈：消弧线圈是一台带有间隙的分段铁 芯可调线圈，类似于电感。如图3，经消弧线圈接地法：电力系统接地综述方程：仅以一相为例如图2,当发生单相接地故障时，假设 C

6、相接 地，这时C相对地电压为0,而非接地的A相和B 相对地电压升高为原来的倍， 而接地电流为a ,b两 相对地电容电流之电力系统接地综述方程：仅以一相为例展。采用过补偿，补偿后的残余电流一般不超过出现上述的过电压，因此得到广泛应用。因为消弧线圈留有一定的裕度，也有利于将来电网发小电 阻II510安培。运行实践也证明，不同电压等级的电网T*-I L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，可分为全补偿、欠补偿、和过补偿三 种补偿方式。分析：当系统发生单相接地时，流过接地点的 电流是接地电容电流与流过线圈的电感电流之和：如图4,由于超前，而滞后，与相位相反，在接地点相互补偿。只要消弧

7、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。（1）当，即）时，接地点的电流为 0，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过电压，危 及电网的绝缘。（2 ）当，即感抗大于容抗时，接地点尚有未 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（相当于切除了部分并联电容，因此对地电 容减小，容抗增大，减小），或系统频率降低（感抗减小 增大，容抗增大

8、减小），都有可能使系 统变 为全补偿，出现电压串联谐振过电压。（3）当即感抗小于容抗时，接地点出现多余1 U B U c = I bCJ® c!9彳A Uc 二lacJ® CI bC + I aC + I 接地=I LU中性点=J LIl的电感电流，这种补偿称过补偿。过补偿可以避免只要残余电流不超过允许值，接地电弧就会自动熄 灭。2.3中性点直接接地方式如图5,中性点直接接地适用于大多数的110kV145 kV电网，降低绝缘水平，减少设备和线路 的投资。220 kV及以上电压的电网，由于电压较高， 除存在对地电容外，还存在较大的电晕损耗和泄漏 损耗，因而接地电流中既有无功分

9、量又有有功分 量。即使消弧线圈的电感按全补偿的条件选择，也 只能使接地电流的无功分量为零（即电容电流的 和），而接地点仍有接地电流的有功分量流过。电 压等级愈高，这部分有功电流就愈大，其数值可达 100 A200 A以上，致使电弧不能熄灭，从而损坏 电气设备或发展为相间短路。为此，220 kV及以上电压的电网，规定其中性点采用直接接地方式。图5中性点直接接地时，由于限流电抗很小，在发生单相接地时，流经故障点的电流很大，对电力设备 造成的后果很严重，并且还会导致故障范围的扩 大，引发大面积停电，降低重要线路的供电可靠性， 甚至对运行人员的安全构成威胁。但有利的是各设 备的继电保护容易动作，通过断

10、路器的瞬时快速动 作，可以把大的短路电流限制在一定范围内。另外,直接接地系统的中性点电位稳定在地电位，正常相 对地的电压不发生变化，最大长期工作电压稳定在 相电压，因而由接地故障引起的暂态电压等大为降 低。所以，这种接地方式多见于110k V以上的电网。因为110k V以上的电网单相接地的概率比中低压电 网小，所以只要提高输电线路的耐雷水平，安装自 动重合闸装置，就可以基本实现系统的安全运行。 这种接地方式也适用于小于 600V的低压电网中。 2.4经小电阻接地方式长期以来，我国中压 1035kV配电网中性点采用 不接地或经消弧线圈接地。上述做法对架空线路为 主的电网是十分适宜的。因为架空线路

11、在发生单相 接地故障时，允许短时运行一段时间，也可通过自 动重合闸来消除瞬时性故障。但是随着城市配电网中电缆线路的使用比重增 加，这种发生单相故障后不立即跳闸的中性点接地 方式不再适用。因为电缆发生故障时，必须停电检 修，不允许重合闸运行。传统的接地方式暴露出很 多弊端：间歇性弧光接地过电压和谐振过电压超过 了避雷器的耐受能力；电容电流的增大所需要的消 弧线圈的容量也将随之增大；金属氧化物避雷器 (Metal Oxide Arrester , MOA在单相接地故障下 的事故率增高，必须采用MOA并联间隙的方式才能保证安全运行，而这种并联间隙的方式在参数配合 时也并非一件易事。如图6,中性点串联

12、接入某一电阻器以后，故障相的对地电压值将大于零而小于相电压，而其他两 相的对地电压值则大于相电压而小于线电压，接地 电容电流值略小。泄放熄弧后半波的能量，则中性 点电位降低，故障相的恢复电压上升速度也减慢， 从而减少电弧重燃的可能性，抑制电网过电压的幅 值。低电阻接地方式可以获得大的阻性电流叠加在 中性点上，继电保护易动作，能快速切除故障，不 易引起谐振过电压，可降低电缆的绝缘水平，异相 接地的概率大大降低，可瞬时清除故障，运行维护 都很方便，主要用于10kV、25kV、30kV以电缆为主 的城市配电网中。但是低电阻接地方式，线路的跳 闸率会增加；单相接地电流过大，对通信线路的干 扰也很大，所

13、以应该采取适当的保护措施。 总结：由上文对几种中性点接地方式的分析可以看出，每 种接地方式都有各自的利弊，在实际应用的过程中 应根据具体情况具体分析。对于电压等级较低的电 网来说，大多数都采用中性点不接地方式。随着微 机保护的推广应用，当310KV系统接地电流大于30A,2063V系统接地电流大于10A寸，采用经消弧 线圈接地的运行方式较好，因为在微机的控制之 下，消弧线圈可以根据电流的大小来调整电感，达 到最好的补偿效果。电压等级较高的电网一般采用 直接接地的方式，可以降低绝缘标准。参考文献1 张志英，王琳，文效宇.电力系统单相接地和断相故障的判断与处理J.江西煤炭科技，2001, 4: 2

14、8- 292 王瑞敏.电力系统继电保护M .北京：农业出版社，1990, 523 李光琦.电力系统暂态分析M.北京：中国电力出版社,1994,122-1234 于大勇1,2，马柏杨3,张国庆1,姜彤1电力系统故障分析的相分量法研究J . Heilongjiang Electric Power , 2003, (5)5 苏宇娟高压供电系统单相接地故障的判断和处理J. 辽源矿业一(集团)供电通讯公司.科技信息6 杨德印 浅谈矿井6KVt相接地故障的处理方法.科技信息。2008, 18附录：为了更好的研究单相短路对于不同的中性点 接地方式电路的影响，我们利用AD欲件进行了仿真，以直接接地、小电阻接地

15、、消弧线圈为例，仿 真了短路相接地电流、中性点电流、短路相电容电 流以及三相电压的变化。中性点不接地（A相金属接地）A相接地点电流仿真图中性点不接地（A相金属接地）中性点电流仿真图5A1 0/ / I! lP /IVVVV-10-151002040608010012014016018020(time, msectime, msec中性点不接地（A相金属接地）A相电容 电流仿真图中性点不接地-A相金属接地 A、B、C相电压仿 真结果图15time, msec丄time, msec中性点小电阻接地（A相金属接地）A、B、C相电压仿真 结果图中性点小电阻接地（A相金属接地）A相电容电流仿真结果图15time, msec2 二1 -1f1f,0 -*I1ru、Z8 /-1 -1 J1,-2 |V i V-V302460801012014016018020time, msec中性点小电阻接地（A相金属接地）接地点电流真结果图中性点小电阻接地（A相金属接地）中性点电流真结果图time, msec5000A 2*br -ftj iAPl1JII;1;ii1 j11111 1-!1 1ii1!1'llif1' u |1 J1 J VJpv¥020406080 100120140160 180200time, msec10050-50A 丄-100中性点消弧线圈