第一章电力系统的中性点接地方式概论

1、主讲人主讲人: :梁志瑞梁志瑞第一章第一章 电力系统的中性点接地方式概论电力系统的中性点接地方式概论第一节 导言第二节 中性点接地方式发展简史第三节 一个概念和几个术语第四节 接地方式的划分及电压、电流的互换特性第五节 接地程度系数与中性点接地方式的关系第六节 不同接地方式系统的基本运行特性第七节 发电机中性点的接地方式第八节 不同接地方式的适用范围第九节 结语OK第一节第一节 导言导言 电力系统中性点接地方式是防止系统事故的一项重要应用技术,具有理论研究与实践经验密切结合的特点, 是电力系统实现安全与经济运行的一项重要的技术基础。 电力系统的中性点接地方式是一个综合性的技术问题,它与系统的供

2、电可靠性、人身安 全、设备安全、绝缘水平、过电压保护、继电保护、通信干扰 ( 电磁环境 )及接地装置等问题有密切的关系。 电力系统中性点接地方式也是经济问题。在选定方案的决策过程中,应结合系统的现状与发展规划进行技术经济比较,全面考虑,使系统具有更优的技术经济指标,避免因决策失误而造成不良后果。 电力系统的中性点接地方式是一个系统工程问题。第二节第二节 中性点接地方式发展简史中性点接地方式发展简史 在发展初期 , 电力系统的容量较小,当时人们认为工频电压升高是绝缘故障的主要原因, 所以,电力设备的中性点最初都采用直接接地方式运行。 随着电力系统的扩大,单相接地故障增多,线路断路器经常跳闸,造成

3、频繁的停电事故,于是,便将上述的直接接地方式改为不接地方式运行。 在这种情况下发生单相接地故障时,接地电容电流在故障点形成的电弧不能自行熄灭,同时,间歇电弧产生的过电压往往又使事故扩大,显著地降低了电力系统的运行可靠性。 为了解决系统中出现的这些问题,当时世界上两个工业比较发达的国家分别采取了不同的解决途径。 德国为了避免对通信线路的干扰和保障铁路信号的正确动作,采用了中性点经消弧线圈的接地方式,自动消除瞬间的单相接地故障。 美国采用了中性点直接接地和经低电阻、低电抗等接地方式,并配合快速继电保护和开关装置,瞬间跳开故障线路。 这两种具有代表性的解决办法,对后来世界上许多国家的电力系统中性点接

4、地方式的发展产生了很大的影响。 第三节第三节 一个概念和几个术语一个概念和几个术语 各种中性点接地方式表现方式各种中性点接地方式表现方式不同不同, ,但是但是究其实质究其实质, ,均可概括为是经均可概括为是经一定数值的一定数值的( (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,是指电网在单相接地故障情况下,零序电流所经回路的阻抗。 该阻抗不仅包括故障点与中性点之间的、由系统几何与物理参数所确定的回路阻抗,而且还包括这两点之间的大地回路构成的阻抗(与接地装置及大地的几何、物理参数等有关),以及中性点的接地阻抗。 不同的中性点接地方式下系统的零序阻抗、或者是系统的零序

5、阻抗与正序阻抗的比值的大小不同。二、“中性点不接地”和“中性点绝缘” 我国常用的中性点不接地这一术语,在有的国际场合称为“中性点绝缘”,而通常所讲的中性点不接地,实际上是经过集中于电力变压器中性点的等值电容(绝缘状态欠佳时还有泄漏电阻)接地的,其零序阻抗多为一有限值,而且不一定是常数。如在工频零序电压作用下,零序阻抗可能呈现较大的数值,因此 零序电流数值较小；而在3次或更高次谐波的零序电压作用下,零序容抗锐减,高次谐波电流骤增,有时甚至在正常运行情况下也可引起通信干扰。 中性点不接地这一术语虽不理想,但习惯上已被国内外广泛地应用了多年,因而只要正确理解其物理意义就行了。三、“中性点有效接地”和

6、“中性点直接接地” “中性点直接接地”这一术语对电力设备(如变压器等)而言,含义是清晰的,它指该设备的中性点经过零阻抗接地。可是,现在很多人常用它泛指一个电力系统(或电网),这时其含义是不确切的,容易造成误解。这是因为,即使在高压电力系统中,也有部分变压器的中性点不接地运行；甚至在全接地的超高压和特高压电力系统中,仍然存在着有的变压器中性点经低电抗(低电阻)接地的情况。 美国电机工程师学会第32号标准对此作出了明确的规定：“当在系统或系统的指定部分的所有各点上,不论运行的情况如何,以及连接的发电机容量多大,零序电抗对正序电抗之比都不大于3,而且零序电阻对正序电抗之比不大于1时,该电力系统或系统

7、的一部分可被认为是中性性点有效接地的。” 这个标准沿用至今 ,在国际上得到广泛的认同。 根据上述标准, 不论变压器的中性点是直接接地 , 还是经低电阻或低电抗接地,只要在指定的系统内各点均满足：零序等值电抗与正序等值电抗之比小于或等于3 （X0/X1 3） ；零序等值电阻与正序等值电抗之比小于或等于1 (R0/X11)，则该系统便属于有效接地系统。 而所谓的电力系统中性点直接接地方式 ,不能直接反映上述的内涵,在实际工作中容易引起误解,影响系统的安全运行。 例如,随着我国经济的发展,高压输电线路直接深入城市中心,有些新建的110-220kV终端变电所变压器的中性点不接地运行,便有人认为出现了新

8、问题。 再如,有些人为了解决10kV 断路器遮断容量不足的问题,未经校验便将220kV或110kV 变电所的母联断路器解列运行等。由此可见,对于专业人员来讲,还是采用中性点有效接地这一术语更为贴切。 对于超高压电力系统来说,由于广泛采用了省料、节能的自耦变压器,所以全部的中性点都保持直接接地,或在特殊需要时经低电抗(低电阻)接地运行。我国的 500kV系统全部采用自耦变压器,其中性点的接地方式如此 , 世界各国的情况也相同。特高压电力系统的中性点接地方式更是如此,无一例外。 这一中性点接地方式一般称为中性点全接地方式,也有人称之为中性点死接地方式。由于其零序阻抗远较中性点有效接地方式时为小,所

9、以又可称为中性点非常有效接地方式。四、“中性点非常有效接地”和“中性点全接地”五、“中性点非有效接地” 在电力系统各种中性点接地方式中,除了有效接地和非常有效接地 (即全接地方式)之外,都属于中性点非有效接地的范畴。 主要是：中性点不接地、谐振接地和高电阻接地的小电流接地系统,等。 六、“中性点谐振接地”和“和中性点 经 消弧线圈接地” 中性点经消弧线圈接地,调谐为“共振接地”时，系统的零序阻抗接近无限大，接地点电流接近零。 不过,运行中的消弧线圈和现代的自动跟踪补偿装置并不都是恰好在谐振点运行,在一般情况下它们多采用略微偏离谐振点的过补偿运行方式。中性点经消弧线圈接地的电力系统通常称为谐振接

10、地系统 在中性点有效接地的110、220kV 高压电力系统中,因运行方式的改变或断路器的自行跳闸,有时也会在某一区域内形成非有效接地的部分,这时应及时采取措施,使整个系统全部恢复到有效接地方式运行。第四节第四节 接地方式的划分及电压、电流接地方式的划分及电压、电流的互换特性的互换特性 电力系统的电压等级较多,不同额定电压电网的中性点接地方式也各有特点,适当对其进行划分,有助于正确地理解、选择和处理相关的问题。 一、中性点接地方式的划分 从另外一种角度，可以将电力系统的中性点接地方式划分为两大类：（1）凡是需要断路器遮断单相接地故障者,属于大电流接地方式；（2）凡是单相接地电流能够瞬间自行熄灭者

11、, 属于小电流接地方式。在大电流接地方式中,主要有：中性点非常有效接地方式；中性点有效接地方式，等。在小电流接地方式中,主要有：中性点不接地方式；中性点谐振(经消弧线圈)接地方式；中性点经高电阻接地方式等。 在小电流接地方式中,以谐振接地方式最受关注,其中涉及的技术问题较多,近来发展变化也较快。运行特性也已得到优化。 二、非故障相工频电压和单相接地故障电流 电力系统在正常运行中,对不同的中性点接地方式及其差异,基本上没有反映。可是，当系统发生单相接地故障时,情况则大不一样了。因中性点接地方式的不同,非故障相工频电压的升高和单相接地故障电流的大小也不相同。通常,以两者的具体数值表征不同接地方式系

12、统的基本运行特性。 称为接地程度系数。（以后用到） 10ZZk 三、电压与电流的互换特性 对于非故障相的工频电压升高和故障点的单相接地电流，现以系统的额定电压和三相短路电流为基础用标么值来表示，则可发现两者之间存在着互换的关系。 故障点接地故障电流的标么值 和非故障相工频电压升高的标么值 : （1-12） （1-13）从式中可知,随着接地程度系数k值的增大,故障点的接地电流 减小,非故障相的工频电压 升高；反之,随着接地程度系数k值的减小,故障点的接地电流增大,非故障相的工频电压降低。这就是电网发生单相接地故障时电压与电流的互换特性。 AI*,CBU*32AIk2,*12B CkkUk*AI*

13、,CBU第五节第五节 接地程度系数与中性点接地方式的关系接地程度系数与中性点接地方式的关系 在接地程度系数和电力系统的中性点接地方式之间,存在着一定程度的对应关系。 图1-6可以看出, 为谐振点,即系统的相对地容抗 与 发生谐振， 与 同时趋向于 ,此点只有理论意义。 2k UAI0C12X 实际上,对于运行中的电力系统来说, 值都大于零 , 故我们只需关注 的情况。 当 时,主要为中性点全接地系统； 当 时,主要为有效接地系统；当 时,为非有效接地系统,含过补偿运行的谐振接地系统。k0k 01.5k 1.53k 3k 在1k+的范围内, 随着k值的增大, IA减小, U增大。 当系统的k值确

14、定后 , 单相接地故障情况下的非故障相的工频电压升高U和故障点的接地电流IA,也就相应确定了。 当k值达到+ 时， IA减小到零； U增大到-U 。 对于110kV以上的高压、超高压和特高压电力系统来说,主要矛盾是限制工频电压的升高和降低绝缘水平的问题； 对于110kV以下的电力系统来说,主要矛盾 则转化为限制单相接地故障电流的危害性,而降低绝缘水平变成次要问题； 对于110kV电压等级的系统来说,则应视不同地区、国家的具体条件而定。这是电力系统求得最佳技术经济指标的理论基础。第六节第六节 不同接地方式系统的基本运行特性不同接地方式系统的基本运行特性 本节所谓不同接地方式电力系统的基本运行特性

15、是指： 电力系统中，当任何一相发生单相接地故障时,单相接地故障电流的大小和非故障相工频电压的高低 ，与不同的接地方式（对应于不同数值范围的接地程度系数）的关联特性 。 一、中性点有效接地和全接地系统1 有效接地系统 在中性点有效接地和非常有效接地的情况下 ,因 0k 3,故从计算结果和图1-7中可知 , 三者的变化范围分别是 : 为 为 或 为 AI(3)(1.5 0.6)I,B CU(0.866 1.249)U(0.500 0.721)AU0U(033 0.6)U 对于中性点有效接地的高压电力系统 , 单相接地故障电流一般均小于三相短路电流 ,具体的数值需视k值而定。 如果单相接地故障电流大

16、于三相短路电流 , 则应减少中性点直接接地变压器的容量或台数。（从断路器的选择及零序过电流保护能够正确动作方面考虑） 关于非故障相最大的工频电压升高和中性点位移电压 , 一般均不会超过上述的上限值 ,也不会低于其下限值。 2 全接地 ( 非常有效接地 ) 系统 对于超高压和特高压的中性点全接地系统,单相接地故障电流偏向于上限方向 , 非故相工频电压升高和中性点位移电压则偏向于下限方向。 其单相接地故障电流可能大三相短路电流。 运行经验表明 , 随着装机容量和变电所的不断增加 , 我国的华中、华东、东北等 500kV 系统已经出现了这一情况。为了便于选择断路器 , 应当采取适当的限制措施 , 例

17、如使中性点经低电抗接地或改变运行方式等。 二、中性点非有效接地系统主要讨论中性点不接地系统和谐振接地系统。1 中性点不接地系统 前已明确,所谓的中性点不接地系统 , 实际上是中性点经过一定数值的容抗接地的。此时,系统的零序阻抗呈现容性,因接地程度系数 ， 可能高于相电压,故非故障相 的工频电压升高将会略微超过线电压。 实际上,中性点不接地的电力系统,其 k值的一般变化范围为 ，零序阻抗很大。0k U40k 当系统的电容电流较小时 ,单相接地电弧自行熄灭后 , 容易导致电压互感器的铁心饱和激发起中性点不稳定过电压,引起电压互感器烧毁与高压熔丝熔断等事故。近来 , 我国有些单位 采用高电阻接地方式

18、来防止此种过电压,有效果。 但是 ,当接地故障电流超过lOA 后 ,接地电弧便不能自行熄灭 ,又需要改变中性点接地方式。 试验研究和运行经验表明,当系统的电容电流达到10A时,便应当采用谐振接地方式 ,这样才能提高供电可靠性,而高电阻接地方式的应用范围是极其有限的。 2 谐振接地系统 谐振接地系统的中性点一般经消弧线圈 ( 自动或手动调谐电感 ) 接地 , 也可采用消弧变压器。 从理论上可以这样考虑 , 将系统的三相对地分布电容集中在一个( 或几个 )变压器的中性点上, 同时与该集中电容并联一个( 或几个 ) 调谐电感 , 对电感值进行调整,使之靠近谐振点运行。虽然调谐电感是一个很有限的数值

19、, 但却可使X0 趋近无限大 , 谐振接地系统的基本运行特性也就由此确定。 当消弧线圈过补偿运行时 , 失谐度 vO, Z0 - , IA 同样很小 ,但此时为容性 。 显然 , 因k , 则 IA 0, UB,C 。故UB,C的最大值只能等于而不会超过 。因此 , 谐振接地系统同样应当选用 100% 的避雷器 , 其工作条件较中性点不接地电网有利。UU三、中性点经电阻接地系统 中性点经电阻接地后 , 可以属于有效和非常有效接地系统 , 也可以属于非有效接地、甚至小电流接地系统 , 具体情况需视电阻的数值而定。 超高压和高压电力系统超高压和高压电力系统 中 , 为了提高动态稳定 , 有的变压器

20、中性点是经低电阻接地的。 中压电网中压电网 ： 中性点经高电阻接地可以限制电弧接地过电压。但是系统的单相接地电容电流应不大于lOA,（保证接地电弧瞬间自行熄灭 ），所以此方法的适用范围受到限制 。 若改为低电阻接地方式，电网的接地电容电流便可不受限制。 中性点若采用中电阻接地方式 , 接地故障电流一般不应超过 200A, 最大不应超过300A。但是，当系统发生高阻接地故障时，零序过电流保护的灵敏度明显降低 , 较难保证动作。 但是，中压电网采用低、中电阻接地时都使供电可靠性降低。 当今 , 电网的负荷特性发生了变化 , 用户对电能质量的要求明显提高，IEC绝缘配合标准已经改变，特别是小电流接地

21、系统继电保护的选择性和消弧线圈的自动调谐问题已经解决。在这种新的情况下 , 再为中压选择中性点经电阻的接地方式 , 应当慎重考虑行事。第七节第七节 发电机中性点的接地方式发电机中性点的接地方式 当选定发电机中性点的接地方式时 , 因发电机、特别是大型发电机定子铁心的烧损会给检修和运行带来许多问题 , 故对单相接地故障电流的限制比在电网中要严格得多。 CIGRE 第 6 工作组 (SC23-06) 于 1988 年的调查报告中也明确指出:“在选择发电机的中性点接地方式时 , 99% 绝对多数的用户主张把接地故障电流保持在非常低的水平”。 当今世界各国的大型发电机应用较多的中性点接地方式，为谐振接

22、地和经高电阻接地两种。 对于大型的水轮发电机来说，从安全接地电流方面考虑 , 高电阻接地方式的应用会受到限制；而谐振接地方式由于单相接地继电保护问题已经解决，当需要时同样可以自动瞬间跳开故障的发电机 , 故其适应范围可实际不受限制 。 第八节第八节 不同接地方式的适用范围不同接地方式的适用范围 大电流接地系统主要包括中性点非常有效接地和有效接地系统 , 有时为了限制单相接地故障电流或提高系统稳定 , 在上述的中性点非常有效接地 、有效接地的电力系统中 , 间或有少数中性点是经低电抗或低电阻接地运行的。 中性点非常有效接地方式广泛适用于国内外 330kV 以上电压等级的超高压、特高压电力系统。

23、中性点有效接地方式适用于我国的 110 、 220kV, 有时也含 330kV 系统 , 以及国际上与此相近电压等级的电力系统。 小电流接地方式广泛适用于我国的 110kV以下的中压系统 , 以及国际上与此相近电压级的电力系统。 中性点不接地和经高电阻接地方式 ( 发电机经高电阻接地方式例外 ) , 均以单相接地故障电流的电弧自行熄灭为条件的。当中性点不接地的中压系统的接地电容电流超过 lOA 时 , 中性点应过渡为谐振接地方式。 为了防止谐振过电压事故 , 我国有的地区推荐采用高电阻接地方式 , 因电弧不能自行熄灭 , 现又建议改为高阻抗 ( 高电阻与消弧圈串联的 ) 接地方式 。其实 ,

24、直接改为谐振接地方式问题就全部解决了。 在中压系统中 , 还有中性点经低、中电阻和直接接地等方式 , 这些均属大电流接地范畴。 就世界范围来说 , 此种情况基本上是在小电流接地系统的继电保护选择性尚未解决期间形成的。 小电流接地系统继电保护选择性问题在国内外均已取得了突破性的进展 , 能够准确地判断发生单相接地故障的线路，并且发出接地报警信号 , 也可作用于自动跳闸或延时跳闸。 与此同时 , 自动跟踪补偿的消弧线圈等装置也正在不断推广。现代技术使小电流接地系统的运行特性得到了显著优化， 这就为包括电缆网络在内的城市电网采用谐振接地方式创造了十分有利的条件。 一些国家的中压电网,由于历史惯例等等原因 , 中性点依然保持着大电流的接地方式,这些电网一般处于经济发达的国家,如美国等。由于他们从系统规划开始就对可靠性指标有明确规定,加上系统备用容量大、设备性能好、自动装置和管理水平高等诸多有利条件,所以，他们的电力系统也可以运行在较高的水准上。 但是,由于电缆线路的增多,接地电容电流迅速增大，加上电力负荷特性的改变和电能质量标准的提高等原因,在断路器切除故障线路的过程中, 故障点附近形成的跨步电压和接触电位差,以及系统中形成的电磁浪涌等,均容易造成人身伤亡与低压设备