配电网中性点接地方式比较分析

1、1配电网中性点接地方式比较分析1.1概述1.1概述配电网中性点的接地方式主要有三种：中性点不接地运行方式，中性点经消 弧线圈接地方式和中性点经电阻接地方式，三种中性点接地方式具有各自的优缺 点及不同的适用范围。配电网各种中性点接地方式的特点（1）中性点不接地运行方式总体上来说，中性点不接地方式具有结构简单、单相接地故障还能继续供电 的优点；但由于其容易产生幅值较高的电弧接地过电压（3.5 p.u.），并由此可 能引发危害整个配电网的铁磁谐振过电压，对设备的绝缘水平要求高，这势必增 加设备绝缘方面的投资。该中性点接地方式仅适用于电容电流小于10A的农村架空配电网。因为当架 空线路不长时，对地电容

2、电流不大，单相接地故障电流数值较小，不易形成稳定 的接地电弧，一般均能迅速自动灭弧而无需跳闸，能保证连续供电。但当线路较 长、对地电容电流相对较大，对地故障电弧不可能自动熄灭，此时可能会出现由 于持续电弧引发严重过电压而烧毁设备的情况，严重影响正常供电。（2）中性点经消弧线圈接地运行方式在发生单相接地故障时，中性点经消弧线圈接地的方式可以有效的减少单相 接地时的接地故障电流。，形成一个与对地电容电流的大小接近但方向相反的电感 电流，它们之间相互补偿，可以使接地处的电流变的很小，这样可以使电弧在电 流过零后自动熄灭，从而消除电弧接地过电压及其由此引发危害配电网的铁磁谐 振过电压的危害，保证正常供

3、电。优点：可以消除间歇性电弧过电压，保证故障迅速消失，恢复正常供电。缺点：1、消弧线圈要增加额外投资，而且电容电流越大，投资也越大；2、消弧线圈在谐波分量严重的情况下并不能根除接地电弧的产生，因为它只能补偿接地电容电流中的工频分量，不能补偿残流中的谐波分 量；3、采用消弧线圈是故障线路选线难度大大增加，目前还无法对故障线路 实现100%的准确故障选线，这也会严重影响恢复正常供电。4、过电压较高，可以达3.2 p.u.。中性点经消弧线圈接地方式使单相接地故障电流降低为最小，并限制了非故 障相的工频电压升高，它在单相接地故障一般不会再引起跳闸，从而保证了供电 连续性，提高了供电可靠性，是20kV中

4、压配电网中性点接地方式的主要发展趋势。该中性点接地方式主要适用于电容电流较大、架空和电缆混合的绝大多数城 市配电网。中性点经小电阻接地运行方式中性点经小电阻接地运行方式的最大优点可以在电网发生单相接地时，有效 地降低工频过电压和弧光接地过电压，它可以使发生单相接地故障时的过电压幅 值降至2.5 p.u.以下。另外，由于中性点经小电阻接地的配电网发生单相接地故 障时,接地线路中会流过较大的阻性电流，保证零序保护可靠动作,可准确判断并 快速切除故障线路。其主要缺点为：它使配电网的供电可靠性降低。在中性点经小电阻接地运行 方式下，一旦发生单相接地，保护就会动作跳闸。它使配电网故障跳闸次数大大 增加，

5、可能使停电时间增加，从而降低了供电可靠性。因此，为保证供电的连续 性，一般采用小电阻接地方式的网络对重要用户应该具有转供电能力。另外，在 发生单相接地时，中性点经小电阻接地运行方式还会因较大的接地电流产生较高 的接触电压和跨步电压，对设备和人身造成威胁，并对周围通信线路造成干扰。中性点经小电阻接地方式主要适用于电容电流超大、一般消弧线圈已经不能 够满足灭弧要求的特大型城市配电网或由全电缆组成的城市配电网；此外，一些 已选用较低绝缘水平的电缆和开关设备的配电网，因不可能采用消弧线圈方式， 也只好采用小电阻接地方式。配电网中性点不接地方式下的过电压与绝缘配合问题1.3.1配电网不接地方式下设备的绝

6、缘配合对于20kV配电网不接地方式，一般情况下系统内部所产生最大过电压不超 过 3.5 p.u.。所有设备的操作过电压绝缘耐受水平应与上述最大过电压相配合，也就是说 所有设备的操作过电压绝缘耐受水平应大于3.5 p.u.，并保留一定的裕度，因 此，它主要靠设备本身的绝缘来承受操作过电压的冲击。而所有设备的雷电过电 压绝缘耐受水平应与保护它的无间隙金属氧化物避雷器相配合，也就是说设备的 抗雷电冲击能力主要靠无间隙金属氧化物避雷器来保护，所有设备的雷电过电压 绝缘耐受水平应大于无间隙金属氧化物避雷器的残压，并保留一定的裕度。1.3.2配电网不接地方式下的铁磁谐振问题配电网系统中装设的大部分为电磁式

7、电压互感器。在采用中性点不接地方式 的情况下，发生单相接地故障容易产生幅值较高的电弧接地过电压（3.5 p.u.）， 它使电磁式电压互感器饱和，并由此引发危害整个配电网的铁磁谐振过电压，严 重影响配电网的安全运行。这是采用中性点不接地方式情况下最容易出现的严重 事故。消除铁磁谐振的最简单、有效方法是在PT高压侧中性点串抗谐振非线性电 阻。另外，还可以采取消谐方法主要有：（1）采用励磁性能较好的电压互感器；（2）电压互感器一次侧中性点经零序电压互感器接地，即采用4PT抗谐振PT。配电网不接地方式下单相接地故障选线中性点不接地电网如图3 1所示。图3-1中性点不接地电网单相接地时电流分布图在中性点

8、不接地辐射型供电的电网中，线路发生单相接地时，具有如下几个 特点：1）非故障线路零序电流3I0的大小等于本线路的接地电容电流，故障 线路的零序电流3I0的大小等于所有非故障3I0之和，零序电压突变，抬高。2）故障点的电流为全网的接地电容电流。3）故障线路的零序电流与非故障线路的零序电流方向相反，非故障线 路的零序电流超前零序电压90。，方向由母线流向线路；故障线路的零序电流滞 后零序电压90o，方向由线路流向母线。无论常规装置还是兼有功能的选线装置，其工作原理一般都基于以上三个特 点设计生产，关键是看它实现的方式和可靠程度。由于故障接地线路中的零序电流为其它各条非故障接地线路中的零序电流 之和

9、，在一般情况下，该条线路中的零序电流数值会比其它各条非故障接地线路 中的零序电流数值要大得多，故可以比较容易地实现对故障接地线路的判别。例如，有配电系统其母线上有10回出线，每回出线上的电容电流为10A。 那么，当其中一回线路发生单相接地时，该回线路中流过的零序电流高达90A， 而其它各回非故障接地线路中的零序电流仅为其本身的线路对地电流10A，两者 之间的差值很大，故容易实现对故障线路的判别。当然，在非常极端的情况下，尤其在极端的长短线情况下，还是有可能会造 成接地故障判线困难的情况。例如，假设线路1是一条很短的线路，其对地电容电流仅为1A；而线路2 是一条很长的线路，其对地电容电流为20A

10、；线路3是一条较普通的电缆线路， 其对地电容电流为10A。现在，如果在线路3上发生单相接地，则线路1中流过 的零序电流仅为1A，线路2中流过的零序电流为20A，而线路3中流过的零序电 流则为21A。显然，线路2和线路3中流过的零序电流很接近，故在实际中考虑 测量零序电流CT的误差，实际上较难对线路2和线路3到底谁是接地线路作出 准确的判断。当然，这种情况只有在这种极其长、短线的情况下才会出现的。而 对于实际运行中的极大多数情况，它应该可以对接地故障线路作为比较准确的判 别。20kV配电网中性点不接地方式下单相接地故障选线主要包括如下方法：（1）零序电流检测法（2）零序电流方向法。（3）首半波检

11、测法（4）5次谐波检测法目前，由于接地故障发展的复杂性，还不能对中性点不接地方式下的单相接 地故障线路作出100%的准确判断，一般选线成功率在8090%。配电网中性点经消弧线圈接地方式的过电压与绝缘配合1.5.1配电网消弧线圈接地方式下设备的绝缘配合配电网经消弧线圈接地方式的过电压与绝缘配合与配电网中性点不接地方 式基本相类似，只不过操作过电压幅值稍低一些。对于配电网经消弧线圈接地方 式，一般情况下系统内部所产生最大过电压不超过3.2 p.u.。在该情况下，所有设备的操作过电压绝缘耐受水平应与上述最大过电压相配 合，也就是说所有设备的操作过电压绝缘耐受水平应大于3.2 p.u.，并保留一 定的

12、裕度，因此，它主要也是靠设备本身的绝缘来承受操作过电压的冲击。而所 有设备的雷电过电压绝缘耐受水平应与保护它的无间隙金属氧化物避雷器相配 合，也就是说设备的抗雷电冲击能力主要靠无间隙金属氧化物避雷器来保护，所 有设备的雷电过电压绝缘耐受水平应大于无间隙金属氧化物避雷器的残压，并保留一定的裕度。1.5.2配电网中性点经消弧线圈接地方式下是否能有效消除铁磁谐振过电压系统中性点经消弧线圈接地的方法相当于在PT每一相励磁电感上并联一个 消弧线圈的电感。由于他们都并接在零序回路中，其电感值较PT相对地的电感 小得多，相当于将PT等效零序电感短路，打破了参数匹配的关系，使铁磁谐振 不易发生。浙江大学的研究

13、表明，当消弧线圈补偿电容电流小于5A时，不能十分有效 地抑制谐振过电压；当消弧线圈补偿电流大于15A时，可以很好地抑制铁磁谐振。因此，当配电网单相接地电容电流在15A以下时，可优先考虑选用在PT中 性点接非线性电阻的方法来消除铁磁谐振消谐；当配电网系统单相接地电容电流 在1530A之间，则采用消弧线圈和非线性电阻这两种方式均可以有效地消除铁 磁谐振过电压，若考虑到今后系统中单相接地电容电流还会较快增长并超过 30A，则在该情况下可以优先考虑采用消弧线圈消谐；当单相接地电流大于30A 时，应装设消弧线圈。配电网消弧线圈接地故障选线20kV配电网中性点消弧线圈接地的情况下，发生单相接地故障，故障电

14、流 很小，属于小电流接地系统。中性点经消弧线圈接地的电网如图3-2所示。AB C图3-2中性点经消弧线圈接地电网单相接地时电流分布图对于中性点经消孤线圈接地的系统，由于消孤线圈在线路发生单相接地时能 向故障接地点提供感性电流，从而补偿线路对地容性电流，使得零序电流在线路 中的分布发生重大改变。此时非接地故障线路上的零序电流的大小和方向还是均 保持不变；但故障接地线路中的零序电流的大小变成了该故障接地线路本身的对 地电容电流与电感电流和配电系统总电容电流相互补偿后的残流（它一般为5 6A）的差值。该电流差值（例如10A-56A=45A）常常比单回线路的对地电 容电流要小，这样就使得前面在中性点不

15、接地系统中采用的零序电流最大的选线 判据成为无效，从而使其判线变得十分困难。同时，根据电感电流对电容电流补偿程度的不同，还有可能使故障接地线路 上的零序电流的方向发生改变（180。反向），零序电流的方向也可能是不确定的， 例如，在欠补偿、残流为6A容性电流的情况下，若故障接地线路的本身对地电 容电流为10A，则流过该故障接地线路的零序电流应为10A6A=4A容性电流， 方向由母线流向线路。如果在欠补偿，残流为12A容性电流的情况下，则流过该 故障接地线路的零序电流应为10A12A=-2A（容性电流），此时零序电流的幅值 为2A，而零序电流的方向则为从线路流向母线（电流前面有一负号）。另外，由于

16、配电网在发生单相接地时，其接地点的过渡电阻可以从金属性接 地（R=0）到高阻接地（R二几KQ几十KQ ）的很大范围变化，这就使接地点流 过的故障电流会产生很大的变化（随过渡电阻不同），并引起接地点流过的故障 电流的相位也产生很大的变化（由于接地过渡电阻的存在，使接地故障电流中产 生了有功分量，这个分量的大小与过渡电阻R有关，它将直接影响接地故障电流 的相位，该接地故障电流不再是纯容性电流或感性电流，而是一个阻容电流或阻 感电流。因此，由于接地点过渡电阻可以在很大的范围内变化，使得流过接地故障点 的残流在幅值和相位上也会相应地在一个很大的范围内变化，这也将使各条线路 中流过的零序电流及其分布同样

17、亦在一个很大的范围内变化，从而使得此时对故 障接地线路的判别更加困难了。20kV配电网中性点经过消弧线圈接地方式下单相接地故障选线方法主要包 括：（1）故障线路零序电流最大原理（无消弧线圈系统采用基波，而有消弧线 圈系统则采用五次谐波）；（2）零序功率方向原理（无消弧线圈时采用基波，有消弧线圈系统采用五 次谐波）；（3）有功分量法；（4）残流增量法；（5）暂态零序电压电流方向原理（首半波原理）；（6）零序导纳法接地选线装置（利用故障前后线路零序导纳的变化判别接 地故障线路）；（7）“S注入法”接地选线装置；（8）采用消弧线圈旁加中值并联电阻进行故障线路判别的选线装置。采用消弧线圈旁加中值并联电

18、阻进行故障线路判别的选线装置如图3-3所 示。图3-3消弧线圈旁加并联中值电阻的接地选线原理图当发生单相接地故障时，将与消孤线圈并联的电阻R通过开关K合上，使流 过接地故障点的电流I增大。作声+声+声R L C因为电感电流与电容电流相互补偿，故有声+声=0LC故有母声R只要把电阻R调的适当小，就可以使流过故障点的电阻电流分量足够大，这 将使流过该接地回路的零序电流明显增大，使之经其它各回线路上的对地电容电 流大得多。由此，即可对该接地故障线路作出判别。当判线完成后，半开关K再打开，以免并联电阻过热而损坏。在配电网中性点经消孤线圈接地的情况下，对各种小电流接地选线装置的运 行情况进行了实际调查。

19、从目前的运行情况来看，各种小电流接地选线装置的选 线效果并不十分理想。极大多数的选线装置的选线成功率都不高。具体如下：1.大多数选线装置的选线成功率在4050%左右。4050%这个选线成功率距离实用还有很大距离，故许多运行单位都对目前 许多选线装置的选线结果持怀疑态度，导致在消孤线圈接地方式下的许多小电流 接地选线装置实际上跟本就没有真正发挥作用。2.国内各种小电流接地选线装置中，“S注入法”和“并联中值电阻”接 地选线装置相对来说是目前选线效果比较好的一种，前者的选线成功率可以达到 7080% （或70%以上），后者的选线成功率可以达到8090% （或80%以上）。实际上，浙江大学提出的“消

20、弧线圈并联中值电阻消除接地过渡电阻选线新 方法”，是目前在实践中使用选线成功率最高的选线装置，它使得故障线路的选 线成功率明显提高，并在实践中得到广泛应用。“消弧线圈并联中值电阻消除接 地过渡电阻选线新方法”课题被浙江省科委鉴定（06-719）为“解决了几十年来 消弧线圈应用中无法准确选线的技术难题，引导了故障选线技术的发展方向，达 到了国际领先水平”，并通过上市公司上海思源电气开始真正进入实用化和规模 化生产。截至2001-2009年，采用并联中值电阻接地选线装置的消弧线圈已在上 海思源电气累计实现销售收入达10亿元以上，取得很好的经济和社会效益。中性点经小电阻接地方式电阻阻值范围的选择中性

21、点小电阻可以有效抑制过电压。且值越低，则过电压相应也越低。当中性点接地电阻R V （12）X上时（C为配电网对地电容），过电压就限 n3o C制在比较合理的范围内。对于小电阻接地方式，虽然它可以保持较低的过电压，且容易准确故障定位， 迅速切除故障，但它为因接地故障电流大而由此带来一系列问题，如接触电压和 跨步电压而对人身安全造成威胁，设备安全和通信干扰等均需要采取一定的防范 措施，从而相应的增加了运行和维修投入。因此，在某些场合，可以考虑采用中 性点经中电阻接地方式，此时接地故障电流一般不应超过200A，最大不应超过 300A。配电网经小电阻接地方式下设备的绝缘配合对于小电阻接地方式，一般情况

22、下系统内部所产生最大过电压不超过2.5p.u.，绝缘要求较低，设备绝缘水平一般可以较中性点不接地方式或中性点 经消弧线圈接地方式有所降低。在该情况下，所有设备的操作过电压绝缘耐受水平应与上述最大过电压相配 合，也就是说所有设备的操作过电压绝缘耐受水平应大于2.5 p.u.，并保留一 定的裕度，因此，它主要也是靠设备本身的绝缘来承受操作过电压的冲击。而所 有设备的雷电过电压绝缘耐受水平应与保护它的无间隙金属氧化物避雷器相配 合，也就是说设备的抗雷电冲击能力主要靠无间隙金属氧化物避雷器来保护，所 有设备的雷电过电压绝缘耐受水平应大于无间隙金属氧化物避雷器的残压，并保 留一定的裕度。1.9配电网经小

23、电阻接地方式下的选线和接地电阻器和接地变压器容量计算（1）故障选线在中性点经小电阻接地方式下，由于单相接地短路电流很大，通常都可以比 较方便准确地实现故障线路选线。一般采用零序速断、零序过流来实现故障选线。（2）接地电阻器的选择原则20kV配电网中性点接地电阻器的选择主要应考虑额定电压（20/3kV）、额 定时间（短时取10s，长期时间取2h）、额定发热电流（推荐下列额定值：50， 100， 200， 630， 800， 1000， 1250， 1600， 2000A）。另外，它还要考虑电阻温度性能要求（电阻器在25oC式阻值偏差5%范围 内）、绝缘性能要求（电阻器能承受的工频耐压为65kV；

24、如多节电阻结构，增加 节与节之间的绝缘试验，施加每节电阻对自己支架的工频耐压，电压值为每节电 阻额定电压的2.5倍再加2kV。）和温升性能要求（不锈钢：10s不超过760OC， 2h不超过510OC；铸铁：10s不超过385OC，2h不超过385OC）。（3）接地变压器容量的选择原则短时容量的计算公式为： TOC o 1-5 h z S = 3o = U I（3-1）t 30 n则接地变压器容量为：S n = S k（3-2其中：u0为系统零序电压，In为系统中性点流过的短路电流，k为变压器运 行短时容量与额定容量的比值，IEEE-C62.92.3标准规定变压器一定过载时间内 的允许过载系数k

25、的数值见表3。表3允许过载系数参数表过载时间允许过载系数10s10.560s4.710min2.630min1.92h1.41.10 20kV配电网中性点经消弧线圈接地方式与经小电阻接地方式的电容电流适用范1.10.1在使用单台消弧线圈补偿时，一般以电容电流200A为临界值。若配电网 电容电流大于200A，宜采用电阻接地方式；若配电网电容电流小于等于 200A，宜采用消弧线圈接地方式。当一个变电所采用一个消弧线圈调节时，一般以电容电流200A为合适临界 值。若配电网电容电流大于200A，宜采用电阻接地方式；若配电网电容电流小 于等于200A，宜采用消弧线圈接地方式。具体理由如下：（1）由于浙江

26、省是雷害很严重的省份，为提高配电网供电安全性和可靠 性，一般宜优先考虑采用中性点经消弧线圈接地方式，减少雷击跳闸。（2）容量200A及以下的消弧线圈的制造和运行都已经有较成熟的经验，历史运行经验已经表明，200A及以下的消弧线圈的运行是安全、可靠 的。（3）目前，国内单个200A以上的消弧线圈的制造和运行都缺乏成熟的制 造和运行经验。（4）当消弧线圈补偿电流容量在200A以上时，由于调压器分接头档数有 限，每档的调节范围比较大，这样就较难调到谐振点，使接地点残流 值增大。（5）实际上，当消弧线圈补偿电流容量在200A以上时，即使再大量增加 调压器分接头档位，也不能保证残流在10A以下，无法顺利

27、灭弧。因为消孤线圈测量装置对电容电流的测量有一个精度问题，一般其测 量精度仅为3%,也就是说即使调压器分接头档位选择没有一点误 差，对于200A的电容电流，其测量误差就可以达到6A。另外，由于 配电网中一般都存在谐波分量，而消孤线圈只能补偿工频分量，不能 补偿谐波分量，但按照国家标准规定谐波分量可以高达4%，故对于 200A的配电网电容电流，不能补偿的谐波电流也可达8A。这样，此 时故障点不能补偿的电容电流应该是两个分量之和（测量误差分量一 工频分量6A，谐波分量8A），即10A （62 + 82 = 10 ）。也就是说，当消弧线圈补偿电流容量在200A以上时，考虑测量误差 和谐波误差，接地点

28、的残流可能会超过10A，此时可能会使接地点孤 光接地无法顺利灭孤，消孤线圈无法正常发挥作用。因此，在该情况 下就只好改为电阻接地模式。（6）综上所述，对于20kV配电网，当一个变电所采用一个消孤线圈调节 时，一般以电容电流200A为合适的临界值。若配电网电容电流大于 200A，宜采用电阻接地方式；若配电网电容电流小于等于200A，宜 采用消孤线圈接地方式。1.10.2在使用两台消弧线圈联合补偿时（可以是两台联合调节补偿；也可以一 台采用电感量固定的固定电感消弧线圈补偿，另一台采用自动跟踪消弧 线圈可调补偿），一般以电容电流300A为临界值。若配电网电容电流大 于300A，宜采用电阻接地方式；若

29、配电网电容电流小于等于300A，宜采 用两台消弧线圈联合补偿方式。在使用两台消孤线圈联合补偿时（可以是两台联合调节补偿；也可以 一台采用电感量固定的固定电感消孤线圈补偿，另一台采用自动跟踪 可调补偿），一般以电容电流300A为临界值。若配电网电容电流大于 300A，宜采用电阻接地方式；若配电网电容电流小于等于300A，宜 采用两台消孤线圈联合补偿方式。具体理由如下：（1）前苏联规定在下列情况下采用中性点不接地方式：6kV电网单相接地 电流小于30 A； 10 kV电网单相接地电流小于20 A； 1520 kV电网 单相接地电流小于15 A； 35 kV电网单相接地电流小于10A。如果单 相接地

30、电流超过上述各值，则需采用中性点经消弧线圈接地方式。也就是说，对于20 kV配电网，可以认为只要单相接地电流小于15 A， 就可以顺利灭弧。（2）上海思源电气在10kV和35kV配电网中均已经有两台200A的消弧线 圈联调（10kV： 2台联调，每台容量：1200kVA； 35kV： 2台联调，每 台容量：4400kVA；）的成功运行经验。在秦皇岛10kV电网上还有4 台消弧线圈联调的成功运行经验。因此，采用两台消弧线圈联合补偿时，不论是采取两台联合调节补偿 方式，还是采取一台电感量固定、另一台自动跟踪可调补偿方式，补 偿300A电容电流一般都可以顺利实现的。（3）采用两台消弧线圈联合补偿时，

31、主要有两种方式：一种是两台联合调 节补偿；另一种是一台采用电感量固定消弧电感，另一台自动跟踪可 调消弧线圈。采取第一种方式，采用两台可调消弧线圈相当于使消弧线圈的分接头 档位增加了一倍，此时即使在总电容电流高达300A时，也可以基本 消除由分接头档位带来的误差；采用第二种方式，相当于把每天的电 容电流分成两个部分，一部分是固定不变分量（每天不变部分，一般 占总电容电流的1/31/2），另一部分是可变分量（每天变化部分）。 采用一台电感量固定的电感线圈补偿一天内固定不变部分的电容电 流分量，采用另一台自动跟踪消弧线圈补偿一天内可变部分的电容电 流分量。由于可变部分的电容电流分量范围较小，此时即使采用一个 自动跟踪消弧线圈，也可以基本消除由分接头档位带来的误差。因此，采取上述两种方式，基本可以消除由分接头档位带来的误差。（4）实际上，当总电容电流补偿容量在300A以下时，在正常电网运行情 况下，通过消弧线圈补偿可以把