配电网中性点接地与接地故障检测技术

配电网中性点接地与接地故障检测技术1电力系统的中性点接地方式概论1.1导言电力系统中性点接地方式具有理论研究与实践经验密切结合的特点，即是一个综合性的技术问题，也是经济问题，同时还是一个系统工程问题。与系统的供电可靠性、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。1.2中性点接地方式发展简史在发展初期，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，改为不接地方式运行。存在问题：直接接地方式系统扩大时，单相接地故障增多，线路断路器经常跳闸，造成频繁的停电事故；不接地方式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，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。两种代表性的解决办法：德国采用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。1.3零序阻抗的概念及接地方式的表现形式1.3.1“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。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、或者是系统的零序阻抗与正序阻抗的比值的大小不同。1.3.2接地方式的表现形式各种中性点接地方式实质均可概括为是经一定数值的（零序）阻抗接地。根据其表现方式不同分为：一、 中性点不接地（中性点绝缘）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，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。二、 中性点直接接地对电力设备（如变压器等）而言，指该设备的中性点经过零阻抗接地。若泛指一个电力系统（或电网），这时其含义是不确切的。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。三、 中性点有效接地规定：“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，该电力系统或系统的一部分可被认为是中性性点有效接地的。”判断有效接地系统的方法：指定部分的各点满足零序电抗与正序电抗之比小于或等于3（X0/X1〈=3）和零序电阻与正序电抗之比小于或等于1（R0/X1〈=1）。四、 中性点全接地（中性点非常有效接地）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。这一中性点接地方式一般称为中性点全接地方式。由于其零序阻抗远较中性点有效接地方式时为小，所以又可称为中性点非常有效接地方式。五、 中性点谐振接地（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，通常称为谐振接地系统。六、 中性点非有效接地一般说来，在电力系统各种中性点接地方式中，除了有效接地和全接地（即非常有效接地方式）之外，都属于中性点非有效接地的范畴。包括以单相接地电孤能够自行熄灭为条件的中性点不接地、谐振接地和高电阻接地等小电流接地系统，以及接地电弧不能自行熄灭的中性点经中、低电阻和中、低电抗等接地的系统。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。1.4接地方式的划分及电压、电流的互换特性1.4.1中性点接地方式的划分在中压范围内，我国和许多国家的电网普遍采用小电流接地方式，其单相故障接地电弧能够自行熄灭，是进行小电流接地系统范围界定的必要条件。电力系统的中性点接地方式基本上可以划分为两大类：（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，属于小电流接地方式。在小电流接地方式中，主要有：中性点谐振（经消弧线圈）接地方式；中性点不接地方式；中性点经高电阻接地方式等。1.4.2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。当系统发生单相接地故障时，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统的基本运行特性。1.4.3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, 3I= A* k+2（1-12）非故障相工频电压升高的标么值u=VB,C*k2+k+1k+2(1-13)7Z （1-14）k=—0Z1k称为接地程度系数。电网发生单相接地故障时电压与电流的互换特性：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，随着接地程度系麴^值的减小，故障点的接地电流特增大，非故障相的工频电压降低。1.5接地程度系数与中性点接地方式的关系图1-6可以看出，k=一图1-6可以看出，k=一2为谐振点，即系统的相跚容嗽％ 与2X］发生谐振，△与1A同时趋向于±3此点只有理论意义。随着*的绝对值逐渐增大，国与1A明显下降，当k值分别达到时±3，A从正、负两个方向减小到当当数值的感抗接地的。实际上，运行中的电力系统，可。0<k<+1.5零；△〃从上下两个方向降低到"中。此两者真可谓殊途同归，这一过程形象地说明了式（1-13）与式（1-12）中的电压与电流两2之间的互换+3时，表示系统的零序阻抗呈现感抗性质，说明中性点是经不同0<k<+3，K值都大于零故我们只需关注 的情况即时，主要为中性点全接地系统;当时，主要为中性点全接地系统;+1.5<k<+3时，主要为有效接地系统;当时，主要为有效接地系统;+3<k<+3当 时，为非有效接地系统，含过补偿运行的谐振接地系统。

—s<k<—s<k<-2同数值的容抗接地的。当k趋近于±8时（中性点经消弧线圈接地的谐振接地系统），AU和IA的大小均基本维持不变。在1<k<+8的范围内，随着k值的增大，IA减小，AU增大。当具体系统的k值确定后，单相接地故障情况下的非故障相的工频电压升高和故障点的接地电流，也就相应确定了。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。1.6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0VkW3,故从计算结果和图1-7中可知，三者的变化范围分别是：IA为（1.5〜0.6）I⑶UB,C为（0.866〜1.249）U①或（0.500〜0.721UAU0为（033〜0.6）U①图1-7有效接地范围内Ub,c*、Uo*与

Ia*的变化曲线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。对于每个运行中的电力系统来说，具体的数值需视k值而定。如果单相接地故障电流大于三相短路电流，则应减少中性点直接接地变压器的容量或台数。当然，这个问题尚需与继电保护的配置统一考虑，以便使零序过电流保护能够正确动作。从选择断路器的参数方面考虑,也需要限制单相接地故障电流。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，也应当采取适当的限制措施，例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k<0，AU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一8<k<-40，零序阻抗很大。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来防止此种过电压，可是，一旦接地故障电流超过1OA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，但却可使趋近无限大，谐振接地系统的基本运行特性也就由此确定。当它过补偿运行时，失谐度氏以Z0f+8,IA很小且为感性。当消弧线圈欠补偿运行时,v>O,Z0f-8，IA同样很小，但此时为容性。显然，因kf±8，则iaf0,UB,CfU。故UB,C的最大值只能等于而不会超过U。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A电网有利。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。为了提高动态稳定，在超高压和高压电力系统中，有的变压器中性点是经低电阻接地的。对于中压电网来说，中性点经电阻接地的最初出发点，主要是为了限制电弧接地过电压。在中性点为高电阻接地方式的情况下，为使接地电弧瞬间熄灭，一般说来单相接地电容电流应不大于1OA，所以适用范围受到限制，只宜在规模较小的10kV及以下电网中应用。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。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，许多高新技术产品在电力系统中得到广泛的应用与推广。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。1.7发电机中性点的接地方式1.8不同接地方式的适用范围1.9结语2谐振接地原理2.1引言中性点经消孤线圈接地的电力系统，称为谐振接地系统。因为消弧线圈是一种补偿装置，故通常又称之为补偿系统。本章主要围绕补偿电网进行讨论(发电机中性点接地另行讨论)消弧线圈是德国彼得生(w.Petersen)于1916年发明的，所以有时称为彼得生线圈。在美国又称为接地故障补偿装置(GroundFaultNeutralizer)等。世界上第一台消弧线圈安装在德国波兰台尔斯海姆(Pleidelsheim)电厂的发电机中性点，于1917年投入运行。经过90多年的实践检验、理论充实和近些年来高新技术的支持，消弧线圈已在世界范围内得到了极其广泛的应用简而言之，消弧线圈是一种铁心带有空气间隙的可调电感线圈。消弧线圈的补偿电流有分级（阶段）调整和无级（连续）调整之分，调整方式又有手动和自动之别，而自动又有发生接地故障前预先调整的预调式和出现接地故障后迅即调整的随调式两种形式。在我国的补偿系统中，虽然目前手动分级调整的消弧线圈较多，但是，自动跟踪调谐的补偿正在迅速发展，并已大量地投入运行。补偿电网的中性点装设消弧线圈的目的，主要是为了自动消除电网的瞬间单相接地故障；当发生永久性（金属）单相接地故障时，有两种选择：可以经微机选线装置或微机接地保护检出故障线路后，作用于断路器进行瞬间跳闸；也可以使电网在一定时间内带故障运行，待调度部门转移负荷后延时跳开故障线路。这样，中性点采用谐振接地方式的电网便