1、主講人主講人: :梁志瑞梁志瑞第一章第一章 電力系統的中性點接地方式概論電力系統的中性點接地方式概論第一節 導言第二節 中性點接地方式發展簡史第三節 一個概念和幾個術語第四節 接地方式的劃分及電壓、電流的互換特性第五節 接地程度系數與中性點接地方式的關系第六節 不同接地方式系統的基本運行特性第七節 發電機中性點的接地方式第八節 不同接地方式的適用范圍第九節 結語OK第一節第一節 導言導言 電力系統中性點接地方式是防止系統事故的一項重要應用技術,具有理論研究與實踐經驗密切結合的特點, 是電力系統實現安全與經濟運行的一項重要的技術基礎。 電力系統的中性點接地方式是一個綜合性的技術問題,它與系統的供

2、電可靠性、人身安 全、設備安全、絕緣水平、過電壓保護、繼電保護、通信干擾 ( 電磁環境 )及接地裝置等問題有密切的關系。 電力系統中性點接地方式也是經濟問題。在選定方案的決策過程中,應結合系統的現狀與發展規劃進行技術經濟比較,全面考慮,使系統具有更優的技術經濟指標,避免因決策失誤而造成不良后果。 電力系統的中性點接地方式是一個系統工程問題。第二節第二節 中性點接地方式發展簡史中性點接地方式發展簡史 在發展初期 , 電力系統的容量較小,當時人們認為工頻電壓升高是絕緣故障的主要原因, 所以,電力設備的中性點最初都采用直接接地方式運行。 隨著電力系統的擴大,單相接地故障增多,線路斷路器經常跳閘,造成

3、頻繁的停電事故,于是,便將上述的直接接地方式改為不接地方式運行。 在這種情況下發生單相接地故障時,接地電容電流在故障點形成的電弧不能自行熄滅,同時,間歇電弧產生的過電壓往往又使事故擴大,顯著地降低了電力系統的運行可靠性。 為了解決系統中出現的這些問題,當時世界上兩個工業比較發達的國家分別采取了不同的解決途徑。 德國為了避免對通信線路的干擾和保障鐵路信號的正確動作,采用了中性點經消弧線圈的接地方式,自動消除瞬間的單相接地故障。 美國采用了中性點直接接地和經低電阻、低電抗等接地方式,并配合快速繼電保護和開關裝置,瞬間跳開故障線路。 這兩種具有代表性的解決辦法,對后來世界上許多國家的電力系統中性點接

4、地方式的發展產生了很大的影響。 第三節第三節 一個概念和幾個術語一個概念和幾個術語 各種中性點接地方式表現方式各種中性點接地方式表現方式不同不同, ,但是但是究其實質究其實質, ,均可概括為是經均可概括為是經一定數值的一定數值的( (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,是指電網在單相接地故障情況下,零序電流所經回路的阻抗。 該阻抗不僅包括故障點與中性點之間的、由系統幾何與物理參數所確定的回路阻抗,而且還包括這兩點之間的大地回路構成的阻抗(與接地裝置及大地的幾何、物理參數等有關),以及中性點的接地阻抗。 不同的中性點接地方式下系統的零序阻抗、或者是系統的零序

5、阻抗與正序阻抗的比值的大小不同。二、“中性點不接地”和“中性點絕緣” 我國常用的中性點不接地這一術語,在有的國際場合稱為“中性點絕緣”,而通常所講的中性點不接地,實際上是經過集中于電力變壓器中性點的等值電容(絕緣狀態欠佳時還有泄漏電阻)接地的,其零序阻抗多為一有限值,而且不一定是常數。如在工頻零序電壓作用下,零序阻抗可能呈現較大的數值,因此 零序電流數值較小；而在3次或更高次諧波的零序電壓作用下,零序容抗銳減,高次諧波電流驟增,有時甚至在正常運行情況下也可引起通信干擾。 中性點不接地這一術語雖不理想,但習慣上已被國內外廣泛地應用了多年,因而只要正確理解其物理意義就行了。三、“中性點有效接地”和

6、“中性點直接接地” “中性點直接接地”這一術語對電力設備(如變壓器等)而言,含義是清晰的,它指該設備的中性點經過零阻抗接地。可是,現在很多人常用它泛指一個電力系統(或電網),這時其含義是不確切的,容易造成誤解。這是因為,即使在高壓電力系統中,也有部分變壓器的中性點不接地運行；甚至在全接地的超高壓和特高壓電力系統中,仍然存在著有的變壓器中性點經低電抗(低電阻)接地的情況。 美國電機工程師學會第32號標準對此作出了明確的規定：“當在系統或系統的指定部分的所有各點上,不論運行的情況如何,以及連接的發電機容量多大,零序電抗對正序電抗之比都不大于3,而且零序電阻對正序電抗之比不大于1時,該電力系統或系統

7、的一部分可被認為是中性性點有效接地的。” 這個標準沿用至今 ,在國際上得到廣泛的認同。 根據上述標準, 不論變壓器的中性點是直接接地 , 還是經低電阻或低電抗接地,只要在指定的系統內各點均滿足：零序等值電抗與正序等值電抗之比小于或等于3 （X0/X1 3） ；零序等值電阻與正序等值電抗之比小于或等于1 (R0/X11)，則該系統便屬于有效接地系統。 而所謂的電力系統中性點直接接地方式 ,不能直接反映上述的內涵,在實際工作中容易引起誤解,影響系統的安全運行。 例如,隨著我國經濟的發展,高壓輸電線路直接深入城市中心,有些新建的110-220kV終端變電所變壓器的中性點不接地運行,便有人認為出現了新

8、問題。 再如,有些人為了解決10kV 斷路器遮斷容量不足的問題,未經校驗便將220kV或110kV 變電所的母聯斷路器解列運行等。由此可見,對于專業人員來講,還是采用中性點有效接地這一術語更為貼切。 對于超高壓電力系統來說,由于廣泛采用了省料、節能的自耦變壓器,所以全部的中性點都保持直接接地,或在特殊需要時經低電抗(低電阻)接地運行。我國的 500kV系統全部采用自耦變壓器,其中性點的接地方式如此 , 世界各國的情況也相同。特高壓電力系統的中性點接地方式更是如此,無一例外。 這一中性點接地方式一般稱為中性點全接地方式,也有人稱之為中性點死接地方式。由于其零序阻抗遠較中性點有效接地方式時為小,所

9、以又可稱為中性點非常有效接地方式。四、“中性點非常有效接地”和“中性點全接地”五、“中性點非有效接地” 在電力系統各種中性點接地方式中,除了有效接地和非常有效接地 (即全接地方式)之外,都屬于中性點非有效接地的范疇。 主要是：中性點不接地、諧振接地和高電阻接地的小電流接地系統,等。 六、“中性點諧振接地”和“和中性點 經 消弧線圈接地” 中性點經消弧線圈接地,調諧為“共振接地”時，系統的零序阻抗接近無限大，接地點電流接近零。 不過,運行中的消弧線圈和現代的自動跟蹤補償裝置并不都是恰好在諧振點運行,在一般情況下它們多采用略微偏離諧振點的過補償運行方式。中性點經消弧線圈接地的電力系統通常稱為諧振接

10、地系統 在中性點有效接地的110、220kV 高壓電力系統中,因運行方式的改變或斷路器的自行跳閘,有時也會在某一區域內形成非有效接地的部分,這時應及時采取措施,使整個系統全部恢復到有效接地方式運行。第四節第四節 接地方式的劃分及電壓、電流接地方式的劃分及電壓、電流的互換特性的互換特性 電力系統的電壓等級較多,不同額定電壓電網的中性點接地方式也各有特點,適當對其進行劃分,有助于正確地理解、選擇和處理相關的問題。 一、中性點接地方式的劃分 從另外一種角度，可以將電力系統的中性點接地方式劃分為兩大類：（1）凡是需要斷路器遮斷單相接地故障者,屬于大電流接地方式；（2）凡是單相接地電流能夠瞬間自行熄滅者

11、, 屬于小電流接地方式。在大電流接地方式中,主要有：中性點非常有效接地方式；中性點有效接地方式，等。在小電流接地方式中,主要有：中性點不接地方式；中性點諧振(經消弧線圈)接地方式；中性點經高電阻接地方式等。 在小電流接地方式中,以諧振接地方式最受關注,其中涉及的技術問題較多,近來發展變化也較快。運行特性也已得到優化。 二、非故障相工頻電壓和單相接地故障電流 電力系統在正常運行中,對不同的中性點接地方式及其差異,基本上沒有反映。可是，當系統發生單相接地故障時,情況則大不一樣了。因中性點接地方式的不同,非故障相工頻電壓的升高和單相接地故障電流的大小也不相同。通常,以兩者的具體數值表征不同接地方式系

12、統的基本運行特性。 稱為接地程度系數。（以后用到） 10ZZk 三、電壓與電流的互換特性 對于非故障相的工頻電壓升高和故障點的單相接地電流，現以系統的額定電壓和三相短路電流為基礎用標么值來表示，則可發現兩者之間存在著互換的關系。 故障點接地故障電流的標么值 和非故障相工頻電壓升高的標么值 : （1-12） （1-13）從式中可知,隨著接地程度系數k值的增大,故障點的接地電流 減小,非故障相的工頻電壓 升高；反之,隨著接地程度系數k值的減小,故障點的接地電流增大,非故障相的工頻電壓降低。這就是電網發生單相接地故障時電壓與電流的互換特性。 AI*,CBU*32AIk2,*12B CkkUk*AI*

13、,CBU第五節第五節 接地程度系數與中性點接地方式的關系接地程度系數與中性點接地方式的關系 在接地程度系數和電力系統的中性點接地方式之間,存在著一定程度的對應關系。 圖1-6可以看出, 為諧振點,即系統的相對地容抗 與 發生諧振， 與 同時趨向于 ,此點只有理論意義。 2k UAI0C12X 實際上,對于運行中的電力系統來說, 值都大于零 , 故我們只需關注 的情況。 當 時,主要為中性點全接地系統； 當 時,主要為有效接地系統；當 時,為非有效接地系統,含過補償運行的諧振接地系統。k0k 01.5k 1.53k 3k 在1k+的范圍內, 隨著k值的增大, IA減小, U增大。 當系統的k值確

14、定后 , 單相接地故障情況下的非故障相的工頻電壓升高U和故障點的接地電流IA,也就相應確定了。 當k值達到+ 時， IA減小到零； U增大到-U 。 對于110kV以上的高壓、超高壓和特高壓電力系統來說,主要矛盾是限制工頻電壓的升高和降低絕緣水平的問題； 對于110kV以下的電力系統來說,主要矛盾 則轉化為限制單相接地故障電流的危害性,而降低絕緣水平變成次要問題； 對于110kV電壓等級的系統來說,則應視不同地區、國家的具體條件而定。這是電力系統求得最佳技術經濟指標的理論基礎。第六節第六節 不同接地方式系統的基本運行特性不同接地方式系統的基本運行特性 本節所謂不同接地方式電力系統的基本運行特性

15、是指： 電力系統中，當任何一相發生單相接地故障時,單相接地故障電流的大小和非故障相工頻電壓的高低 ，與不同的接地方式（對應于不同數值范圍的接地程度系數）的關聯特性 。 一、中性點有效接地和全接地系統1 有效接地系統 在中性點有效接地和非常有效接地的情況下 ,因 0k 3,故從計算結果和圖1-7中可知 , 三者的變化范圍分別是 : 為 為 或 為 AI(3)(1.5 0.6)I,B CU(0.866 1.249)U(0.500 0.721)AU0U(033 0.6)U 對于中性點有效接地的高壓電力系統 , 單相接地故障電流一般均小于三相短路電流 ,具體的數值需視k值而定。 如果單相接地故障電流大

16、于三相短路電流 , 則應減少中性點直接接地變壓器的容量或臺數。（從斷路器的選擇及零序過電流保護能夠正確動作方面考慮） 關于非故障相最大的工頻電壓升高和中性點位移電壓 , 一般均不會超過上述的上限值 ,也不會低于其下限值。 2 全接地 ( 非常有效接地 ) 系統 對于超高壓和特高壓的中性點全接地系統,單相接地故障電流偏向于上限方向 , 非故相工頻電壓升高和中性點位移電壓則偏向于下限方向。 其單相接地故障電流可能大三相短路電流。 運行經驗表明 , 隨著裝機容量和變電所的不斷增加 , 我國的華中、華東、東北等 500kV 系統已經出現了這一情況。為了便于選擇斷路器 , 應當采取適當的限制措施 , 例

17、如使中性點經低電抗接地或改變運行方式等。 二、中性點非有效接地系統主要討論中性點不接地系統和諧振接地系統。1 中性點不接地系統 前已明確,所謂的中性點不接地系統 , 實際上是中性點經過一定數值的容抗接地的。此時,系統的零序阻抗呈現容性,因接地程度系數 ， 可能高于相電壓,故非故障相 的工頻電壓升高將會略微超過線電壓。 實際上,中性點不接地的電力系統,其 k值的一般變化范圍為 ，零序阻抗很大。0k U40k 當系統的電容電流較小時 ,單相接地電弧自行熄滅后 , 容易導致電壓互感器的鐵心飽和激發起中性點不穩定過電壓,引起電壓互感器燒毀與高壓熔絲熔斷等事故。近來 , 我國有些單位 采用高電阻接地方式

18、來防止此種過電壓,有效果。 但是 ,當接地故障電流超過lOA 后 ,接地電弧便不能自行熄滅 ,又需要改變中性點接地方式。 試驗研究和運行經驗表明,當系統的電容電流達到10A時,便應當采用諧振接地方式 ,這樣才能提高供電可靠性,而高電阻接地方式的應用范圍是極其有限的。 2 諧振接地系統 諧振接地系統的中性點一般經消弧線圈 ( 自動或手動調諧電感 ) 接地 , 也可采用消弧變壓器。 從理論上可以這樣考慮 , 將系統的三相對地分布電容集中在一個( 或幾個 )變壓器的中性點上, 同時與該集中電容并聯一個( 或幾個 ) 調諧電感 , 對電感值進行調整,使之靠近諧振點運行。雖然調諧電感是一個很有限的數值

19、, 但卻可使X0 趨近無限大 , 諧振接地系統的基本運行特性也就由此確定。 當消弧線圈過補償運行時 , 失諧度 vO, Z0 - , IA 同樣很小 ,但此時為容性 。 顯然 , 因k , 則 IA 0, UB,C 。故UB,C的最大值只能等于而不會超過 。因此 , 諧振接地系統同樣應當選用 100% 的避雷器 , 其工作條件較中性點不接地電網有利。UU三、中性點經電阻接地系統 中性點經電阻接地后 , 可以屬于有效和非常有效接地系統 , 也可以屬于非有效接地、甚至小電流接地系統 , 具體情況需視電阻的數值而定。 超高壓和高壓電力系統超高壓和高壓電力系統 中 , 為了提高動態穩定 , 有的變壓器

20、中性點是經低電阻接地的。 中壓電網中壓電網 ： 中性點經高電阻接地可以限制電弧接地過電壓。但是系統的單相接地電容電流應不大于lOA,（保證接地電弧瞬間自行熄滅 ），所以此方法的適用范圍受到限制 。 若改為低電阻接地方式，電網的接地電容電流便可不受限制。 中性點若采用中電阻接地方式 , 接地故障電流一般不應超過 200A, 最大不應超過300A。但是，當系統發生高阻接地故障時，零序過電流保護的靈敏度明顯降低 , 較難保證動作。 但是，中壓電網采用低、中電阻接地時都使供電可靠性降低。 當今 , 電網的負荷特性發生了變化 , 用戶對電能質量的要求明顯提高，IEC絕緣配合標準已經改變，特別是小電流接地

21、系統繼電保護的選擇性和消弧線圈的自動調諧問題已經解決。在這種新的情況下 , 再為中壓選擇中性點經電阻的接地方式 , 應當慎重考慮行事。第七節第七節 發電機中性點的接地方式發電機中性點的接地方式 當選定發電機中性點的接地方式時 , 因發電機、特別是大型發電機定子鐵心的燒損會給檢修和運行帶來許多問題 , 故對單相接地故障電流的限制比在電網中要嚴格得多。 CIGRE 第 6 工作組 (SC23-06) 于 1988 年的調查報告中也明確指出:“在選擇發電機的中性點接地方式時 , 99% 絕對多數的用戶主張把接地故障電流保持在非常低的水平”。 當今世界各國的大型發電機應用較多的中性點接地方式，為諧振接

22、地和經高電阻接地兩種。 對于大型的水輪發電機來說，從安全接地電流方面考慮 , 高電阻接地方式的應用會受到限制；而諧振接地方式由于單相接地繼電保護問題已經解決，當需要時同樣可以自動瞬間跳開故障的發電機 , 故其適應范圍可實際不受限制 。 第八節第八節 不同接地方式的適用范圍不同接地方式的適用范圍 大電流接地系統主要包括中性點非常有效接地和有效接地系統 , 有時為了限制單相接地故障電流或提高系統穩定 , 在上述的中性點非常有效接地 、有效接地的電力系統中 , 間或有少數中性點是經低電抗或低電阻接地運行的。 中性點非常有效接地方式廣泛適用于國內外 330kV 以上電壓等級的超高壓、特高壓電力系統。

23、中性點有效接地方式適用于我國的 110 、 220kV, 有時也含 330kV 系統 , 以及國際上與此相近電壓等級的電力系統。 小電流接地方式廣泛適用于我國的 110kV以下的中壓系統 , 以及國際上與此相近電壓級的電力系統。 中性點不接地和經高電阻接地方式 ( 發電機經高電阻接地方式例外 ) , 均以單相接地故障電流的電弧自行熄滅為條件的。當中性點不接地的中壓系統的接地電容電流超過 lOA 時 , 中性點應過渡為諧振接地方式。 為了防止諧振過電壓事故 , 我國有的地區推薦采用高電阻接地方式 , 因電弧不能自行熄滅 , 現又建議改為高阻抗 ( 高電阻與消弧圈串聯的 ) 接地方式 。其實 ,

24、直接改為諧振接地方式問題就全部解決了。 在中壓系統中 , 還有中性點經低、中電阻和直接接地等方式 , 這些均屬大電流接地范疇。 就世界范圍來說 , 此種情況基本上是在小電流接地系統的繼電保護選擇性尚未解決期間形成的。 小電流接地系統繼電保護選擇性問題在國內外均已取得了突破性的進展 , 能夠準確地判斷發生單相接地故障的線路，并且發出接地報警信號 , 也可作用于自動跳閘或延時跳閘。 與此同時 , 自動跟蹤補償的消弧線圈等裝置也正在不斷推廣。現代技術使小電流接地系統的運行特性得到了顯著優化， 這就為包括電纜網絡在內的城市電網采用諧振接地方式創造了十分有利的條件。 一些國家的中壓電網,由于歷史慣例等等原因 , 中性點依然保持著大電流的接地方式,這些電網一般處于經濟發達的國家,如美國等。由于他們從系統規劃開始就對可靠性指標有明確規定,加上系統備用容量大、設備性能好、自動裝置和管理水平高等諸多有利條件,所以，他們的電力系統也可以運行在較高的水準上。 但是,由于電纜線路的增多,接地電容電流迅速增大，加上電力負荷特性的改變和電能質量標準的提高等原因,在斷路器切除故障線路的過程中, 故障點附近形成的跨步電壓和接觸電位差,以及系統中形成的電磁浪涌等,均容易造成人身傷亡與低壓設備