电力网中性点接地方式分析及应用
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摘要：我国电力系统中性点接地方式主要有两种：一是中性点直接接地方式。它的优点是：过电压数值小，绝缘水平低，投资少、经济。缺点是：由于单相接地电流大，故接地保护必须作用于跳闸，从而增加了停电的机会。二是中性点非直接接地方式。它的优点是：发生单相接地时，接地电流小，系统线电压仍保持对称性，不影响对负荷的供电，提高供电的可靠性。缺点是：过电压数值大，电网绝缘水平高，因而投资大，不经济。这两种方式在保护整定、绝缘监视等方面有着广泛的应用。
关键词：中性点 接地 分析 应用
一、 接地方式的分类与特点
我国电力系统中性点接地方式主要有两种：中性点直接接地方式（包括中性点经小电阻接地方式）和中性点非直接接地方式（包括中性点经消弧线圈接地方式）。中性点直接接地系统（包括中性点经小电阻接地系统），发生单相接地故障时，接地短路电流很大，这种系统亦称为大电流接地系统。中性点不接地系统（包括中性点经消弧线圈接地系统）发生单相接地故障时，由于不构成短路回路，接地电流往往比负荷电流小得多，故亦称为小接地电流系统。划分的标准在我国为：X0/X1≥4～5 的系统属于大接地电流系统，X0/X1≤4～5 的系统属于小接地电流系统；X0 为系统零序电抗，X1 为系统正序电抗。
中性点直接接地电力网的优点是：过电压数值小，绝缘水平低，因而投资少、经济。但由于单相接地电流大，故接地保护必须作用于跳闸，从而增加了停电的机会。此外，由于接地时短路电流大，电压急剧下降，还可能导致电力系统动态稳定的破坏：接地时产生的零序电流还会造成对通信系统的干扰。中性点非直接接地电力网的主要优点是：发生单相接地时，接地电流小，系统线电压仍保持对称性，不影响对负荷的供电。因此接地保护可以不作用于跳闸而作用于信号。这可大大地减少停电的次数，提高供电的可靠性，不过为了避免故障扩大成两点或多点接地故障，当接地保护发信号后，运行人员必须及时处理，
消除故障。一般允许带着一点接地故障运行1～2 小时。中性点非直接接地电力网的主要缺点是过电压数值大，电网绝缘水平高，因而投资大，不经济。单项接地时非故障相对地电压升高1.732 倍，存在电弧接地过电压的危险。此外，接地保护也较中性点直接接地电力网复杂。在我国，110KV 及以上的系统采用中性点直接接地方式，66KV 及以下系统采用中性点非直接接地方式。
二、不同接地系统发生单相接地故障的分析
1、中性点直接接地电力网单相接地短路时零序电压和零序电流的分布。由对称分量法的分析中我们知道，三相系统不平衡时会出现零序分量。因此，中性点直接接地电力网任一点接地短路时，都会出现零序电压U0 和零序电流I0。由对称分量法可知：
U0=1/3（Ua+Ub+Uc）或3U0=Ua+Ub+Uc
I0=1/3（Ia+Ib+Ic） 或 3I0 =Ia+Ib+Ic
当A 相某点接地时，在故障点的电压Uak=0，通过故障点的电流Iak 为短路电流Ik。其他两相电流为零（不计负荷电流）。由上述条件可知，A 相接地短路时，零序电流为短路电流的1/3，即3I0=Ik。而零序电压为非故障相的向量和的1/3，即3U0=Ub+ Uc，此时零序电压滞后零序电流90o。为了利用零序电压和零序电流构成零序保护，需要了解零序电压和零序电流分布的规律。零序电流的产生，可以看成各相都在短路点连接起来，然后在故障点加了一个零序电压Uko，在Uko 的作用下，三相都流过零序电流I0，假设零序电流I0 的方向以流向故障点为正方向；零序电压的方向Uo 的方向以线路指向大地为正方向（即线路的电压比大地高），则零序电流I0 的路径为从接地点经大地流向变压器中性点，在经变压器流向线路。由此可知，零序电流的分布和变压器中性点是否接地有关。如果系统中有几台变压器的中性点同时接地，则从接地点流出的零序电流将经大地，分别流向各台变压器的中性点，在经变压器和线路流回故障点。由此可知，零序电流的分布主要决定于变压器的中性点是否接地，而和发电机电源无关。发电机容量的大小只影响零序电流值的大小而不影响零序电流的分布。零序电流流过变压器绕组时，将在变压器的其他绕组感应出电势来，但是只有当其他绕组侧存在零序电流的通路时，连接在其他侧的元件上才有零序电流通过。如果其他侧有三角形接线的绕组，因三相零序电流方向相同，大小相等，零序电流将只在三角形接线是绕组所连接的元件上。如果其他侧也为中性点接地的星形接线，则只有当存在零序电流通路时才能有零序电流通过。接地故障时零序电压的沿线路的分布为故障时零序电压最大，离故障点越远，零序电压越小，在变压器中性点接地处的零序电压为零。因而母线处的零序电压UMO=IZT0，此式说明M 母线处的零序电压相量和零序电流相量间的相角差只决定与变压器的零序阻抗角，而与被保护线路的阻抗角无关。零序功率等于零序电流和零序电压的乘积。从零序电流和零序电压的关系看出，零序功率是从短路点经线路向变压器中性点发送的，因此零序功率的方向以线路流向母线为正方向。
2、中性点非直接接地电力网单相接地短路时电压和电流的分布。中性点非直接接地电力网正常运行时，由于三相对地电容C 相同，故在三相对称电压作用下，三相电容电流相同，电容中性点电位和电源中性点电位相同。由于三相电容中性点接地，电位为零，故电源中性点电位也为零。由I=UjwC0 可知，各相对地电容电流超前相应的相电压U900。中性点不接地的电力网发生单相接地时（如A 相接地），A 相和地同电位，A相对地电压Uak 为零。B 相对地电压增大1.732 倍，C 相对地电压也增大1.732 倍。即接地时电网会出现零序电压U0，其大小等于电网正常工作时的相电压，方向和接地故障前电压相量相反。这时故障相电压将为零；中性点对地的电压由零变为-E。由于中性点不接地电力网发生单相接地时不能构成短路回路，因此各相对地短路电流仅为电容电流。各相电容电流仍超前各相电压900，只是各相电压的大小和相位变了，故电容电流的大小和相位也随着改变。A 相电压Uak=0，故A 相电容电流也为0，B 相和C 相对地电压增大1.732 倍，故B 相和C 相电容电流在数值上也增大1.732 倍。A 相接地时电容电流由发电机流出，流向非故障相的接地电容，在接地点汇合，再流回发电机。在非故障线路上流过的零序电流3I0 为线路本身B相和C 相的接地电容电流之和，该零序电流超前零序电压900，电容电流的方向是从母线流向线路。故障线路始端流过的零序电流3Iof 为所有非故障线路的接地电容电流的和，其方向是从线路流向母线，该零序电流滞后零序电压900。
3、中性点经消弧线圈接地的电力网单相接地时电流的分布。中性点非直接接地电力网发生单相接地故障时，接地电流将流过接地线路相应电压等级的电网的全部对地电容电流，如果此电容电流相当大，就会在接地点产生电弧，引起弧光过电压，从而使非故障相对地电压极大增加。在电弧接地过电压的作用下，可能导致绝缘损坏，造成两点或多点的接地短路，使事故扩大。其次，当各级电压单相接地故障时，如果接地电容电流超过一定数值就在中性点装设消弧线圈。利用消弧线圈的感性电流补偿接地故障时的容性电流，使接地故障电流减少，达到自动熄弧持续供电的目的。
消弧线圈接地的电力网单相接地故障时（设A 相接地），电压变化情况和中性点非直接接地电力网一样，电容电流由发电机流出，流向各线路和发电机的非故障相的接地电容，然后在接地点汇合流回发电机。同时由于中性点对地电压升高至相电压，该电压作用在消弧线圈上，就产生一感性电流IL，IL 在相位上滞后零序电压U0900，而电容电流I 在相位上超前零序电压U0900。故I 和I 在相位上相差1800。IL 由中性点流出，经消弧线圈流向接地点，正好对电容电流起补偿作用。从接地故障点流回的电流为消弧线圈的感性电流IL 和全系统是接地电容电流总和IC相消后的残余电流，为防止铁磁共振过电压，消弧线圈一般采用过补偿方式，即IL>IC，就是说残余电流为感性电流，相位滞后零序电压900。过补偿多少用补偿度S表示，S=IL-IC/IC，补偿度一般为5%～10%最大不超过20%，但位移电压超过允许范围时可过补偿20%以上，如消弧线圈容量不够时，可采取欠补偿5%～20%。
三、 实际应用
1、零序电流保护在中性点直接接地系统中的应用。在110KV 及以上的中性点直接接地电力网中，单相接地故障发展而来的，因此有必要设置接地保护，以切除接地故障（虽然相过流保护也能反映接地故障，但过电流保护的整定值必须躲开最大负荷电流，反映接地故障不灵敏）。考虑到接地故障时会出现零序分量，因此利用接地故障特有的零序分量构成接地保护就具有较大的优越性。由于对称平衡的三相系统不会出现零序分量，故零序电流保护的整定值不需要躲过电力系统的振荡电流，三相短路电流和最大负荷电流，因此零序电流保护的整定值较小，从而可提高保护的灵敏度；由于零序电流不会流出三角形接线的变压器组，因此线路的零序电流保护不需和Y/接线的降压变压器低压侧的线路保护配合，因而动作时限较小；由于零序电流的分布和发电机电源无关，且零序电流的大小受电源影响也较小，因此系统运行方式的变化对零序电流的保护的影响也较小；由于线路的零序阻抗X0 比正序阻抗X1 大得多，因此在线路的始端中部和末端短路时，零序电流的变化较正序电流大，故零序电流随线路阻抗变化的曲
线较陡，且受运行方式影响较小。而零序速断的保护范围是由零序速断的整定值直线和零序电流曲线的交点决定的，因此零序速断的保护范围较大。零序电流保护具有以上的优点，因此在110KV 及以上的中性点直接接地电力网中，广泛采用零序电流保护作为接地保护。实际中要用方向性零序电流保护。在多电源或多电源的网络中，电源侧至少有一台变压器的中性点要接地。当接地故障时每台接地变压器的中性点都有零序电流流过，且零序电流的实际流动方向都是由故障点流向中性点。因此，在多个变压器中性点接地的网络中，也需要考虑零序电流保护动作的方向性，以保证保护动作的选择性。对可能误动作的保护应加装零序功率方向元件，使功率方向元件只在被保护线路内部故障，即假设的功率方向从母线流向被保护线路时动作，而在假设的功率方向从被保护线路流向母线时不动作。
2、绝缘监视装置在中性点非直接接地电力网的应用。中性点非直接接地电力网发生单相接地故障时，会出现零序电压，使故障相对地电压降为零，非故障相对地电压升高。因此利用系统母线电压的变化，可以测知该系统是否发生接地故障。绝缘监视装置就是为此目的装设的。绝缘监视装置中的电压表装在母线电压互感器的二次绕组和开口三角形绕组上，由于正常运行时三角电压的相量和为零，没有零序电压，故开口三角形绕组无输出电压，过电压继电器不会动作。当系统
发生一点接地故障时，开口三角形绕组处出现零序电压，过电压继电器就动作，发出接地信号。绝缘监视装置只能判别哪相发生接地故障，而不能判别哪条线路发生接地故障，因此当发生接地信号时，运行人员为了寻找故障线路，还需逐一断开各条线路。当断开某条线路，接地现象消失时，该线路就是故障线路。由于中性点不接地电力网发生一点接地时不构成短路回路，短路电流很小，且三相之间的线电压
是对称的，不影响供电，因此一般情况下允许继续运行1～2 个小时，这对处理单相接地故障是有利的。
3、零序电流保护在非直接接地系统的应用。在线路较多的辐射式电网中，通常装设零序电流保护来实现有选择的接地保护。零序电流保护由零序电流滤过器和电流继电器组成。零序电流滤过器通常是用环形或矩形的零序电流互感器套在被保护的电缆线路或经电缆引出的架空线路上，其励磁阻抗和电流继电器线圈阻抗相匹配，从而获得最大的功率输出，使保护的灵敏度得以提高。零序电流保护动作时，除有特殊要求者外，一般都作用于信号。
4、变压器中性点接地方式的安排。变压器中性点接地方式的安排应尽量保持变电所的零序阻抗基本不变。当变电所只有一台变压器时，则中性点应直接接地，当变压器检修时，可做特殊运行方式处理，如改定值或按规定停用、起用有关保护段；当变电所有两台及以上变压器时，应只将一台变压器中性点直接接地运行，当该变压器停运时，将另一台中性点不接地变压器改为直接接地；双母线运行的变电所有三台及以上变压器时，应按两台变压器中性点直接接地方式运行，并把它们分别接于不同的母线上，当其中一台中性点直接接地变压器停运时，将另一台中性点不接地变压器改为直接接地；为了改善保护配合关系，当某一短线路检修停运时，可以用增加中性点接地变压器台数的方法来抵消线路停运对零序电流分配关系产生的影响；自耦变压器和绝缘有要求的变压器中性点必须直接接地。
四、 总结
综上所述，220KV 系统采用中性点直接接地方式，变压器中性点接地的安排应根据实际情况确定，以满足继电保护和自动装置的要求。66KV 系统通常经消弧线圈接地，系统中应分布一定容量的消弧线圈，以满足系统补偿的需求，如消弧线圈容量不足时应采取欠补偿方式运行。
参考文献
[1]电力系统稳态分析 陈珩编
[2]电力系统继电保护原理 贺家李 宋从矩编
[3]沈阳电力系统调度运行规程 付赢等编