聶善峰

(中鋁工業(yè)服務(wù)有限公司， 北京 102209)

1 問題的提出

工業(yè)企業(yè)中供配電系統(tǒng)中性點(diǎn)接地是為保證系統(tǒng)正常工作及在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，能迅速排除故障，并使得供電系統(tǒng)能繼續(xù)運(yùn)行的一種接地方式。對(duì)于大多數(shù)企業(yè)的3～10 kV中壓系統(tǒng)而言，供配電系統(tǒng)多是由3～10 kV電纜線路構(gòu)成，按《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合DL/T 620—1997》中規(guī)定，當(dāng)單相接地故障電容電流不超過30 A時(shí)，應(yīng)采用不接地方式；當(dāng)超過30 A又需在接地故障條件下運(yùn)行時(shí)，應(yīng)采用消弧線圈接地方式；6 kV和10 kV配電系統(tǒng)以及發(fā)電廠的廠用電系統(tǒng)，在預(yù)期單相接地故障電容電流較小時(shí)，為防止系統(tǒng)諧振、間歇性電弧接地引起的過電壓等對(duì)設(shè)備的損害，可以采用高電阻接地方式。

2 目前工業(yè)企業(yè)內(nèi)3～10 kV中壓系統(tǒng)中中性點(diǎn)接地方式的種類及優(yōu)缺點(diǎn)

我國(guó)早期曾規(guī)定：將電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式分為兩類：小接地短路電流系統(tǒng)和大接地短路電流系統(tǒng)。因故障條件下的接地短路電流大小無法用電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式分類來明確界定，故改稱為中性點(diǎn)有效接地系統(tǒng)和中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)。

電力系統(tǒng)中性點(diǎn)有效接地，不僅包括直接接地系統(tǒng)，還包括經(jīng)低值阻抗(低值電阻器或低值電抗器)接地，同時(shí)要求全系統(tǒng)的零序電抗(X0)與正序電抗(X1)之比(X0/X1)為正值并小于3，零序電阻(R0)與對(duì)正序電抗(X1)之比為正值并小于1。反之則為中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)。

中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地和不接地系統(tǒng)一般稱為電力系統(tǒng)中性點(diǎn)非有效接地。按運(yùn)行需要可將配電網(wǎng)中性點(diǎn)與參考地的電氣連接方式分為不接地、經(jīng)消弧線圈接地、經(jīng)(高、中、低值)電阻器接地、經(jīng)低值電抗器接地及直接接地等。這些中性點(diǎn)接地方式又各具獨(dú)自的優(yōu)缺點(diǎn)。

2.1 配電網(wǎng)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

配電網(wǎng)中性點(diǎn)不接地是指電網(wǎng)中性點(diǎn)沒有任何一點(diǎn)人為與大地進(jìn)行直接連接。事實(shí)上，由于配電系統(tǒng)中線路和設(shè)備的對(duì)地電容，這樣的配電網(wǎng)還存在通過對(duì)地電容接地，電網(wǎng)發(fā)生單相接地時(shí)，其故障穩(wěn)態(tài)工頻電流較同規(guī)模的中性點(diǎn)經(jīng)低值阻抗接地的配電系統(tǒng)小。

2.1.1 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)主要優(yōu)點(diǎn)

(1)雷擊絕緣閃絡(luò)瞬時(shí)故障無需跳閘，可自動(dòng)消除。

(2)如發(fā)生金屬性接地故障，系統(tǒng)可短時(shí)單相接地運(yùn)行，即電網(wǎng)可短時(shí)不間斷供電，相對(duì)而言提高了電網(wǎng)的供電可靠性。

(3)預(yù)期穩(wěn)態(tài)接地電流小，預(yù)期及實(shí)際地電位升高較小。減小了故障時(shí)的跨步電壓和接觸電壓。同時(shí)對(duì)信息系統(tǒng)的干擾小，對(duì)低壓配電網(wǎng)的反擊小等。

(4)經(jīng)濟(jì)方面則節(jié)省了中性點(diǎn)接地設(shè)備，因此接地系統(tǒng)投資少。

2.1.2 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)缺點(diǎn)

(1)與中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地系統(tǒng)相比，會(huì)產(chǎn)生高的過電壓(如弧光過電壓和鐵磁諧振過電壓等)，對(duì)弱絕緣來說擊穿概率加大。

(2)在發(fā)生間歇性電弧接地故障時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大的高頻振蕩電流，可達(dá)數(shù)百安培，有可能引發(fā)相間短路。

(3)故障定位是該方式的難點(diǎn)，不能正確迅速切除接地故障線路。

2.2 配電網(wǎng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的優(yōu)缺點(diǎn)

配電網(wǎng)中性點(diǎn)諧振接地是指配電網(wǎng)內(nèi)一個(gè)或多個(gè)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈與大地連接，設(shè)計(jì)使消弧線圈的穩(wěn)態(tài)工頻感性電流對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)工頻容性電流進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，目的是使得在發(fā)生接地故障時(shí)具有小的殘流，并有可能自行消除。因此，中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)所具有的優(yōu)點(diǎn)，中性點(diǎn)消弧線圈接地系統(tǒng)全有并更有優(yōu)勢(shì)些。同樣，中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的缺點(diǎn)，中性點(diǎn)消弧線圈接地系統(tǒng)亦都具備，僅是出現(xiàn)最大幅值弧光過電壓的預(yù)期概率會(huì)小些。這是因?yàn)榻?jīng)消弧線圈補(bǔ)償后降低了單相接地時(shí)的發(fā)生電弧的概率。

消弧線圈接地方式的使用是否可靠，很大程度上還取決于消弧線圈、自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)、選線裝置等裝置本體的可靠性。

2.3 配電網(wǎng)中性點(diǎn)直接接地的優(yōu)缺點(diǎn)

配電網(wǎng)中性點(diǎn)直接接地是指配電網(wǎng)中全部或部分運(yùn)行變壓器的中性點(diǎn)沒有設(shè)置人為阻抗加入，并直接與大地(地網(wǎng))充分連接。使該電網(wǎng)處達(dá)到R0≤X1和X0/X1≤3的規(guī)范要求。

中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)發(fā)生接地故障時(shí)，產(chǎn)生的內(nèi)部過電壓較低，可采用較低絕緣水平設(shè)備與電纜，節(jié)省系統(tǒng)基建投資。

(2)因接地電流是有功的，發(fā)生接地故障時(shí)，故障易定位，可以正確迅速切除接地故障線路。

中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)的缺點(diǎn)如下：

(1)接地故障線路迅速切除，供電連續(xù)性較差。

(2)接地電流大，故障點(diǎn)地電位上升較高。這樣可能增加電力設(shè)備損傷。

(3)接觸電壓和跨步電壓增大。

(4)對(duì)信息系統(tǒng)干擾增大。

(5)對(duì)低壓網(wǎng)的反擊增大。

2.4 配電網(wǎng)中性點(diǎn)電阻器接地的優(yōu)缺點(diǎn)

配電網(wǎng)中中性點(diǎn)接入電阻器，其目的是限制接地故障電流。采用中性點(diǎn)經(jīng)電阻器(每相零電阻R0≤XC0每相對(duì)地容抗)接地，理論上可以消除中性點(diǎn)不接地和消弧線圈接地系統(tǒng)的缺點(diǎn)，既降低了瞬態(tài)過電壓幅值，又使靈敏而有選擇性的故障定位的接地保護(hù)得以可靠實(shí)現(xiàn)。這種系統(tǒng)的實(shí)際接地電流比直接接地系統(tǒng)的小，故地電位升高及對(duì)信息系統(tǒng)的干擾和對(duì)低壓電網(wǎng)的反擊都會(huì)減弱。因此，中性點(diǎn)電阻器接地系統(tǒng)同時(shí)具有中性點(diǎn)不接地及消弧線圈接地系統(tǒng)或直接接地系統(tǒng)的某些優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)然，也或多或少存在這兩種接地方式的一些缺點(diǎn)。

按限制接地故障電流大小的要求不同目的，分高、中、低值電阻器接地系統(tǒng)，具體的優(yōu)缺點(diǎn)亦不相同。

2.4.1 中性點(diǎn)高值電阻器接地系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

中性點(diǎn)高值電阻器接地系統(tǒng)是指限制接地故障電流水平在10 A以下，高電阻接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)符合每相零序電阻R0≤XC0(每相對(duì)地容抗)的原則，用以限制由于系統(tǒng)間歇性電弧接地故障時(shí)產(chǎn)生的瞬態(tài)過電壓。其優(yōu)點(diǎn)：

(1)可以防止和阻尼諧振過電壓，以及間歇性電弧接地過電壓，其值在2.5PU及以下。

(2)可限制接地電流水平為10 A以下，減小了預(yù)期及實(shí)際地電位升高。

(3)可能帶單相接地故障短時(shí)運(yùn)行，接地故障可以不立即消除。

缺點(diǎn)：使用范圍受到限制，一般用于小規(guī)模的6～10 kV配電網(wǎng)絡(luò)和發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)。

2.4.2 中性點(diǎn)中值電阻器接地系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

為了克服高值和低值接地系統(tǒng)的弊端而保留其優(yōu)點(diǎn)，可以考慮采用中值電阻。使接地故障電流控制在50～100 A，但仍保留了低水平的內(nèi)過電壓、較小的地電位升高、正確迅速切除接地故障線路等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)亦具有待切除接地故障線路的不連續(xù)供電等缺點(diǎn)。

3 3～10 kV中壓系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地的理論分析

采用中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地的目的，一方面是為了限制接地故障電流，防止大電流對(duì)故障點(diǎn)設(shè)備和線路造成嚴(yán)重的燒傷和損壞，另一方面是為了限制中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)所產(chǎn)生的異常過電壓，以使系統(tǒng)和電氣設(shè)備的絕緣不遭受破壞。采用電阻接地，是介于中性點(diǎn)不接地和中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)之間的一種中間系統(tǒng)，兼有二者之長(zhǎng)。

在系統(tǒng)中性點(diǎn)接入一個(gè)電阻，可以限制其接地故障電流值，是顯而易見的，要分析中性點(diǎn)接入電阻后限制過電壓，要從單相接地時(shí)產(chǎn)生的諧振過電壓來分析。當(dāng)平衡的三相系統(tǒng)中單相(設(shè)A相，VA)接地時(shí)，其故障條件(邊界條件)為：

UA=0，IB=0，IC=0。

滿足該故障電壓及三個(gè)電流序量相等的復(fù)合序網(wǎng)如圖1所示。

圖1 故障電壓及三個(gè)電流序量相等的復(fù)合序網(wǎng)

應(yīng)用對(duì)稱分量法，求得非故障相(B相和C相)的對(duì)地電壓分別為：

對(duì)于系統(tǒng)和線路，可取Z1=Z2，并且a2+a+1=0，則有：

(1)

同樣，可求出C相電壓為：

(2)

當(dāng)h≈0時(shí)，

(3)

(4)

(5)

(6)

對(duì)于中性點(diǎn)接入電阻RN，等效與相- 地間電容C0并聯(lián)，其零序阻抗Z0近似等于二者并聯(lián)。

(7)

(8)

XC0為系統(tǒng)對(duì)地的總?cè)菘埂?/p>

4 作為結(jié)論的幾點(diǎn)建議

供配電系統(tǒng)中性點(diǎn)接地問題，是一個(gè)綜合的技術(shù)問題。它的確定與選擇，與系統(tǒng)供電的可靠性、過電壓與絕緣水平、繼電保護(hù)以及對(duì)通訊的干擾、電力系統(tǒng)的穩(wěn)定都有關(guān)系。本文僅探討了工業(yè)企業(yè)電力系統(tǒng)電阻接地的應(yīng)用理論基礎(chǔ)。各種中性點(diǎn)接地方式都各有特點(diǎn)，每種方式都只有在一定的條件下使用才是合理的。電阻接地方式也是如此?，F(xiàn)就工業(yè)企業(yè)6～10 kV中壓供電系統(tǒng)，關(guān)于接地電阻的使用，除在使用中注意同一電壓系統(tǒng)應(yīng)只有一點(diǎn)接地外，提出如下參考建議：

(1)對(duì)于連續(xù)供電要求高的企業(yè)及工藝生產(chǎn)裝置，當(dāng)電容電流估算超過30 A時(shí)，企業(yè)又處在多雷害地區(qū)，在架空線路較多時(shí)，則以采用消弧線圈接地方式為宜。系統(tǒng)采用消弧線圈接地后，仍可容許在2小時(shí)內(nèi)檢查及排除故障連續(xù)供電，對(duì)暫時(shí)的接地能自行消除，不需斷路器跳閘，能限制過電壓在容許的范圍內(nèi)。但其缺點(diǎn)是操作維護(hù)較復(fù)雜，繼電保護(hù)困難，接地裝置費(fèi)用高，僅在必須時(shí)采用。

(2)當(dāng)電容電流估算超過30 A時(shí)，而對(duì)連續(xù)供電的可靠性又沒有較高要求時(shí)，應(yīng)采用低值電阻接地。這是因?yàn)楫?dāng)預(yù)期接地故障電流太大時(shí)，如果采用中性點(diǎn)不接地，暫時(shí)性的接地電弧不能自動(dòng)熄滅，過電壓危險(xiǎn)增加，當(dāng)單相接地故障不能及時(shí)排除時(shí)，往往會(huì)發(fā)展成為相間短路故障。我國(guó)規(guī)程規(guī)定，應(yīng)采用消弧線圈接地方式接地。當(dāng)供電可靠性要求不高或者繼電保護(hù)裝置的快速反應(yīng)能滿足供電要求時(shí)，采用低值電阻接地還是可以的。但采用低值電阻接地比采用消弧線圈接地方式接地的供電可靠性較低。低值電阻接地帶來的主要缺點(diǎn)是當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)要中斷對(duì)故障回路的供電。供電的可靠性還可以從系統(tǒng)的設(shè)計(jì)解決。

(4)當(dāng)電網(wǎng)電容電流在10 A以下，而對(duì)連續(xù)供電的可靠性又有較高要求的系統(tǒng)，尤其是在3～10 kV配電母線上有大量的旋轉(zhuǎn)電機(jī)直接連接的場(chǎng)合，可優(yōu)先選擇高電阻接地的方式。因?yàn)橥ㄟ^上述分析，高電阻接地能限制異常過電壓，在發(fā)生單相接地故障時(shí)，允許持續(xù)帶電運(yùn)行，直到有計(jì)劃的排除接地故障，對(duì)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)來說，其絕緣最為薄弱，而又要求有較高的供電可靠性。采用高電阻接地是合適的，比采用消弧線圈簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)。