電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式分析

沈培鋒

魯南技師學(xué)院 276000

引言

最常見(jiàn)的220V/380V低壓電力系統(tǒng)為三相四線制，存在三根相線和一根零線，其中零線引自電源（發(fā)電機(jī)或變壓器二次線圈）的中性點(diǎn)。通常在低壓供電系統(tǒng)中，電源的中性點(diǎn)是接地的，這種低壓供電系統(tǒng)，由于能夠方便地為三相負(fù)荷提供380V的三相電源，又能夠?yàn)閱蜗嘭?fù)荷提供220V的單相電源，因此應(yīng)用極為廣泛。本文將通過(guò)讀者容易理解的“地圖法”介紹其相電壓與線電壓之間的比值關(guān)系，并在讀者對(duì)“地圖法”有所掌握的基礎(chǔ)上，介紹我國(guó)常見(jiàn)的高壓供電系統(tǒng)的中性點(diǎn)不同接地方式及其特點(diǎn)，使讀者對(duì)高壓電力系統(tǒng)不同接地方式的采用原因加以理解。在高壓供電系統(tǒng)中一般存在三種中性點(diǎn)接地方式：1）中性點(diǎn)不接地；2）中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地；3）中性點(diǎn)直接接地。本文將對(duì)以電源中性點(diǎn)的上述三種接地方式的特點(diǎn)進(jìn)行逐一分析，其中筆者總結(jié)的“地圖法”將為讀者理解相關(guān)內(nèi)容提供幫助。

1 中性點(diǎn)直接接地的220/380V低壓供電系統(tǒng)

圖1-a是中性點(diǎn)直接接地的220/380V低壓供電系統(tǒng)的電路圖，其中任何一根相線與零線之間的電壓為220V，任何兩根相線之間的電壓為380V，它們之間的電壓數(shù)量關(guān)系可以用“地圖法”來(lái)說(shuō)明：如圖1-b為一張“地圖”,上面標(biāo)注了U、V、W、N共四個(gè)點(diǎn)，其中U、V、W三個(gè)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)邊長(zhǎng)為220m的等邊三角形，N點(diǎn)恰好位于等邊三角形的中央。只要用尺子量一下就會(huì)發(fā)現(xiàn)，N點(diǎn)與U、V、W任何一點(diǎn)之間的長(zhǎng)度均為220m。如果實(shí)際距離的220m和380m距離過(guò)遠(yuǎn)，不便于測(cè)量的話，讀者可以在紙上畫(huà)出邊長(zhǎng)為380mm的等邊三角形，量一下中心點(diǎn)N到U、V、W任何一個(gè)頂點(diǎn)的距離均為220mm。在是中性點(diǎn)直接接地的220/380V低壓供電系統(tǒng)中，U、V、W、N四個(gè)點(diǎn)之間的電壓關(guān)系與“地圖法”中U、V、W、N四個(gè)點(diǎn)之間的距離關(guān)系是一樣的。如果把220 看做為1，則380可以看做（220/380=1/ ， ≈1.732），以上關(guān)系可用圖1-c表示。

圖1 中性點(diǎn)直接接地的220/380V低壓供電系統(tǒng)

“地圖法”是筆者用來(lái)解釋三相供電系統(tǒng)中的電壓關(guān)系而采用的方法，這種方法易于讀者理解和掌握，避免了讀者花大量的時(shí)間學(xué)習(xí)正弦函數(shù)的加減運(yùn)算，也避免去了讀者學(xué)習(xí)“相量法”而遭受抽象理解之苦?！暗貓D法”也會(huì)給讀者理解以下三方面的知識(shí)提供幫助。

2 中性點(diǎn)不接地的高壓供電系統(tǒng)

2.1 采用的情況

我國(guó)3～66KV的電力系統(tǒng)，特別是3～10KV的電力系統(tǒng)，一般采用中性點(diǎn)不接地的運(yùn)行方式，如圖2-a所示。由于各相電力線路本身與大地之間存在一定的對(duì)應(yīng)面積，因此各相與大地之間存在天然的電容值。

2.2 正常工作時(shí)的電壓關(guān)系

中性點(diǎn)不接地的高壓電力系統(tǒng)，U、V、W任何一條相線對(duì)中性點(diǎn)N的電壓若為1，則各條相線彼此之間的電壓則為 （線電壓），三相負(fù)載的電壓取自線電壓，其值也為 。此時(shí)圖2-a的中性點(diǎn)N有兩個(gè)，讀者應(yīng)特別注意，圖2-b中顯示U、V、W各相的對(duì)地電壓值為1。

圖2 中性點(diǎn)不接地的高壓供電系統(tǒng)

2.3 正常工作時(shí)的對(duì)地電容電流

由于各相電力線路與大地之間自然存在電容值，因此通過(guò)自然分布于各相線路與大地之間的電容，會(huì)有感應(yīng)電流產(chǎn)生，其電流值一般較小，僅達(dá)到幾安培或十幾安培。

2.4 單相故障接地時(shí)的電流、電壓分析

圖2-c顯示，其中有一相（如W相）電力線路發(fā)生了單相故障接地，則接地電流會(huì)從C相通過(guò)接地點(diǎn)，流經(jīng)另外兩相的對(duì)地電容形成電流回路，理論計(jì)算表明，故障相的接地電流會(huì)達(dá)到正常對(duì)地感應(yīng)電流的3倍左右。若此時(shí)流過(guò)故障接地點(diǎn)的接地電流值仍然較小，不會(huì)引起接地電弧的產(chǎn)生，則這樣的高壓電力系統(tǒng)一般采用中性點(diǎn)不接地的運(yùn)行方式（如圖2-a所示）。如果此時(shí)的接地電流值較大，能夠在故障接地點(diǎn)產(chǎn)生接地電弧，則應(yīng)該采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的運(yùn)行方式，通過(guò)消弧線圈的作用，消除接地電弧。

圖2-d顯示了兩個(gè)重要信息：（1）由于W相與大地相連接，因此在圖中“W”與“地”相重合,成為了一個(gè)點(diǎn)，其他非故障相U和V的對(duì)地電壓不再是1,而升高為 。因此，設(shè)計(jì)高壓電纜時(shí)，其各相的對(duì)地絕緣不應(yīng)按照1來(lái)設(shè)計(jì)，而應(yīng)按照 來(lái)設(shè)計(jì)，即應(yīng)按線電壓來(lái)設(shè)計(jì)。（2）U、V、W之間的線電壓與沒(méi)有發(fā)生變化，仍為，及輸送給負(fù)載的電壓沒(méi)有發(fā)生變化，負(fù)載的工作不收影響。這就是我國(guó)3～66KV的電力系統(tǒng)，特別是3～10KV的電力系統(tǒng)，一般采用中性點(diǎn)不接地的運(yùn)行方式的原因。

3 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的高壓供電系統(tǒng)

3.1 采用的情況

我國(guó)3～66KV的電力系統(tǒng)，若單相故障接地電流值較大，能夠在故障接地點(diǎn)產(chǎn)生接地電弧，則應(yīng)該采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的運(yùn)行方式。

3.2 故障接地時(shí)電流、電壓分析

圖3 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的高壓供電系統(tǒng)

如果有一相電力線路發(fā)生單相故障接地（如圖3-a所示W(wǎng)相發(fā)生單相故障接地），則故障點(diǎn)與其它兩相對(duì)地電容之間及故障點(diǎn)與消弧線圈之間均會(huì)形成電流回路，由于消弧線圈為電感性質(zhì)，對(duì)地電容為電容性質(zhì)，則兩個(gè)回路電流方向相反，相互抵消，接地點(diǎn)的總電流大大降低。可見(jiàn)，在消弧線圈的幫助下，一般可消除對(duì)地電弧。

W相發(fā)生單相接地故障后，“W”與“地”相重合 （如圖3-b所示），成為了一個(gè)點(diǎn)，其他非故障相U和V的對(duì)地電壓不再是1，而升高為 。這種情況設(shè)計(jì)高壓電纜時(shí)，各相的對(duì)地電壓仍應(yīng)按線電壓來(lái)設(shè)計(jì)。

另外，無(wú)論是中性點(diǎn)不接地還是中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的電力系統(tǒng)，一旦發(fā)生單相接地故障，系統(tǒng)短時(shí)間內(nèi)可以繼續(xù)工作，因?yàn)榇藭r(shí)U、V、W之間的電壓與正常工作時(shí)相同，負(fù)載工作不受影響，但系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，工作人員應(yīng)及時(shí)排除故障；若單相接地故障發(fā)生的時(shí)間較長(zhǎng)，則有可能再有一相發(fā)生接地故障，形成兩相接地短路，這是不允許的。

4 中性點(diǎn)直接接地的高壓供電系統(tǒng)

4.1 采用的情況

我國(guó)110KV及以上的高壓、超高壓電力系統(tǒng)，一般采用中性點(diǎn)直接接地的運(yùn)行方式。

4.2 單相故障接地時(shí)的電流、電壓分析

當(dāng)如圖4-a所示，W相發(fā)生單相故障接地時(shí)，巨大的電流就會(huì)在W相電源線圈、故障接地點(diǎn)、電源工作接地點(diǎn)、電源中性點(diǎn)之間形成回路，這個(gè)電流是對(duì)地短路電流，此時(shí)保護(hù)裝置應(yīng)及時(shí)跳閘，否則電路將被燒毀。

圖4 中性點(diǎn)直接接地的高壓供電系統(tǒng)

從電壓方面分析，若W 相發(fā)生故障接地，則N、W、“地”三點(diǎn)將連接到一起，三點(diǎn)重合，非故障相U、V的對(duì)地電壓仍為相電壓1，并沒(méi)有升高為 。因此，在110KV及以上的高壓、超高壓系統(tǒng)采用中性點(diǎn)直接接地的長(zhǎng)處是，各相對(duì)地電壓只需按照相電壓1來(lái)設(shè)計(jì)，而不必按照線電壓 來(lái)設(shè)計(jì)，工藝上的難度大大降低。

表1 高壓電力系統(tǒng)三種中性點(diǎn)運(yùn)行方式的電壓等級(jí)、條件及各自的優(yōu)點(diǎn)

通過(guò)本文的介紹，讀者可以在掌握“地圖法”的基礎(chǔ)上，對(duì)我國(guó)電力系統(tǒng)中性點(diǎn)的運(yùn)行方式有進(jìn)一步的了解，對(duì)其原理有更為深入的理解，希望本文對(duì)從事電力系統(tǒng)運(yùn)行工作的專業(yè)人員的工作有所幫助。

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