城市配電網中性點接地方式選擇

章叔昌

（國網江西省電力科學研究院，江西南昌 330096）

0 引言

配電網中性點的接地方式是一項涉及面較廣的綜合性課題，其中需要考慮的重要因素是供電可靠性、人身安全、電網結構、過電壓與絕緣水平、繼電保護動作的可靠性以及對通訊的干擾等問題。對于配電網中性點的接地方式，各國的做法不盡相同。有些國家采用不接地或經消弧線圈接地方式，有些國家采用電阻接地方式，有不少國家則幾種接地方式并存。對于城市配電網應采用何種接地方式，應根據具體配電網的實際情況、充分考慮各種因素權衡利弊后確定。

1 三種中性點接地方式的優(yōu)缺點及適用范圍分析

1.1 中性點不接地方式

由于配電網的涉及面廣、耐雷水平低、部分高壓電氣設備陳舊絕緣狀態(tài)較差（尤其是一些用戶設備），因此配電網發(fā)生單相接地故障一般比較頻繁，其中大部分單相接地故障可能是瞬時性的，例如雷擊、大風、樹枝、異物等；有些可能是永久性的，例如金屬性接地；也有些可能是絕緣強度下降，例如電纜頭受潮。如果采用中性點直接接地方式，將會引起斷路器的頻繁開斷從而大大增加斷路器的檢修次數，并降低供電的可靠性。因此對于配電網，當單相接地時流過故障點的電流（對地電容電流）較小時，通常采用中性點不接地方式。這樣在發(fā)生單相接地故障后系統(tǒng)仍可繼續(xù)運行兩小時，如果接地是暫時性的，在線路較短、故障電流較小的情況下，單相接地電弧會迅速熄滅，電網自動恢復正常；如果是永久性故障，則可能在這兩小時內發(fā)現并排除故障或將負荷轉移，而不會導致供電中斷。因此，中性點不接地系統(tǒng)的供電可靠性比較好，且對通訊線路的干擾較小。

但隨著配電網的擴大，系統(tǒng)的對地電容也將相應增大。當單相接地時流過故障點的電流超過一定數值后，接地電弧不易熄滅，但又不太穩(wěn)定，將形成電弧熄滅與重燃交替進行的局面，在此過程中會在健全相上產生幅值較高的弧光接地過電壓，它作用于整個電網之中，如果有絕緣薄弱點，則可能造成多相接地，使事故擴大。因此中性點不接地系統(tǒng)僅適用于對地電容電流小于10 A的配電網。

1.2 中性點經消弧線圈接地方式

為了減小中性點不接地系統(tǒng)在單相接地時的故障電流，我國采用了中性點經消弧線圈接地方式，當系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，由消弧線圈產生的電感電流可補償系統(tǒng)對地的電容電流，使流過故障點的電流減小，促使電弧迅速自熄，以防止發(fā)展成相間短路或燒傷導線。中性點經消弧線圈接地的電網與中性點不接地的電網一樣，在發(fā)生單相接地故障后系統(tǒng)可繼續(xù)運行兩小時。對于配網中的裸導線架空線路，線路上的瞬時性單相接地故障比較頻繁，且線路絕緣子系自恢復絕緣，因此消弧線圈的消弧作用很明顯。長期以來，我國大部分中小城市的配電網及線路較長的農村配電網（電容電流10～30 A）都是采用中性點經消弧線圈接地方式，實踐證明運行情況良好。

但隨著城市和電網的發(fā)展，在現代城市配電網中大量采用了電纜線路，電纜線路的瞬時性故障極少，電力電纜由絕緣包層所決定的幾何尺寸很小，一旦擊穿則呈永久性故障，因此消弧線圈在此類電網中的作用不大。另外，在中性點不接地或經消弧線圈接地的電網中，準確地尋找單相接地故障點一直是個難題，目前仍沒有靈敏的尋測設備，主要還是靠人工逐條拉線路來檢出實際的故障線路，同時由于非故障相對地電位長時間升高至線電壓，有可能由單相接地發(fā)展為相間故障或異相兩點接地而使故障擴大；為了提高供電可靠性，現代城市電網的配電線路之間具有很強的互連互倒功能，其運行方式靈活多變，雖然目前經消弧線圈接地的城市配網基本上都是采用自動跟蹤的消弧線圈產品，但在實際運行中要做到及時合理的調諧還是很困難；當系統(tǒng)對地電容電流很大時，往往需要幾臺消弧線圈并列運行才能進行合理補償，但多臺消弧線圈并列運行時的相互配合是比較難解決的問題，尤其是同時存在不同廠家生產的消弧線圈時，相互配合的難度則更大；而且隨著系統(tǒng)對地電容電流的加大，故障電流中的阻性分量及五次諧波分量也將增大，這些電流得不到補償，從而使得流過故障點的殘流難以達到較小的數值。因此在電纜線路占比大、對地電容電流很大的現代城市配網中仍然采用中性點經消弧線圈接地方式，產生維持時間較長、幅值較高的過電壓的風險很大，直接影響電網的安全運行。因此中性點經消弧線圈接地方式僅適用于系統(tǒng)對地電容電流不是很大、電纜線路占比不大的中、小城市配電網以及對地電容電流比較大的農村配電網。

1.3 中性點經電阻接地方式

隨著城市電網的技術改造以及配電線路絕緣化率的提高，現代城市配網中由雷擊、大風、樹枝、異物等引起的瞬時性故障正在逐漸減少，永久性單相接地故障的占比在迅速上升，而且城市配電網正在逐步實現故障時開關的有序跳閘及配網自動化，使得中性點經電阻接地方式在現代城市配網中的優(yōu)勢越來越明顯。中性點經電阻接地方式的主要優(yōu)點是能夠抑制弧光接地過電壓、限制某些類型的諧振過電壓、能夠及時準確地判斷單相接地故障線路并及時隔離故障，從而限制單相故障向二相、三相發(fā)展。特別是當一相斷線落地后，能及時切除故障點，有效地避免行人觸電事故的發(fā)生。因此，對于電纜線路占比很高、系統(tǒng)對地電容電流很大的現代城市配電網，中性點的接地方式宜采用電阻接地。但由于這種方式在發(fā)生單相接地時的故障電流較大，因此必須在較短的時間內切除故障線路，可能會使單回路供電用戶的供電可靠性有所下降。

2 中性點接地電阻的選取及抑制過電壓的基本原理分析

選擇中性點接地電阻的阻值至少應遵循以下幾個原則。

1）單相接地故障電流應盡可能小，對附近的通訊線路不形成干擾；

2）使繼電保護裝置能靈敏地判斷故障線路，并及時切除故障；

3）能夠有效地抑制弧光接地過電壓和部分鐵磁諧振過電壓。

2.1 按抑制弧光接地過電壓的原則選取電阻值

在中性點不接地電網中，產生高幅值弧光接地過電壓的主要原因是由于電網對地電容上的電荷得不到及時的泄放。如果在電網中性點采用阻值合適的電阻接地，使對地電容上的電荷能在電弧熄滅到重燃前（半個工頻周波內）泄放掉，則可起到抑制弧光接地過電壓的作用。

中性點加電阻R后，電網對地電容C0經R 有一個放電回路，其放電按指數規(guī)律衰減，τ=3C0R為衰減時間常數。如果按IR=IC來選取R值，則。當t為半個周波即即半個周波后，電荷已經基本泄漏掉。因此只要滿足的條件，即IR=IC，就能有效地抑制弧光接地過電壓。

2.2 中性點經電阻接地系統(tǒng)在斷線情況下的狀態(tài)分析

1）當一相（A 相）斷線掉落并使負荷側接地，負荷側變壓器處于空載或輕載狀態(tài)，見圖1。C0為每相導線對地電容，C1為斷線相電源側對地電容，C2為斷線相負荷側對地電容，LK為變壓器的每相激磁電感（為分析時方便起見，不考慮相間電容）。

圖1 A相斷線掉落使負荷側接地

從C1兩端看進去的等值電源為：UA+Uo=UA+0.5UA=1.5UA

從C1兩端看進去的等值阻抗為：1.5LK∥2C0∥R

因此，圖1的等值電路如圖2所示。

圖2 圖1電路的等值電路

如果R比1.5LK與2C0并聯后的阻抗值小得多，則回路不可能產生諧振。

2）當一相（A相）斷線掉落并使電源側接地，見圖3。

圖3 A相斷線掉落使電源側接地

從C2兩端看進去的等值電源為：U01,o+UA=0.5UA+UA=1.5UA

從C2兩端看進去的等值阻抗為：1.5LK

因此，圖3的等值電路如圖4所示。

圖4 圖3電路的等值電路

這是一個典型的L-C 串聯諧振電路，可能產生鐵磁諧振過電壓的條件為：。但由于中性點經電阻接地后能夠快速切除故障，使這種諧振過電壓持續(xù)的時間很短。而且采用金屬氧化物避雷器可限制其幅值，但過電壓的維持時間不能過長，否則可能使避雷器損壞。

3）當開關一相（A相）拒動，見圖5。

圖5 開關A相拒動

從A相C0兩端看進去的等值電源為：0.5UA。

從A 相C0兩端看進去的等值阻抗為：1.5LK與2C0∥R串聯。

因此，圖5的等值電路如圖6所示。

圖6 圖5電路的等值電路

圖6回路仍有可能產生鐵磁諧振過電壓。

2.3 中性點電阻消除PT飽和過電壓分析

在中性點不接地的電網中，經常發(fā)生PT 飽和過電壓。發(fā)生飽和過電壓時，電網中性點已位移到電壓三角形之外。出現兩相對地電壓升高，一相電壓下降，甚至導致三相對地電壓同時升高。當中性點經電阻接地后，若按IR=IC選取電阻R，要使R上電壓大于相電壓，必需要有足夠大的能量源提供有功損耗。僅僅依靠PT飽和所提供的有功功率無法滿足此要求，因此中性點不會移出電壓三角形以外，也即消除了PT飽和諧振過電壓。

3 結論

配電網中性點經電阻接地，具有抑制弧光接地過電壓、消除或抑制某些類型的諧振過電壓、消除PT飽和過電壓、能夠靈敏地判斷故障線路并及時切除故障、可以使系統(tǒng)中一次設備尤其是無間隙金屬氧化物避雷器的運行更加安全等諸多優(yōu)點。因此，對于電纜線路占比很大（超過50%）、系統(tǒng)對地電容電流很大（超過60 A）的現代城市配電網宜采用中性點經電阻接地方式。