电力系统中性点运行方式

第二章电力系统中性点运行方式一、电力系统中性点的接地方式电力系统的中性点指星形联结的变压器或发电机的中点。三相电力系统中性点的运行方式（也称中性点接地方式）有：中性点不接地方式(对地绝缘)、经电阻接地方式、经电抗接地方式、经消弧线圈接地方式和直接接地方式等。能否合理选择中性点运行方式,会直接影响到电力网的绝缘水平、保护配置、系统供电可靠性和选择性，对通信系统的干扰以及发电机和变压器的安全运行等。我国电力系统目前采用的中性点运行方式主要有三种：中性点不接地、经消弧线圈接地（小接地电流系统）和中性点直接接地（大接地电流系统）。前两种运行由于发生单相接地故障时流经接地点的接地电流小，称为小接地电流系统；后一种由于发生单相接地时流过接地点的单相短路电流很大，称为大接地电流系统。二、三种运行方式的特点(一)中性点不接地系统中性点不接地系统的特点是，当系统中发生一相接地时，系统的运行并未破坏，也不影响用户用电。这是因为既不构成短路，系统三相间的对称状态也未改变。另外，当系统一相接地时，其它两相的对地电压将升高√3倍，即为线电压。具体分析如下：1、系统正常运行我们知道，任意两个导体隔以绝缘介质就形成电容，所以电力网的三相导线之间及各相对地之间，沿导线全长都分布有电容，这些电容将引起附加电流。正常运行时，三相系统是对称的、因而可以把相与地之间均匀分布的电容用集中于线路中央的电容C来代替，同时不考虑相间电容，如下所示。系统正常运行时，由于三相电压是对称的，各相对地的电容电流也是对称的(各相对地的电容是相等的)。即：ICO＝CUx，其相位上互差120°。如右图为三相电流、电压向量图。此时，大地中没有电容电流流过，中性点的电位为零。即：A相的电流向量如下图示为A相对地电容电流，为容性电流，则电压滞后电流90°。为A相负荷电流。2、系统发生单相接地故障中性点不接地的三相系统，当任何一相(例如C相)绝缘受到破坏而接地时的电路图，如图所示。此时，C相对地的电压变为零，中性点对地的电压变为相电压，未故障两相对地的电压升高倍，即变为线电压。由于C相接地，该相对地电容被短接，所以，C相的对地电容电流为零。C相发生完全接地时的向量图，如下图示。发生接地后，C相的对地电压变为零，即：而中性点电位，应等于其它两非接地相电压的向量和。即：即：当C相发生金属性接地时，中性点的对地电位上升到相电压，且与接地相的原相电压在相位上相反。于是，非故障相A、C两相的对地电压：都升高到相电压的倍，即等于线电压。且间的夹角为60°。这时A、B两相间的电压为线电压。三个线电压仍保持对称和大小不变，所以，对用户继续工作没影响。同时，尽管相对地电压升高了倍，我们在小接地电流系统电气设备选择时已经考虑到发生单相接地时非接地相电压升高的因素，故在中性点不接地系统的电气设备的绝缘是按线电压考虑来选择的。所以在小接地电流系统发生单相接地时对电力系统以及各电气装置也无多大危险。由于A、B两相电压升高了倍，所以该两相的对地电容电流也较正常时的升高了倍。于是，在接地点只流过非故障相A、B两相的对地电流之和。（即接地电流）并经C相导线返回，假定电流从电源流向网络作为正方向。即：因所以单相接地时，接地电流等于正常时一相对地电容电流的三倍。若已知每相对地电容C及正常运行时的相电压或网络额定电压（线电压Ue）则得正常运行时的对地电容电流：或由上式可知，接地电流的值与网络的电压、频率和每相对地电容有关，而每相对地电容与电网的结构（电缆线路、架空线路）和线路的长度有关，且随一年四季地貌的变化而变化，通常这种接地电流可在几安到几十安或几百安范围内变化，但总的来说，接地电流较负荷电流要小得多。各相对地电容是不容易计算的，式失去了实际使用意义。在实用中，当电网电压、频率一定时，系统接地电流可近似地用下式计算:架空线路：电缆线路：式中：U—电网的线电压，kV;l—电压为U具有电联系的线路长度,单位：km；IC—接地电流，A。当发生不完全接地时，即通过一定的阻抗接地，接地相对地电压大于零而小于相电压，未接地相对地电压大于相电压而小于线电压，中性点对地电压大于零而小于相电压，线电压保持不变，接地电流要小一些。单相接地故障时，由于接地电流的存在，可能会在接地点形成电弧。当接地电流不大时，接地电流过零值时，电弧将自行熄灭。在接地电流大于5～10A、小于30A时，会产生一种时而熄灭时而复燃的间歇性电弧，这时网络中的电感和电容可能形成振荡回路，导致网络出现过电压，其幅值可达2.5～3倍的相电压，危及整个网络的绝缘。若接地电流大于30A时，将产生稳定电弧，此电弧的大小与接地电流成正比，从而形成持续的电弧接地。高温的电弧可能损坏设备，甚至导致相间短路，尤其是在设备内部出现电弧时最危险。综上所述，可得出：1)在中性点不接地系统中，发生单相接地故障时，由于线电压不变，用户可继续工作，提高了供电的可靠性。但为了防止由于接地点的电弧及其产生的过电压，使系统由单相接地故障发展成为多相接地故障，引起事故扩大，继续运行时间不得超过2h，并且加强监视，在系统中必须装设交流绝缘监察装置。当系统发生单相接地故障时，监察装置立即发出信号，通知值班人员及时进行处理。2)由于非故障相对地电压可升高到线电压，所以在中性点不接地系统中，电气设备和输电线路的对地绝缘必须按线电压考虑，从而增加了投资。3)中性点不接地系统由于不具备零序电流的流经途径，不会产生零序电流，所以对邻近通信线路的干扰小。3、中性点不接地系统的适用范围35kV及以下系统中，导体对地绝缘按线电压设计，相对于按相电压设计绝缘的投资增加不多，而供电可靠性较高的优点又比较突出，所以采用中性点不接地的运行方式比较合适。又考虑到发生单相接地时接地电流的存在，接地电流太大会产生一定的危害，但是当接地电流限制在下述范围内时电弧会自行熄灭。因此，目前我国中性点不接地系统的适用范围为：(1)额定电压在500V以下的三相三线制系统。(2)额定电压3～10kV系统，接地电流IC≤30A。(3)额定电压20～60kV系统，接地电流IC≤10A。(4)与发电机有直接电气联系的3～20kV系统，如果要求发电机需带内部单相接地故障运行，接地电流小于或等于其允许值，具体值见下表2-1。表2-1发电机接地电流允许值(二)中性点经消弧线圈接地系统在中性点不接地系统中，单相接地电容电流超过上节所述的规定数值时，电弧将不能自行熄灭。为了减小接地点的单相接地电流，一般使变压器中性点经消弧线圈后再与大地连接。1、消弧线圈的补偿原理下图为中性点经消弧线圈接地的三相系统图。正常工作时，中性点的电位为零没有电流通过消弧线圈。当C相发生金属性接地时，作用在消弧线圈两端的电压即升高为相电压UC，并有电感电流IL通过消弧线圈和接地点，IL滞后于UC90°。由于IL和IC两者相位差180°，所以在接地点IL和IC起互相抵消的作用(或叫补偿作用)，其向量图如下图所示。如果适当选择消弧线圈的电感(匝数)，可使接地点的电流等于零，在接地点就不致产生电弧，并可避免由电弧所引起的危害。(a)电路图(b)向量图中性点经消弧线圈接地的三相系统图2、消弧线圈的补偿方式实际上，接地电容电流不可能完全被补偿掉，因此在接地处仍有很小的电容电流流过，不过它已不致发生危险的间歇电弧了。消弧线圈的补偿方式有三种：(l)全补偿。若IL=IC，即时，接地点处的电流为零，称为全补偿。从消弧的观点来看，全补偿应为最好，但一般不采用这种补偿方式。因为正常运行时，电网三相的对地电容并不完全相等;断路器操作时，三相触头也不可能完全同时闭合，所以在未发生接地故障时，中性点与地之间会出现一定的电压，称之为不对称电压。此电压将引起串联谐振过电压，可危及电网的绝缘。(2)欠补偿。若ILIC,即3ωC时，(感抗大于容抗)接地点尚有未补偿的电容性电流，称为欠补偿。欠补偿方式一般也较少采用。因为在欠补偿运行情况下，如果切除部分线路对地电容将减小（或系统频率降低致使增大，而3ωC减小)、或线路发生一相断线(若送电端一相断线，则该相电容为零)等，均可能使系统接近或者达到全补偿，以致存在出现串联谐振过电压的可能。（3）过补偿。若ILIC,即3ωC时，（感抗小于容抗）接地处具有多余的电感性电流，称为过补偿。过补偿方式可避免产生串联谐振过电压，因此得到广泛采用。但必须指出，在过补偿运行方式下，接地处将流过一定数值的电感性电流这一电流值不能超过规定值。否则，故障点的电弧将不能可靠地自动熄灭。L13、消弧线圈的构造和接线1)消弧线圈的构造消弧线圈是一个具有铁芯的可调电感线圈。线圈的电阻很小，电抗很大。铁芯和线圈均浸在变压器油中，外形和单相变压器相似，但其铁芯的构造与一般变压器的铁芯不同。消弧线圈的铁芯柱有很多间隙，间隙中填有绝缘纸板，采用带间隙的铁芯，是为防止磁饱和，以得到一个较稳定的电抗值，使补偿电流与电压成线性关系，并使消弧线圈消弧线圈的构造图能保持有效的消弧作用。由于系统电容电流(a)带间隙的铁芯断面；是随系统运行方式而变化的，因此消弧线圈(b)消弧线圈的分接头的电抗值要随系统运行方式的变化作相应的1－线圈；2－有间隙的铁芯；3－铁轭调节，才能达到补偿的目的。消弧线圈通常有5～9个分接头，用以调节线圈的匝数，改变电抗的大小，从而调节消弧线圈的电感电流，补偿接地电容电流，以达到消弧的目的。2）消弧线圈的接线为了测量系统单相接地时消弧线圈的端电压和补偿电流，消弧线圈内部还装有TV和TA。电压互感器二次线圈的电压为110伏，额定电流为10安;电流互感器装于中性点的接地端，其二次的额定电流为5安。在电压和电流互感器的二次侧分别接有电压表和电流表。在TV上还并接有电压继电器，当系统有接地时（即中性点位移电压超过规定值），电压继电器动作，起动中间继电器，一方面使中央预告信号装置动作，另一方面使消弧线圈屏上的信号灯亮，以提醒及时注意有接地，此时，消弧线圈隔离开关旁边的信号灯也亮，指示网络中有接地存在，或者中性点的对地电消弧线圈的接线图压偏移很大，不允许操作消弧线圈的隔离开关，为了防止大气过电压损坏消弧线圈，其上还接有避雷器FZ-20。4、消弧线圈的设备选型电网接地以后，消弧线圈的绝缘是薄弱环节之一，虽然线路总电容电流已很小，这时也不应将消弧线圈停止运行。要发挥消弧线圈在单相闪络故障时能降低恢复电压速度，降低弧光接地过电压和消除电磁式TV引起的铁磁谐振过电压等作用。很多消弧线圈铭牌上规定：接地运行时间为2h。而在实际查找接地时，有时因线路长、故障隐蔽等很难在2h内找到，可能造成用户停电或烧坏消弧线圈的结果。故变电站消弧线圈的设备选型是非常重要的。老式手动消弧线圈除需停电调分接头外，也不能自动跟踪补偿电网电容电流等缺点外，脱谐度也很难保证在10％以内，其运行效果不能令人满意。据统计分析表明，采用老式手动消弧线圈补偿的电网，单相接地发展成相间短路的事故率在20％～40％之间，比采用自动跟踪补偿电网高出3倍以上。因此，现在新安装的消弧线圈应装设自动跟踪补偿的消弧线圈。这种新的智能型消弧线圈有很多优点：1）能自动跟踪电网参数变化，自动调整其分接头，使残流达到最佳状态；2）增大了阻尼率，使中性点谐振电压降低，不会出现过电压，故三种补偿方式均可选用；3）采用多功能接地变压器，既能接消弧线圈，又能带站用电。目前，自动消弧线圈有四大类：①用有载分接开关调节消弧线圈的分接头；②调节消弧线圈的铁芯气隙；③直流助磁调节；④可控硅调节消弧线圈。①②类有正式产品，其中用有载分接开关调节的消弧线圈运行技术较为成熟。5、消弧线圈的容量经消弧线圈补偿后，故障点流过的合成电流称为残余电流。残余电流越小，电弧熄灭越容易。消弧线圈的容量，按下式计算，即：式中：S一消弧线圈的容量，千伏安;Ic—电力网接地电容电流(应考虑电力网近五十年内的发展)，安;UΨ—电力网的额定相电压，千伏;1.35－系数(考虑计算误差l.1,气候影响系数1.05,过补偿运行系数1.1及电网发展的储备系数1.1)。6、中性点经消弧线圈接地系统适用范围中性点经消弧线圈接地与中