電力系統(tǒng)中性點(diǎn)運(yùn)行方式及故障判斷處理

1、電力系統(tǒng)中性點(diǎn)運(yùn)行方式及故障判斷處理一、電力系統(tǒng)中性點(diǎn)運(yùn)行方式（一）中性點(diǎn)定義：三相電力系統(tǒng)中繞組或者線圈采用星形連接的電力設(shè)備（如發(fā)電機(jī)、變壓器等）各相的連接對(duì)稱點(diǎn)和平衡點(diǎn)。特點(diǎn)：在電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，對(duì)地電位為零（在理想狀況下）。中性點(diǎn)接地屬于工作接地（保證電力設(shè)備達(dá)到正常工作要求的接地，稱為工作接地）。（二）中性點(diǎn)運(yùn)行方式分類：中性點(diǎn)接地方式與電壓等級(jí)、單相接地短路電流、過(guò)電壓水平、保護(hù)配置等有關(guān)，對(duì)于電力系統(tǒng)的運(yùn)行，特別是對(duì)發(fā)生故障后的系統(tǒng)運(yùn)行有多方面的影響，直接影響電網(wǎng)的絕緣水平、系統(tǒng)供電的可靠性和連續(xù)性、主變壓器和發(fā)電機(jī)的運(yùn)行安全以及對(duì)通信線路的干擾等。分類：中性點(diǎn)不接地運(yùn)行方式中

2、性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地運(yùn)行方式中性點(diǎn)直接接地運(yùn)行方式中性點(diǎn)經(jīng)低阻抗接地運(yùn)行方式中性點(diǎn)經(jīng)高阻抗接地運(yùn)行方式最常用的是中性點(diǎn)不接地運(yùn)行方式、經(jīng)消弧線圈接地運(yùn)行方式和直接接地運(yùn)行方式。前兩種為小接地系統(tǒng)，最后一種為大接地系統(tǒng)。（三）各種中性點(diǎn)運(yùn)行方式適用范圍：中性點(diǎn)不接地運(yùn)行方式：電壓在500V以下的三相三線制裝置、310kV系統(tǒng)當(dāng)接地電流Ic30A時(shí)、2060kV系統(tǒng)當(dāng)接地電流Ic10A時(shí)。供照明用電的380/220V系統(tǒng)例外，采用中性點(diǎn)直接接地的三相四線制，零線是為了取得相電壓，地線是為了安全。中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地運(yùn)行方式：凡是不符合中性點(diǎn)不接地運(yùn)行方式的360kV系統(tǒng)，均采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的

3、運(yùn)行方式。我國(guó)110kV系統(tǒng)，在個(gè)別雷害事故較嚴(yán)重的地區(qū)和某些大城市電網(wǎng)，為了提高供電可靠性，也會(huì)采用經(jīng)消弧線圈接地的運(yùn)行方式。中性點(diǎn)直接接地運(yùn)行方式：110kV系統(tǒng)及以上系統(tǒng)，主要考慮降低設(shè)備絕緣水平，簡(jiǎn)化繼電保護(hù)裝置，一般均采用中性點(diǎn)直接接地的方式，并采用送電線路全線架設(shè)避雷線和裝設(shè)自動(dòng)重合閘裝置等措施，以提高供電可靠性。（四）中性點(diǎn)運(yùn)行方式分析： 1.中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)：中性點(diǎn)不接地運(yùn)行方式即電力系統(tǒng)的中性點(diǎn)不與大地相接。電力系統(tǒng)中的三相導(dǎo)線之間和各相導(dǎo)線對(duì)地之間都存在著分布電容。設(shè)三相系統(tǒng)是對(duì)稱的，則各相對(duì)地均勻分布的電容可由集中電容C表示，線間電容電流數(shù)值較小，可不考慮，如圖1（a）所

4、示。圖1 正常運(yùn)行時(shí)中性點(diǎn)不接地的電力系統(tǒng)（a) 電路圖；（b） 相量圖系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，各相對(duì)地電壓平衡，相位相差120°，中性點(diǎn)電位為零。三相對(duì)地電容電流IC1、IC2、IC3也是基本對(duì)稱的，其相量和為零，所以中性點(diǎn)也沒(méi)有電流流過(guò)。各相對(duì)地電壓就是其相電壓，如圖1（b）所示。圖2 一相接地時(shí)的中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)（a）電路圖；（b）相量圖當(dāng)系統(tǒng)任何一相絕緣受到破壞而接地時(shí)，各相對(duì)地電壓、對(duì)地電容電流都要發(fā)生改變。如圖2（a）所示。假定為第3相完全接地，則接地的第3相對(duì)地電壓為零（U3'=0）；中性點(diǎn)電位發(fā)生位移，即Un=- U3,則非接地的第1、2相對(duì)地電壓升高為線電壓，即U1

5、'= U1+(-U3)= U13，U2'= U2+(-U3)= U23，同時(shí)各相電壓的相位發(fā)生了變化。但此時(shí)線間電壓并沒(méi)有發(fā)生變化，從相量圖看相當(dāng)于平移到新的位置，保持對(duì)稱且大小不變，因此，對(duì)接于線電壓的用戶設(shè)備正常工作并無(wú)影響。由于非接地兩相對(duì)地電壓均升高倍，使得這兩相對(duì)地電容電流也相應(yīng)地增大倍，即C1'=C2'=C0。由圖2（b）的相量圖可知，經(jīng)故障相流入故障點(diǎn)的電流為正常時(shí)本電壓等級(jí)每相對(duì)地電容電流的3倍。（即3=C1'=3C0）。通過(guò)以上分析，可以看出，中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相完全接地故障時(shí)，故障相對(duì)地電壓為零，非故障相對(duì)地電壓則升高了倍，即為線

6、電壓的水平，而對(duì)相與相之間的線電壓則無(wú)影響。因此，在發(fā)生單相接地故障時(shí)，不需要立即斷開故障線路中斷用戶供電，提高了供電的可靠性。但必須在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)并消除接地故障，以免因非故障相對(duì)地電壓長(zhǎng)期升高，損壞電氣設(shè)備和線路對(duì)地絕緣，導(dǎo)致故障擴(kuò)大。根據(jù)規(guī)程規(guī)定，一般允許繼續(xù)運(yùn)行時(shí)間為2小時(shí)，同時(shí)要求，在這種系統(tǒng)中，電氣設(shè)備和線路的對(duì)地絕緣應(yīng)按能承受線電壓考慮設(shè)計(jì)，且應(yīng)裝設(shè)絕緣監(jiān)察裝置，以便發(fā)生單相接地故障時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。優(yōu)缺點(diǎn)：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行方便，經(jīng)濟(jì)適用。由于允許繼續(xù)運(yùn)行不超過(guò)2 h，相對(duì)地提高了供電的可靠性，單相接地電流小，對(duì)鄰近通信線路、信號(hào)系統(tǒng)的干擾小。缺點(diǎn)是如果接地電流較大(30 A以上

7、)，則將產(chǎn)生穩(wěn)定的電弧，形成持續(xù)性的弧光接地，損壞設(shè)備并導(dǎo)致二相或三相短路；當(dāng)接地電流大于10 A而小于20 A時(shí)，有可能產(chǎn)生間歇性電弧，導(dǎo)致系統(tǒng)中電感電容回路的振蕩，產(chǎn)生諧振過(guò)電壓，危及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的絕緣。2.中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)：該方式就是在中性點(diǎn)和大地之間接入一個(gè)電感消弧線圈，在系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，利用消弧線圈的電感電流補(bǔ)償線路接地的電容電流，使流過(guò)接地點(diǎn)的電流減小到能使電弧自行熄滅的范圍。如圖3所示，系統(tǒng)正常運(yùn)行（理想）時(shí)，由于三相電壓、電流對(duì)稱，中性點(diǎn)對(duì)地電位為0，即0L，消弧線圈不起作用。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，通過(guò)接地點(diǎn)的電流是接地電容電流IC和消弧線圈電感電流IL的相量和，由

8、于C超前UC90°，而L滯后UC90°，C與L相位相反，在接地點(diǎn)相互補(bǔ)償、抵消，通過(guò)選取合適的消弧線圈電感量，使得通過(guò)接地點(diǎn)的電流減小到小于發(fā)生電弧的最小生弧電流，使電弧熄滅，避免產(chǎn)生間歇過(guò)電壓。圖3 一相接地時(shí)的中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)（a）電路圖；（b）相量圖根據(jù)消弧線圈中電感電流對(duì)接地電容電流的補(bǔ)償程度不同，可以分為全補(bǔ)償、欠補(bǔ)償和過(guò)補(bǔ)償三種補(bǔ)償方式。 全補(bǔ)償：當(dāng)L=C時(shí)，接地點(diǎn)的電流為O，確實(shí)能很好的避免電弧的產(chǎn)生,這種補(bǔ)償稱全補(bǔ)償。從補(bǔ)償觀點(diǎn)來(lái)看，全補(bǔ)償應(yīng)該是最好的，但實(shí)際上不采用這種方式。因?yàn)橄到y(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，各相對(duì)地電壓不完全對(duì)稱，中性點(diǎn)對(duì)地之間有一定電壓，此電

9、壓可能引起串聯(lián)諧振，在線路中會(huì)產(chǎn)生很高的電壓降，造成電網(wǎng)中性點(diǎn)對(duì)地電壓嚴(yán)重升高，這樣可能會(huì)損壞設(shè)備和電網(wǎng)的絕緣，因此這種補(bǔ)償方式并不是最好的補(bǔ)償方式。 欠補(bǔ)償：當(dāng)LC，即感抗大于容抗時(shí)，接地點(diǎn)的電流沒(méi)有被消除，尚有未補(bǔ)償?shù)碾娙蓦娏?，這種補(bǔ)償稱欠補(bǔ)償。這種補(bǔ)償方式也很少采用。因?yàn)樵谇费a(bǔ)償運(yùn)行時(shí)，如果切除部分線路（對(duì)地電容減小，容抗增大IC減?。?，或系統(tǒng)頻率降低（感抗減小IL增大，容抗增大IC減?。加锌赡苁瓜到y(tǒng)變?yōu)槿a(bǔ)償，出現(xiàn)電壓串聯(lián)諧振過(guò)電壓，因此這種補(bǔ)償方式也不好。 過(guò)補(bǔ)償：當(dāng)LC即感抗小于容抗時(shí)，接地點(diǎn)出現(xiàn)多余的電感電流，這種補(bǔ)償稱過(guò)補(bǔ)償。采用這種補(bǔ)償方式，不會(huì)出現(xiàn)串聯(lián)諧振情況，因此得到

10、廣泛應(yīng)用。因?yàn)長(zhǎng)C，消弧線圈留有一定的裕度，也有利于將來(lái)電網(wǎng)發(fā)展。采用過(guò)補(bǔ)償，補(bǔ)償后的殘余電流一般不超過(guò)510A。運(yùn)行實(shí)踐也證明，不同電壓等級(jí)的電網(wǎng)，只要?dú)堄嚯娏鞑怀^(guò)允許值（6kV電網(wǎng)，殘余電流30A；10kV電網(wǎng)，殘余電流20A；35kV電網(wǎng)，殘余電流10A），接地電弧就會(huì)自動(dòng)熄滅。通過(guò)以上分析可以看出，中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的電力系統(tǒng)與中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)一樣，發(fā)生單相短路時(shí)，非故障相的對(duì)地電壓要升高為原相電壓的倍，即成為線電壓，其電壓變化與不接地系統(tǒng)一樣。不同之處就是因消弧線圈的存在使得流過(guò)中性點(diǎn)的電流為感性，對(duì)接地電容電流進(jìn)行了補(bǔ)償，使通過(guò)故障點(diǎn)的電流減小到能自行熄弧的范圍，減小了電弧重燃

11、的可能，也避免了單相接地故障發(fā)展成相間短路故障的可能。優(yōu)缺點(diǎn)：大大提高了供電可靠性；因接地電流小，對(duì)附近通信線路的干擾也較小。其它類同于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)。3.中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)：中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)就是將中性點(diǎn)直接與地相接，在任何工作狀態(tài)下中性點(diǎn)始終為地的零電位。當(dāng)發(fā)生一相接地時(shí)，這一相直接經(jīng)過(guò)接地點(diǎn)和接地的中性點(diǎn)形成接地短路，短路電流立即使繼電保護(hù)動(dòng)作，將故障部分切除，避免接地點(diǎn)的電弧持續(xù)。如圖4所示。圖4 一相接地時(shí)的中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)為了限制單相接地電流，減少接地裝置的投資，以及提高保護(hù)裝置的靈敏度和選擇性，通常只將電網(wǎng)中一部分變壓器的中性點(diǎn)直接接地，另外一部分變壓器中性點(diǎn)經(jīng)間隙、避雷器或

12、經(jīng)間隙與避雷器并聯(lián)接地（如我站3臺(tái)主變）。優(yōu)缺點(diǎn)：中性點(diǎn)直接接地的主要優(yōu)點(diǎn)是它在發(fā)生單相接地時(shí),非故障相地對(duì)電壓不會(huì)升高, 因而各相對(duì)地絕緣即可按相電壓考慮，降低絕緣費(fèi)用。且保護(hù)裝置簡(jiǎn)單，工作可靠。缺點(diǎn)是：接地故障線路迅速切除，降低供電可靠性。且接地電流大，地電位上升較高，增加電力設(shè)備損傷，增大接觸電壓和跨步電壓，對(duì)信息系統(tǒng)干擾較嚴(yán)重。（四）三種運(yùn)行方式比較：1.供電可靠性：經(jīng)消弧線圈接地>不接地>直接接地 2.過(guò)電壓與絕緣水平：大接地相電壓； 小接地線電壓 3.繼電保護(hù)：大接地簡(jiǎn)單，可靠，靈敏度高；小接地不完美4.對(duì)通訊的干擾：大接地電流大、干擾大 ；小接地電流小，干擾小 5.系

13、統(tǒng)穩(wěn)定性：大接地不穩(wěn)定；小接地穩(wěn)定二、故障判斷處理（一）為什么單相接地、斷相、鐵磁諧振均會(huì)發(fā)出接地信號(hào)？單相接地一般通過(guò)檢測(cè)零序電流或零序電壓來(lái)判斷，對(duì)于直接接地系統(tǒng)采用中性點(diǎn)裝設(shè)零序電流互感器來(lái)檢測(cè)，對(duì)于不接地系統(tǒng)則采取電壓互感器的一組二次繞組采用開口三角形接法，檢測(cè)零序電壓。如圖3-44所示，不形成閉合的開口端即為輸出端，開口電壓(Uax)就等于三相電壓的矢量和，正常情況下，輸出電壓為零。單相接地時(shí)：如圖3-45所示，由于接地相降低直至零。非接地相上升直至線電壓水平，相應(yīng)地反映到二次側(cè)，則開口三角的輸出電壓最高為兩個(gè)非接地相的向量和，即為線電壓，約為100V，發(fā)出接地信號(hào)。斷相時(shí)：當(dāng)發(fā)生斷

14、相時(shí)( 如線路一相斷線, 斷路器、隔離開關(guān)一相未接通, 電壓互感器高壓熔斷器一相熔斷等) 故障時(shí), 由于PT還會(huì)有一定的感應(yīng)電壓，所以熔斷相電壓降低，但不為零，其余兩相為正常電壓，其向量角為120°，由于三相電壓不平衡，故開口三角形處也會(huì)產(chǎn)生不平衡電壓，即有零序電壓，也可能會(huì)發(fā)出接地信號(hào)。如圖1電壓向量所示，假設(shè)C相高壓保險(xiǎn)燒斷，零序電壓大約為33V左右，故能起動(dòng)接地信號(hào)裝置。圖1C相斷相時(shí)電壓向量圖需要注意的是：PT低壓保險(xiǎn)熔斷時(shí)，一次三相電壓仍平衡，故開口三角形沒(méi)有電壓，因而不會(huì)發(fā)出接地信號(hào)，其它現(xiàn)象均同高壓保險(xiǎn)熔斷的情況。諧振時(shí)：鐵磁諧振是由系統(tǒng)中鐵心電感元件，如發(fā)電機(jī)、變壓器

15、、電壓互感器、電抗器、消弧線圈等和系統(tǒng)中的電容元件，如輸電線路分散電容、電容補(bǔ)償器等形成共諧條件，即滿足L(1/C)時(shí)，激發(fā)持續(xù)的電壓電流震蕩，使系統(tǒng)產(chǎn)生諧振過(guò)電壓。諧振一旦形成，諧振狀態(tài)可能“自保持”，維持很長(zhǎng)時(shí)間而不衰減，直到遇到新的干擾改變了其諧振條件才可能消除，即改變系統(tǒng)參數(shù)破壞其諧振條件，如瞬間拉合母線PT、送出一條空載線路等。鐵磁諧振的現(xiàn)象：1、形式及象征：1）基波諧振：一相對(duì)地電壓降低，另兩相對(duì)地電壓升高超過(guò)線電壓；或兩相電壓降低、一相電壓升高超過(guò)線電壓、有接地信號(hào)發(fā)出。類似單相接地。2）分次諧波：三相對(duì)地電壓同時(shí)升高、低頻變動(dòng)。3）高次諧波：三相對(duì)地電壓同時(shí)升高超過(guò)線電壓2、串

16、聯(lián)諧振的現(xiàn)象：線電壓升高、表計(jì)擺動(dòng)，電壓互感器開口三角形電壓超過(guò)100V的電壓。因此，發(fā)生諧振時(shí)，電壓變化類似于單相接地或產(chǎn)生高零序電壓分量，疊加于開口三角繞組上，開口三角繞組有電壓輸出，出現(xiàn)虛幻接地和不正確的接地信號(hào)，并伴有表計(jì)擺動(dòng)、震蕩現(xiàn)象。消除鐵磁諧振的措施一般有選用勵(lì)磁伏安特性好的電壓互感器、在開口三角繞組加裝消諧裝置、加阻尼電阻等一些辦法。（二）如何區(qū)分是真失地、斷相或是鐵磁諧振故障？由以上分析可以看出，單相接地、斷相或鐵磁諧振均可能發(fā)出“接地信號(hào)”。不同情況下，母線絕緣監(jiān)察電壓表的指示都會(huì)發(fā)生變化,如不注意區(qū)分, 往往會(huì)造成誤判斷, 把單相接地故障當(dāng)成斷相故障處理, 或把斷相故障當(dāng)

17、成單相接地故障處理, 都將造成誤操作或故障擴(kuò)大,延誤故障處理,造成不必要的損失。因此，正確區(qū)分判斷故障類型是運(yùn)行各崗位人員必須掌握的重要內(nèi)容。一般地，當(dāng)出現(xiàn)接地信號(hào)后，除了從表觀現(xiàn)象進(jìn)行判斷，最主要的還是通過(guò)絕緣監(jiān)察裝置檢查相、線電壓的變化情況正確區(qū)分判斷，現(xiàn)場(chǎng)帶電指示燈、異常的振動(dòng)、電磁放電聲等也可作為輔助的判斷依據(jù)。鐵磁諧振時(shí)產(chǎn)生高零序電壓分量，出現(xiàn)虛幻接地和不正確的接地指示，電壓表會(huì)有周期性振動(dòng)。單相接地與諧振故障現(xiàn)象有著根本區(qū)別。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，仍可在故障狀態(tài)下繼續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間，但鐵磁諧振產(chǎn)生的過(guò)電壓、電流大增對(duì)設(shè)備的影響最大，嚴(yán)重時(shí)將損壞設(shè)備絕緣，造成電壓互感器保險(xiǎn)熔斷，或

18、使避雷器爆炸，導(dǎo)致事故的進(jìn)一步擴(kuò)大，因此應(yīng)及時(shí)進(jìn)行處理。 切不可將電壓互感器諧振誤判為單相接地而延誤了處理時(shí)間。下面，我們通過(guò)表1來(lái)說(shuō)明：表1 􀀁 單相接地、斷相、鐵磁諧振故障相( 線) 電壓比較相( 線) 電壓?jiǎn)蜗嘟拥毓收蠑嘞喙收翔F磁諧振非故障相對(duì)地電壓升高（完全接地時(shí)升高倍）不變一相對(duì)地電壓降低，另兩相對(duì)地電壓升高超過(guò)線電壓；或兩相電壓降低、一相電壓升高超過(guò)線電壓；或三相對(duì)地電壓同時(shí)升高，表計(jì)擺動(dòng)。故障相對(duì)地電壓降低（完全接地時(shí)降低到零）降低（但一般不會(huì)是零）與故障相相關(guān)的線電壓不變降低與故障相不相關(guān)的線電壓不變不變（三）單相接地、斷相、諧振故障的處理。對(duì)于出現(xiàn)接地信號(hào)的處理方法，規(guī)程里有具體的規(guī)定，這里不再闡述，僅提幾點(diǎn)注意事項(xiàng)：1.當(dāng)出現(xiàn)接地故障時(shí), 首先要通過(guò)絕緣監(jiān)察電壓表，檢查相、線電壓變化情況，區(qū)分判斷是真接地、斷相或鐵磁諧振（虛假接地），而后采取相應(yīng)的檢查和處理辦法。2.如判斷為真接地，進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)檢查人員應(yīng)根據(jù)當(dāng)時(shí)的具體情況（比如接地可能發(fā)生在開關(guān)室內(nèi)或出線附近）穿上絕緣靴, 詳細(xì)檢查變電所內(nèi)設(shè)備。若有發(fā)現(xiàn)接地點(diǎn), 則不得