关于电力系统中性点接地方式及其单相接地故障的分析

杨森，马海亮，孙少华，杨宏宇，孟天娇，刘乔

UABUA-UB （华北电力大学）

IUAB Summary of power system grounding

A1jCSen-YANG,Hailiang-MA,Shaohua-SUN,Hongyu-Y 由此看来，当电源中性

点不接地系统发生单相接地时，在该系统中正常运

ANG,Tianjiao-MENG,Qiao-liu

行的三相用电设备并未受到影响，因为线路的线电(North China Electric Power University) 压无论其相位和幅值均未发生变化。但是这种线路 Abstract:This paper discusses the power system 不允许在单相接地故障情况下长期运行，因为在单grounding，and when it breaks down,the changes

相接地的情况下，其他两相的对地电压将升高√3of each phase voltage Electric current based on current theory 倍，容易引起相绝缘的损坏，从而形成两相和三相and simulation,as well as arc suppression circle what is applied 断路，造成电力系统的事故，影响安全用电。另外，to the problem.

发生单相接地故障时，系统接地电流(故障相接地 Keywords:voltage,current,grounding,arc suppression circle 电流)增大到原来的3倍，将会在接地点处引起电摘要：本文主要论述了电力系统接地方式，发生故障时各弧，这是很危险的。如果接地不良，接地处还可能相电压、电流的理论和仿真变化情况，以及处理中所应用的出现所谓间歇电弧。间歇电弧常引起过电压(一般消弧线圈。

可达2．5倍～3倍的相电压)，威胁电力系统的安全关键字：电压、电流、接地、消弧线圈

1、电力系统中性点的接地方式

运行。

电力系统中性点的接地方式分为4类：①电源

因此，实际中规定：单相接地故障运行一般不中性点不接地；②电源中性点经阻抗接地，在高电得超过2小时。

压系统中通常是经消弧线圈接地；③电源中性点直由上述分析可知，在中性点不接地系统中，当发生单相接地时，线电压仍然对称。若接地电流小，电接接地；④经低电阻接地。前两类系统称为小接地流过零值时电弧将自行熄灭，接地故障随之消失；电流系统，亦称中性点非有效接地系统；后两类系若接地电流大，则产生间歇电弧或稳定电弧，造成统称为大接地电流系统，亦称中性点有效接地系过电压或烧毁电气设备。因此，中性点不接地系统统。注：后两类经常可以看做一类。

仅适用于单相接地电容电流不大的小电网。

2.接地方式

由上面可以看出，当接地电流（实际为电容电2.1中性点不接地

流的和）过大（①3 kV～6 kV 的系统为30 A；②如图1系统正常运行时,三相电压对称，三相10 kV 系统为2OA；③35 kV～60 kV系统为1O A）时，有必要采取一定措施，减弱这一接地电流，消对地电容电流Ia、Ib、Ic也是平衡的,三相电容电弧线圈应运而生。

2.2中性点经消弧线圈接地法

流的相量和为零，没有电流在地中流动。每一相对 消弧线圈：消弧线圈是一台带有间隙的分段铁地电压=相电压。

芯可调线圈，类似于电感。

如图2，当发生单相接地故障时，假设C相接如图3，经消弧线圈接地法：

地，这时C相对地电压为0，而非接地的A相和B相对地电压升高为原来的3倍，而接地电流a ,bI两相对地电容电流之和，即 IcIIcoaIc为

cob，

c3Ic0（Ic0为c相初始值）。 方程：仅以一相为例

UBUC1IbCjC UU1ACjCIaC IbCIaCI接地ILU中性点jLIL根据消弧线圈中电感电流对接地电容电流的补偿程度不同，可分为全补偿、欠补偿、和过补偿三种补偿方式。

分析：当系统发生单相接地时，流过接地点的电流是接地电容电流IIC 与流过线圈的电感电流L之和： 如图4，由于 IC 超

UBUC1jCIbCUAUC1jCIaCIbCIaCI接地ILU中性点jLIL前UC90 ，而 IL滞后UC90，IC与 IL相位相

反，在接地点相互补偿。只要消弧线圈电感量选取合适，就会使接地电流减小到小于发生电弧的最小生弧 电流，电弧就不会产生，也就不会产生间歇

A负B载C小电阻III过电压。

（1）当 ILIC，即L1/(3C))时，接地点的电流为 0，这种补偿称全补偿。从补偿观点来看， 全补偿应该是最好的，但实际上不采用这种方式。因为系统正常运行时，各相对地电压不完全对称，中性点对地之间有一定电压，此电压可能引起串联谐振过电压，危及电网的绝缘。

（2）当 ILIC，即感抗大于容抗时，接地点尚有未补偿的电容电流，这种补偿称欠补偿。这种补偿方式也很少采用。因为在欠补偿运行时，如果切除部分线路（相当于切除了部分并联电容，因此对地电容减小，容抗增大，IC 减小），或系统频率降低（感抗减小 IL 增大，容抗增大 IC 减小），都有可能使系统变 为全补偿，出现电压串联谐振过电压。

(3)当 ILIC 即感抗小于容抗时，接地点出现多余的电感电流，这种补偿称过补偿。过补偿可以避免出现上述的过电压，因此得到广泛应用。因为 ILIC，消弧线圈留有一定的裕度， 也有利于将来电网发展。采用过补偿，补偿后的残余电流一般不超过 5～10 安培。运行实践也证明,不同电压等级的电网,只要残余电流不超过允许值，接地电弧就会自动熄灭。

2.3 中性点直接接地方式

如图5，中性点直接接地适用于大多数的110 kV～145 kV电网，降低绝缘水平，减少设备和线路的投资。220 kV及以上电压的电网，由于电压较高，除存在对地电容外，还存在较大的电晕损耗和泄漏损耗，因而接地电流中既有无功分量又有有功分量。即使消弧线圈的电感按全补偿的条件选择，也只能使接地电流的无功分量为零（即电容电流的和），而接地点仍有接地电流的有功分量流过。电压等级愈高，这部分有功电流就愈大，其数值可达100 A～200 A以上，致使电弧不能熄灭，从而损坏电气设备或发展为相间短路。为此，220 kV及以上

电压的电网，规定其中性点采用直接接地方式。

图5I无功IaCIbC I有功I电晕I 泄露中性点直接接地时， 由于限流电抗很小，在发生单相接地时，流经故障点的电流很大，对电力设备造成的后果很严重，并且还会导致故障范围的扩大，引发大面积停电，降低重要线路的供电可靠性，甚至对运行人员的安全构成威胁。但有利的是各设备的继电保护容易动作，通过断路器的瞬时快速动作，可以把大的短路电流限制在一定范围内。另外，直接接地系统的中性点电位稳定在地电位，正常相对地的电压不发生变化，最大长期工作电压稳定在相电压，因而由接地故障引起的暂态电压等大为降低。所以，这种接地方式多见于110kV以上的电网。因为110kV以上的电网单相接地的概率比中低压电网小，所以只要提高输电线路的耐雷水平，安装自动重合闸装置，就可以基本实现系统的安全运行。这种接地方式也适用于小于 600V的低压电网中。 2.4 经小电阻接地方式

长期以来，我国中压10～35kV配电网中性点采用不接地或经消弧线圈接地。上述做法对架空线路为主的电网是十分适宜的。因为架空线路在发生单相接地故障时，允许短时运行一段时间，也可通过自动重合闸来消除瞬时性故障。

但是随着城市配电网中电缆线路的使用比重增加，这种发生单相故障后不立即跳闸的中性点接地方式不再适用。因为电缆发生故障时，必须停电检修，不允许重合闸运行。传统的接地方式暴露出很多弊端：间歇性弧光接地过电压和谐振过电压超过了避雷器的耐受能力；电容电流的增大所需要的消弧线圈的容量也将随之增大；金属氧化物避雷器(Metal Oxide Arrester，MOA)在单相接地故障下

的事故率增高，必须采用MOA并联间隙的方式才能保证安全运行，而这种并联间隙的方式在参数配合时也并非一件易事。

UBUC1jCIbCUAUC1IjCaC IbCIaCI接地IRU中性点RIL 如图6，中性点串联接入某一电阻器以后，故障

相的对地电压值将大于零而小于相电压，而其他两相的对地电压值则大于相电压而小于线电压，接地电容电流IC值略小。泄放熄弧后半波的能量，则中性点电位降低，故障相的恢复电压上升速度也减慢，从而减少电弧重燃的可能性，抑制电网过电压的幅值。低电阻接地方式可以获得大的阻性电流叠加在中性点上，继电保护易动作，能快速切除故障，不易引起谐振过电压，可降低电缆的绝缘水平，异相接地的概率大大降低，可瞬时清除故障，运行维护都很方便，主要用于10kV、25kV、30kV以电缆为主的城市配电网中。但是低电阻接地方式，线路的跳闸率会增加；单相接地电流过大，对通信线路的干扰也很大，所以应该采取适当的保护措施。 总结：

由上文对几种中性点接地方式的分析可以看出，每种接地方式都有各自的利弊，在实际应用的过程中应根据具体情况具体分析。对于电压等级较低的电网来说，大多数都采用中性点不接地方式。随着微机保护的推广应用，当3～10KV系统接地电流大于30A,20～63V系统接地电流大于10A时，采用经消弧线圈接地的运行方式较好，因为在微机的控制之下，消弧线圈可以根据电流的大小来调整电感，达到最好的补偿效果。电压等级较高的电网一般采用直接接地的方式，可以降低绝缘标准。

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附录：为了更好的研究单相短路对于不同的中性点接地方式电路的影响，我们利用ADS软件进行了仿真，以直接接地、小电阻接地、消弧线圈为例，仿真了短路相接地电流、中性点电流、短路相电容电流以及三相电压的变化。

A ,i.01ebor_PI0time, msec

中性点不接地（A相金属接地）A相接地点电流仿真图

00

中性点不接地-A相金属接地 A、B、C相电压仿

真结果图

Af ,i.2eb0orP_I0time, msec

中性点不接地（A相金属接地）中性点电流

仿真图

A ,i.3eboPr_I00time, msec 中性点不接地（A相金属接地）A相电容

电流仿真图

00time, msec

中性点小电阻接地（A相金属接地）A、B、C相电压仿真结果图

10050A ,i.1eb0orP_I-50-100020406080100120140160180200time, msec

中性点小电阻接地（A相金属接地）接地点电流真 结果图

32A ,i.13eboPr_0I-1-2020406080100120140160180200time, msec

中性点小电阻接地（A相金属接地）A相电容电流仿真

结果图

10050A ,i.2eb0orP_I-50-100020406080100120140160180200time, msec

中性点小电阻接地（A相金属接地）中性点电流真

结果图

中性点消弧线圈接地（A相金属接地）A、B、C相电压仿

中性点消弧线圈接地（A相金属接地）A相

00time, msec真结果图

中性点消弧线圈接地（A相金属接地）中性点

64A ,i.21eborP_0I-2-4020406080100120140160180200time, msec 电流仿真图

50A ,i.3eb-5orP_I-10-15020406080100120140160180200time, msec接地点电流仿真图

中性点消弧线圈接地（A相金属接地）A相

654A ,3i.2eb2orP_1I0-1-2020406080100120140160180200time, msec电容电流仿真图