电力系中性点各种接地方式

配电网中性点接地方式

1 引言

三相交流电网中性点与大地间电气连接的方式，称为电网中性点接地方式。

电力系统中性点接地方式是一个综合性的技术问题，它与系统的供电可靠性，人身安全，设备安全，绝缘水平，过电压保护，继电保护，通信干扰（电磁环境）及接地装置等问题有密切关系。

电力系统中性点接地方式是防止系统事故的一项重要应用技术，具有理论研究与实践密切结合的特点，因而是电力系统实现安全和经济运行的技术基础。

2 概念和术语

1）“中性点不接地”和“中性点绝缘”

我国常用中性点不接地这一术语，在有的国际场合称为“中心点绝缘”，后者容易使人误解为中性点零序阻抗是无限大。而通常所讲的中性点不接地，实际上是经过集中于电力变压器中性点的等值电容（绝缘状态欠佳时还有泄漏电阻）接地的。其零序阻抗多为一有限值，而且不一定是常数。如在工频零序电压作用下，零序阻抗可能呈现较大的数值，而在3次或更高次谐波的零序电压作用下，零序容抗锐减，高次谐波电流骤增。显然，中性点绝缘的概念对这一现象就解释不通了。

2）“中性点有效接地“和”中性点直接接地“

“中性点直接接地“这一术语对电力设备（如变压器）而言，含义是清晰的，它指该设备的中性点经过零阻抗接地。但对整个电力系统其含义是不确切的，容易造成误解。因为在高压电力系统，总有部分变压器的中性点不接地运行。甚至在全接地的超高压电力系统中，仍然存在着有的变压器中性点经低电抗接地的情况。IEEE32标准规定：当系统零序电抗与正序电抗之比不大于3，而且零序电阻对正序电抗之比不大于1是，该电力系统为中性点有效接地。

3）“中性谐振接地”和“中性经消弧线圈接地”

4)“中性非有效接地”

3 中性点接地方式的划分

小电流接地方式的特点是其单相故障接地电弧能够自行熄灭。电力系统的中心点接地方式根据上述原则，基本上可以划分为两大类：凡是需要断路器遮断单相接地故障者，属于大电流接地方式，凡是单相接地电弧能够瞬间自行熄灭者，属于小电流接地方式。

大电流接地方式：中性点有效接地（直接接地），经低电阻接地（中电阻接地），小电抗接地，低阻抗接地。

小电流接地方式：中性点经消弧线圈接地，自动跟踪补偿装置接地，高电阻接地，高阻抗接地，中心点不接地。

4 中性点不接地方式

4．1 中性点接地系统电力网的正常运行

对中性点不接地的三相电网，当三相电压对称，而各相的对地电容相等时，中

性点电位为零。因此，从正常传输电能的观点来看，中性点接地与否并无任何影响。

当中性点不接地系统的各相对地导纳（主要是容性导纳）大小不相等时，即使在正常运行状态，中性点的对地电位也不再是零。（不对称电压）这种现象的产生多数是由于架空线路排列不对称而又换位不完全的原因。

中性点位移的程度对电力网绝缘来说非常重要。

对中性点不接地系统，各项对地电流之和为零，故有：

(Ua+Uo)Y1+(Ub+Uo)Y2+(Uc+Uo)Y3=0

Uo=－(UaY1+UbY2+UcY3)/(Y1+Y2+Y3)

Y≈jωC Uo≈（UaCa+UbCb+UcCc）/(Ca+Cb+Cc)

在一般换位不完全的情况下，正常运行时中性点所产生的位移电压是较小的，可以忽略不计。而认为中性点的对地电位为零，对于采用水平排列的三相导线，即使完全不换位，中性点位移电压通常不超过电源电压的3-5%。

4．2 中性点不接地电网的单相接地

C相接地

U0+Uc=0

Uo=－Uc

Uda=U0+Ua=－Uc+Ua=1.732Uce－j150o

Udb=1.732Uce j150o

两个非故障相的对地电压升高了1.732倍。线电压仍保持不变，故对电力用户的继续供电没什么影响。尽管相对地电压升高了1.7倍，但对电网和电力设备无多大危险，因为在中性点不接地电网中，各种设备地绝缘是按线电压设计的。在中性点不接地电网中，单相接地电流等于正常时相对地电容电流的3倍。

以上是对于金属性接地而言，若经过过渡电阻接地，则故障相对地电压大于零而小于相电压，健全相的对地电压着大于相电压小于线电压。接地电流也比金属接地时小。

4．3 中性点不接地系统的弧光接地

单相接地时所产生的接地电流将在故障处形成电弧。这种电弧可能自行熄灭，间隙性的或稳定性的。

电弧接地过电压理论的最高值为3.5p.u。由于电弧接地过电压受许多随机因素的影响，任何模拟试验方法均很难获得准确的结果，所以因以电力系统的实测结果为主要依据。当判断其危害性时，还必须同时考虑其出现的概率和持续时间等。4．4 中心点不接地系统的适用范围

电力行标DL/T620—1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》规定:

3kV～10kV不直接连接发电机的系统和35kV、66kV系统,当单相接地故障电容电流不超过以下数值时,因采用不接地方式;当超过下列数值又需在接地故障条件下运行时,应采用消弧线圈接地方式:

a)3kV～10kV钢筋混凝土或金属杆塔的架空线路构成的系统和所有35kV、

66kV 系统,10A;

b)3kV～10kV非钢筋混凝土或非金属杆塔的架空线路构成的系统,当电压

为:

3kV和6kV时,30A

10kV时,20A

c)3kV～10kV电缆线路构成的系统,30A

同时还规定:6kV～35kV主要由电缆线路构成的送,配电系统,单相接地故障电容电流较大时,可以采用低电阻接地方式.

5 中性点经消弧线圈接地

5．1 概述

随着电网的发展，特别是电缆线路的增多，导致电网电容电流越来越大，当电网发生单相接地时不能可靠地熄弧而产生弧光接地过电压，危及电器设备的绝缘，或激发电磁式电压互感器产生铁磁谐振过电压对系统构成威胁。因单相接地熄不了弧，电弧对空气产生电离作用破坏空气的绝缘，会引起相间短路，使线路跳闸，影响供电可靠性。也加速开关设备的老化。因此新的“3－220kV电气装置过电压保护设计规范”规定3－10kV单相接地电容超过10A者应装设消弧线圈。

消弧线圈怎样使单相接地电弧自动瞬间熄灭呢？主要基于以下两点：

1）消弧线圈的电感电流补偿了电网的接地电容电流，限制了接地故障电流的破坏作用，使残余电流的接地电弧易于熄灭；

2）当残流过零熄灭后，又能降低故障相恢复电压初速度及其幅值，避免接地电弧重燃并使之彻底熄灭。

5．2 消弧线圈类型

a)人工调谐消弧线圈

人工调谐消弧线圈都是手动调匝式，从外形上看,消弧线圈和一个小容量的变压器差不多,所不同的是为了保持电流和电压之间的线性关系,采用具有空气隙的铁心,气隙沿整个铁心均匀设置以减少漏磁.为了调整补偿度,一般的消弧线圈的最大补偿电流和最小补偿电流之比为2:1至5:1,通常在这个范围内装有5～15个分接头以供调节用.

人工调谐存在下列问题：

一是调节不便。因为这种消弧线圈是无载调节的，要退出运行才能调节分接头，十分不便，因此造成实际运行中很少能根据电网电容电流的变化及时进行调节。

二是运行人员判断困难。因为没有在线实时测量电容电流的设备，当系统运行状态发生改变时运行人员即使想及时进行调节，也因为得不到电网电容电流的具体值而不能作出准确的判断。

三是变电站实行无人值班，非自动调节式消弧线圈在无人值班情况下调节困难。

四是电网的规模愈来愈大，电网的运行方式经常变化，消弧线圈调节愈来愈困难。

b) 自动调谐消弧线圈

由于传统的消弧线圈补偿系统中存在的问题和人工调谐的局限性，因此消弧线圈不能运行在最佳位置，消弧线圈的补偿作用得不到充分发挥。对国内和国际上的资料和运行经验的综合统计分析表明，不采用自动调节方法的补偿电网的补偿有效性大约为0。6，即60％的单相接地故障不发展为相间短路。采用自动调谐方法的补偿有效性可提高到0.9.近几年来，国内外许多单位研究开发自动跟踪消

谐装置，消弧线圈的自动调谐是靠自动测控装置按电网电容电流变化改变消弧线圈的电感，使单相接电容电流得到电感电流的有效补偿。中性点经消弧线圈接地装置由三部分组成：一是消弧线圈（或变压器），二是测量和控制装置，三是微机自动选线装置或微机接地保护。

自动补偿消弧线圈是自动补偿装置的核心部件，其调谐方式分为”预调式”和”随调式”两种。

a1) 予调式是指在电网无接地故障的情况下，消弧线圈予先自动调谐到合理的补偿位置，调谐工作通常由机械传动机构完成。

予调式消弧线圈主要为多级有载调节消弧线圈和无级连续调节消弧线圈两类，后者又分为动铁式和动圈式两种。目前应用最多的是动铁式连续调节的消弧线圈，铁芯中存在一定长度的可调气隙。

a2) 随调式自动跟踪消弧线圈是在电网发生单相接地故障时，消弧线圈迅即自动调谐到合理的补偿位置，目前国内所研究的随调式自动跟踪消弧线圈主要有以下几类：

调容式：

调容式自动消弧线圈是在传统调匝式消弧线圈的基础上，去除绕组上的分接头，增加二次绕组，通过可控硅控制变更接入其中的电容器组数，达到逐级调节补偿电流的目的。

磁阀式：

磁阀式消弧线圈是利用自励激磁技术控制铁心的饱和程度，实现对补偿电流的连续调节，当晶闸管不导通时，可控消弧线圈与空载变压器的作用相同，当发生接地故障时，控制系统由参数跟踪状态转入故障处理状态。根据予先处理好的数据信息来控制相应的可控硅，调节被控电流的大小，改变铁心的饱和程度，达到连续调节补偿电流的目的。

磁阀式为武汉水利电力大学陈维贤老师最早提出。

直流助磁式：

它的工作原理是在交流工作绕组内设置铁心磁化段，通过改变直流助磁通的大小，调节交流的等值磁导，使电感连续可调，通过对三相可控整流电路输出电流的闭环调节，实现对消弧线圈励磁电流的控制。

调感式：

调感式自动消弧线圈用晶闸管控制，将消弧线圈的部分绕组与晶闸管并联，通过变更导通角改变电感，实现补偿电流的连续调节。

其中广东电力试验研究所提出的应用可控硅技术的高短路阻抗变压器式补偿线圈较为理想，变压器的一次绕组作为工作绕组接入系统中，二次低压绕组作为控制绕组，由两个反向并联的可控硅控制，工作绕组的感抗改变由改变可控硅导通角来实现。

国外状况：

世界著名的哈佛莱公司（Heafely）开发了插棒式消弧线圈，它是动铁式连续无级调节方式，气隙调节范围大，由于线圈中分水平的上下磁通是对称分布的，所以铁心和线圈之间没有轴向的作用力，振动和噪声都很小，此种消弧线圈在欧洲许多国家被采用。

法国最近提出对固定式分接头的消弧线圈注入电流的办法改造人工调谐的消弧线圈。

自动调谐装置的比较：

多级有载调节消弧线圈成本低，调节方便，缺点是电感不能平滑调节，调节精度低，调节范围一般只能做到50%--100%，补偿效果不能达到最佳状态。

可调气隙式消弧线圈的优点是可以连续调节，结构简单，价格也不高。缺点是需要较为精密的机械传动装置，响应慢，燥声大，线性度差。

以上两种方式由于是随调式，为了防止谐振，限制中性点位移，都需串联阻尼电阻，在单相接地故障发生是，立即短接电阻，增加了附加装置和控制复杂性。

调容式消弧线圈的优点是调节范围大，可达10—100%，调节精度高，响应速度快，残流小。缺点是不能连续调节，用真空接触器投切电容器组装置较复杂，可靠性有问题。

磁阀式可控消弧线圈的优点是无可动铁芯，噪音小，可连续调节。缺点是有谐波，用可控硅，元件的可靠性要有相应保证。

直流助磁式与磁阀式优缺点类似，但直流助磁式还需直流电源。

高短路阻抗调感式削弧线圈调节范围大，线性度好，响应快。缺点有谐波，需装滤波器。

以上四种消弧线圈都是即调式，不会引起谐振，不需装阻尼电阻。

根据比较分析，武汉水利电力大学开发的磁调式自动调谐消弧线圈及广东电力试验研究所开发的高短路阻抗变压器式补偿装置优点较为明显，特别是后者，结构简单，一次部分仅为一台高短路阻抗变压器，设计简单，线性度好，可采用滤波技术消除谐波，测量、控制系统较易研制，由于电网正常状况下可控硅不工作，仅在发生接地故障时可控硅工作，因此解决了可控硅长期工作容易损坏的问题。其它方案都是利用励磁阻抗作为工作阻抗，由于铁心的励磁特性是非线性的，因而不可能在全电压范围内获得良好的伏安特性线性度，广东所用补偿线圈的工作阻抗是短路阻抗，在全电压范围内有极佳的线性度，这种补偿线圈不带有载开关，磁路不带间隙，结构最简单，制造容易。由于响应快，该系统在非接地故障情况下可工作于远离谐振点的区域，不会因串联谐振而产生过电压问题，因此不用串联阻尼电阻。仅用一台控制器可以实现多台并联运行，成本低，对系统适应性强。

随调式消弧线圈的主要缺点是易于产生谐振，因此要加装阻尼电阻，结构复杂，运行麻烦。另外调节速度慢，不能有效防止弧光接地过电压。

a3)关于微机选线和微机接地保护

在采用自动跟踪消弧线圈的接地系统，当发生永久性单相接地故障时，要求继电保护在很小的接地故障电流下瞬间检出故障线路并自动跳闸，或尽快转移负荷后再令断路器跳闸。由于在有消弧线圈时，接地电流很小，而且有复杂的电感分量，因此接地选线有相当困难，选线准确度不能保证。国内外在这方面做了不少工作，都宣称自己已解决了这个问题，但据供电系统反映，目前国内还没有真正完全过关的小电流选线装置。

近代微机技术为继电保护领域带来了一次革命，并将之提高到一个崭新的水平。只要工作原理正确，应用建立在运祘基础上的数字模拟技术，按不同条件用“群体比幅”，“相对相位”，“双重判据”和“重复判断”等办法，充分发挥微机的灵敏度高，计算速度快和综合分析能力强等特点，对电网中各条馈电线路的有关电量信息进行实时采集，同步记录与集中处理，便可克服电网运行方式多变与线路长短不一等限制，使多种模式的接地保护装置，均能在小电流接地系统中实现对故障线路的选择。目前国内外所使用的方式有有功电流接地保护，功率方向接地

保护，谐波电流接地保护，暂态电流接地保护，负序电流接地保护，电流信号注入式接地保护，零序导纳接地保护，残流增量接地保护。由于以上方法各有缺陷，所以国内山东大学，阿继，邯郸自动化研究所，广东电力试验研究所等都在此基础上进行了开发。

5．3消弧线圈的使用

1）消弧线圈接地系统，在正常运行情况下，中性点的长时间电压位移不应超过系统标称相电压的15％

2）消弧线圈接地系统故障点的残余电流不宜超过10A，必要时可采取将系统分区运行。

3）消弧线圈宜采用过补偿运行方式

4）消弧线圈的容量应根据系统5～10年的发展规划而定，并应按下式计算：W=1.35IcUn/1.732

W—消弧线圈容量，kV A

Ic—接地电容电流，A

Un—系统标称电压，kV.

5) 如变压器无中性点或中性点未引出，应装设专用接地变压器，其容量与消弧线圈的容量相配合。

6) 如果单纯从熄灭故障点接地电弧的角度出发，消弧线圈在全补偿（谐振点）状态下工作最为有利，同时这也有利于故障点绝缘介质耐压强度的恢复。这是谐振接地方式的基本出发点。但实际上，对于运行中的电网，特别是中压电网，一般线路的换位情况欠佳，电网的三相对地电容不相等，因此，中性点对地必然存在一定数值的残余电压，当消弧线圈投入运行后，电网的三相对地电容与消弧线圈的电感会形成串联谐振。使电网的中性点发生显著的位移，造成设备损坏。所以消弧线圈在正常运行情况下应该适当偏离谐振点工作。

6 中性点经电阻接地

随着城市电网的发展,电网结构有了很大变化,电缆线路的比重逐年上升.城市中心区,出现了以电缆为主的配电网.许多城市配电网的对地电容已经超过200A.同

时结构紧凑的全封闭GIS电器和氧化锌避雷器已经广泛使用,这类进口设备也逐渐增多.在此情况下,采用中性点不接地或经销弧线圈接地方式会带来许多问题.因此中性点经电阻接地方式也被愈来愈广泛的使用。

1）采用中性点经销弧线圈接地方式，切合电缆线路时电容电流变化较大，需要及时调整消弧线圈的调谐度，操作麻烦，并要求熟练的运行维护技术。同时因电网中电缆增多，电容电流很大，要求消弧线圈的补偿容量随之增大，很不经济。

2）原有中性点接地方式的电网的过电压高，持续时间长，包括工频过电压，弧光接地过电压，各种谐振过电压。他们对设备绝缘和氧化锌避雷器的安全运行是严重的威胁。对各电网中大量的进口设备的绝缘威胁更大。这些进口设备本来是适用于中性点接地系统的，和中性点绝缘系统设备相比，绝缘水平低一级，价格便宜的多。但必须降低系统过电压。

3）原有的中性点接地方式单相接地故障电流小，难以实现快速选择性接地保护。使过电压持续时间长，对绝缘不利。而电缆一旦发生单相接地，其绝缘不能自行恢复，不及时切掉故障，容易使故障扩大。

中性点电阻接地按接地电流大小可分为高电阻，中电阻，低电阻三种。6．1 高电阻接地

所谓高电阻接地。按美国IEEE142－1991标准“在接地系统中，通常有目的地用接入电阻来限制接地故障电流到10安培以下，是本系统电流继续流过一段时间而不致加重设备的损坏，高电阻接地系统的电阻设计应满足

采用高电阻接地方式的条件为：

1）单相接地后立即清除故障而且仃电会对工业企业造成废品，损坏机器设备，人身伤亡或释放出危害环境的物质，酿成火灾或爆炸的系统。

2）备有接地故障检测和定位的系统。

3）有合格人员运行和维护的系统

4）高电阻接地允许带故障运行时间一般可达2小时。

对我国10kV 到66kV系统做高电阻接地方式时，若使流经中性点电阻的电流不超过10A，这样便和报批的“3～220kV电气装置过电压保护设计规程”相一致，这对于我国重要工业企业及重要的单回路供电的重要用户具有重要意义。高阻接地方式的特点和优点

1）抑制单相接地过电压

单相接地故障发生后，其中性点偏移最大值为相电压

暂态过电压《2。5倍相电压

是高频分量的频率明显降低，抑制高频熄弧重燃过电压很有效

使单相接地故障点电流对零序电压的超前角远小于90度

衰减时间常数明显降低

2）既能带故障短时间继续供电，又能提供带故障检测和对接地故障点定位条件

3）大量减少设备损坏

4）消除大部分谐振现象

5）跨步电压，接触电压低，减少人身伤害事故

6）简化设备

由于电流小，允许带故障运行时间较长，所以对继电保护要求不太高，一般仅动作于报警

若用Y/Δ接线变压器作人工接地点，电阻一般接于Δ二次侧，占用空间小阻值也低，但要求通流容量高

若用Z型变压器时，电阻直接接入Z型变中性点与地之间，此时要求阻值大，通流容量小

可装配氧化锌避雷器，由于它能耐受工频过电压，残压也低，对系统安全有利。

中性点经小电阻接地

中性点经小电阻接地的优点与高电阻接地有共同之处，小电阻接地的主要特点是在电网发生单相接地时，能获得较大的阻性电流，这种方式的优点是：能快速切除单相接地故障，过电压水平低，谐振过电压发展不起来，电网可采用绝缘水平较低的电气设备；单相接地故障时，非故障相电压升

高较小，发生为相间短路的概率较低；人身安全事故及火灾事故的可能性均减少；此外，还改善了电气设备运行条件，提高了电网和设备运行的可靠性。

大的故障接地电流也带来一些问题：

引起地电位升高超过安全允许值，对通行的干扰，供电可靠性受影响。对供电可靠性，可采取以下措施：

a)一部分架空馈出线，设置自动重合闸，

b)尽快加速架空线路电缆化改造，

c)对电缆配网进行改造，按N＋1的结构模式组成环网，

d)逐步对配网进行改造，为配网自动化创造条件，在对故障点进行自

动检测的基础上实现遥控，遥信，缩短单相接地故障的恢复时间。低电阻接地电阻值的选择:

1)按限制单相接地短路电流小于三相短路电流的条件选:

Rn=Ue/1.732kId k: 系数,根据各电网要求选取,

Id: 系统三相短路电流

2)按单相接地故障时限制过电压倍数K≤2.5的条件选择:根据计算

和试验分析,当流经接地电阻的电流Ir≥1.5Ic时,就能把单相接地

过电压倍数限制在 2.5倍以内.这时,接地电阻的阻值

Rn=Ue/1.732Ir.

3)根据对通信干扰不产生有害影响选择

4)按保证接触电压和跨步电压不超过安全规程要求选择.

7 中性点直接接地

中性点直接接地电网中发生单相接地故障时，中性点的电位仍然保持为零，非故障相的对地电压接近于相电压，可能略有增大。这样是电网的绝缘水平和造价降低。采用中性点直接接地方式可以克服中性点不接地方式所存在的某些缺点，但大的单相接地短路电流，对电气设备造成严重破坏，还将对邻近的通信线路和信号装置产生电磁干扰。为了避免这种干扰应使输电线路远离通信线路，或在弱点线路上采取特殊的保护装置。这些措施将使线路造价增加。

由于中性点直接接地电网在发生单相接地时要切断供电，影响供电可靠性，为了弥补这个缺点，在线路上应装设自动重合闸，靠它尽快恢复供电。为了限制单相短路电流值，通常只将电网中一部分变压器的中性点直接接地或经电抗接地。

总的说来，中性点直接接地电网的主要优点是在单相接地时中性点的电位接近于零，非故障相的对地电压接近于相电压，略有增大。这样就可使电网的绝缘水平和造价降低。对高压电网，绝缘水平的高低与经济性有很大关系。

各种接地方式的比较

电力系统中性点接地方式的选择

标准的规定：DL、T620—1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》规定：

1）110kV～500kV系统应采用有效接地方式，

2）110kV及220kV 系统中变压器中性点直接或经低阻抗接地，部分变压器中性点也可不接地。

3）330kV及500kV系统中变压器中不允许变压器中性点不接地运行。

4）3kV～10kV不直接连接发电机的系统和35kV,66kV系统，当单相接地故障电容电流不超过下列数值时，因采用不接地方式；当超过下列数值又

需要在接地故障条件下运行时，应采用消弧线圈接地方式：

a)3kV～10kV钢筋混凝土或金属杆塔的架空线路构成的系统和所有

35kV,66kV系统，10A

b)3kV～10kV非钢筋混凝土或或非金属杆塔的架空线路构成的系统，

当电压为：

3kV和6kV时，30A

10kV时，20A

c)3kV～10kV电缆线路构成的系统，30A

5）3kV～20kV具有发电机的系统，发电机内部发生单相接地故障不要求瞬间切机时，如单相接地故障电容电流不大于表中所示允许值时，用采用

不接地方式；大于该允许值时，应采用消弧线圈接地方式，且故障点残

流也不得大于该允许值。消弧线圈可装在厂用变压器中性点上，也可装

在发电机中性点上。

发电机接地故障电流允许值

发电机内部发生单相接地故障要求瞬间切机时，宜采用高电阻接地方式。电阻器一般接在发电机中性点变压器的二次绕组上。

6) 6kV～35kV主要由电缆线路组成的送配电系统，单相接地故障电流较大时，可采用低电阻接地方式，但应考虑供电可靠性要求，故障时瞬态电压，瞬态电流对电气设备的影响，对通行的影响和继电保护技术要求以及本地的运行经验。