配电系统中性点接地类型

配电系统中性点接地类型

由于早期电力系统中首次接地故障不要求切断（tripping）系统，所以这样的系统多数中性点不接地。对于连续程序工业来说，首次接地故障所致的非计划停机尤不可取。这些电力系统需要接地探测系统，但是故障定位通常很难。虽然实现了最初的目标，不接地系统无法控制瞬态过电压。

典型配电系统中系统导线和大地之间存在容性耦合。因此，当相对地发生多次重燃时，这种串联谐振LC回路会产生远超过线电压的过电压。这反过来降低了绝缘寿命从而引起可能的设备故障。

中性点接地系统与熔断器相似，直到系统发生故障时才启动。与熔断器一样，中性点接地系统保护设备及工作人员免受伤害。故障持续时长以及故障电流大小是导致这种伤害的两个因素。接地继电器使断路器跳闸并限制故障持续时间，中性点接地电阻限制故障电流大小。

1 中性点接地的重要性

对于中低压电力系统来说有许多中性点接地方式可用。变压器，发电机和旋转机械的中性点对地网络的基准电压为零。相对于不接地系统来说，这种保护措施具有许多优势：z降低瞬态过电压；

z简化接地故障定位；

z提高系统及设备的故障保护能力；

z缩短维护时间并降低维护费用；

z工作人员的安全性更高；

z提高雷电保护水平；

z降低故障频率。

2 中性点接地方法

中性点接地方式有以下五种：

z中性点不接地系统；

z中性点固定接地系统；

z中性点电阻接地系统；

低电阻接地

高电阻接地

z中性点谐振接地系统；

z谐振接地系统；

z接地变压器接地。

2.1 中性点不接地系统

不接地系统中导线和大地之间没有内部连接。但是，这样的系统中，系统导线和相邻的地表间存在容性耦合。因此，所谓的“不接地系统”实际上是具有分布电容特质的“容性接地系统”。

在正常运行条件下，这种分布电容不会造成任何影响。实际上，它建立了一个系统的中性点，因而效果是有益的。因此，地面上的导体仅仅被施加线对中性点的电压。。

在接地故障条件下会产生问题。一条线路接地故障会导致整个系统均出现线电压。因此，系统的所有绝缘均需承受1.73倍的正常电压。这种情况经常导致老电动机和变压器由

于绝缘击穿而发生故障。

2.1.1 优势

首次接地故障后，假定其为单相故障，回路持续运行以确保持续生产，直到计划断电时进行维护；

2.1.2 劣势

在正常开断具有线对地故障（短路）回路的过程中，故障系统及其分布电容间的相互影响可能会导致线对地出现瞬态过电压（数倍额定电压）在原有故障之外，这些过电压可能会导致绝缘失败；

首次故障清除之前，另外一相会出现第二次故障。这会导致非常大的线间故障电流，设备损坏及电路中断；

产生设备损坏成本；

涉及冗长的的反复试验,定位故障复杂：首先隔离正常馈线，随后是支路，最后是故障设备。结果导致不必要的长时间停电及费用。

图1 中性点不接地系统结构图

2.2 中性点固定接地系统

固定接地系统通常应用于600 V及以下的低压系统。

在固定接地系统中，中性点通常接地。相对于中性点不接地系统来说，中性点固定接地系统可稍微减少瞬态过电压造成的影响，并为接地故障电流提供路径，该电流在系统三相故障电流的25-100%范围内。但是，如果变压器或者发电机的电抗太高，则这种接地系统也无法解决瞬态过电压的问题。

虽然相对于不接地系来说，固定接地系统有进步，并且加快了故障定位，但他们缺乏电阻接地时的限流能力和这一接地方式提供的额外保护。

为确保系统健康和安全，变压器中性点需接地，同时接地导线必在相同电缆管道和导管内，从电源侧延伸到系统最远的点。旨在维持接地故障阻抗保持在最低水平，相对较高的故障电流流动，要确保断路器或熔断器能够迅速清除故障，将损失降至最低。这同时还能减少对工作人员的伤害。

如果不是固定接地系统，系统中性点将根据接地情况而“浮动”，为负载的函数这将使得线对中性点的负载遭受电压不平衡和不稳定。

在中性点固定接地系统中单相接地故障电流会超过三相故障电流。电流大小取决于故障位置和故障电阻。一种降低故障电流的方法是部分变压器中性点不接地。

2.2.1优势

固定接地系统的主要优势在于过电压低，并且接地设计在高电压等级可通用

2.2.2劣势

z该系统涉及到所有大接地故障电流的缺点和危害：损害和干扰最大；

z馈电故障时停运；

z故障期间产生的接触电压高会伤害工作人员。

2.2.3应用

分布中性点导线；

三相+中性点分布；

用中性点导线作为保护导线，每个输电极系统接地；

电源侧短路功率低时采用。

图2 固态接地系统

2.3电阻接地系统

电阻接地系统用于三相工业领域多年，解决了固定接地和不接地系统无法解决的许多问题。

通过电阻接地系统限制相对地故障电流，其原因如下：

z降低像开关设备、变压器、电缆及电动机这样的电力设备中燃烧和熔化的影响；

z降低承载故障电流的回路/设备的机械应力；

z降低因杂散接地故障引起的电击对工作人员造成的伤害；

z降低吹弧或闪爆风险；

z减少电压瞬间骤降；

z确保瞬态过电压控制，同时改善电力系统接地故障检测。

接地电阻通常连接在大地与变压器、发电机及接地变压器之间，根据欧姆定律以限制最大故障电流限制在一定范围，保护电力系统设备不受伤害，同时确保足够的故障电流流动，以便故障检测，并运行接地保护继电器以清除故障。虽然通过高电阻中性点接地电阻来限制故障电流，极大减小了接地短路电流，但导致保护装置无法检测到故障。

因此，通常通过低阻值的中性点接地电阻来限制单相故障电流，使其接近变压器和/或发电机的额定电流。

此外，设计人员通过将故障电流限制在预测的最大值来选择相应的运行保护装置，从而快速定位故障，将系统断电时间缩至最低。

电阻接地分为以下两种：

低电阻接地；

高电阻接地；

单相故障接地时，接地故障电流注入两种电阻，将升高其余两相的相对地电压。因此，导线绝缘和避雷器额定参数必须以线对线电压为基础。在为低电阻接地系统选择两极或三极断路器时要考虑到相对地电压会暂时升高。

与接地故障电流相关的相对地电压上升，还要避免线对中性点负荷直接与系统相连。如果出现线对中性点负荷（像227 V冲击），则必须选用固定接地系统。通过配三相三角一次系统和三相四线二次系统的隔离变压器来解决这一问题。

（低电阻或高电阻）这两种接地系统都不能减轻相间故障闪弧造成的伤害，但两种系统均可明显降低或完全消除相对地故障闪弧危害。两种接地系统都可限制机械应力，并降低了电力设备、回路以及装置承载故障电流时带来的热损坏。

低电压接地和高电阻接地的区别在于对事故的预判，因此没有严格的定义。通常来说，高电阻接地指系统中NGR允许通过电流不高于50-100 A。低电阻接地指NGR电流在100 A 以上。

两种电阻类型系统的区别仅在于报警和跳闸。在不确定时间内，系统单相接地故障时，仅报警系统持续运行。在跳闸系统中，通过保护继电器和断路器装置自动清除接地故障。仅报警系统通常将NGR限定在10 A及以下。

中性点接地电阻额定参数如下：

电压：连接到系统的线对中性点电压；

初始电流：施加额定电压电阻流过初始电流；

时间：不超出允许温升条件下，电阻运行时间。

图3 电阻中性点接地

2.3.1 低电阻接地

低电阻接地用于大型电力系统，这种系统中，重要设备投资成本高，设备运行的延长损失具有重要的经济影响低电阻接地一般不用于低压系统中，这是因为接地故障电流被限制在很小的水平上，无法可靠保证断路器触发单元或熔断器的操作。此外，低电阻接地系统不适于4线负荷，因此，不适用于商业市场。

系统中性点通过电阻和地连接，通常允许通过的接地故障电流在200-1200 A之间。必须有足够的电流通过，以确保保护装置可以检测到故障回路并切断该回路，并且这么大的电流在故障点不会产生重大损害。

由于接地阻抗以电阻的形式出现，任何过电压迅速衰减以及整个瞬态过电压现象都不再适用。尽管从理论上看，可以应用于低压系统（如：400 V），但通过接地电阻的系统电压大幅下降，电弧上电压不足以促使电流流动，则故障亦无法被可靠的检测出。基于上述原因，低电阻接地不适用于低压系统（1000 V以下线对线）。

2.3.1.1 优势

z相对地电流限制在200-400 A；

z降低燃弧电流，在某种程度上，限制仅与相对地燃弧电流有关的闪弧危害；

z可以限制对短路变压器及旋转机械绕组的机械损害及热损害。

2.3.1.2 劣势

无法阻止过电流装置运行；

不需要接地故障检测系统；

可以在中压或高压系统中使用；

导线绝缘和避雷器额定参数必须以线对线电压为基础，相对中性点负荷必须通过绝缘变压器提供；

使用：通常用于400 A、10 s的中压系统。

图4 电阻中性点接地

2.3.2 高电阻接地

除了接地故障电流通常限制在10 A及以下外，高电阻接地几乎与低电阻接地相同。高电阻接地具有以下两个特点：

首先，接地故障电流很小，在故障点没有明显的损坏。也就是说，首次故障时故障回路不需要从系统中切断。也意味着一旦故障发生，我们无法定位故障。从这个角度看，高电阻接地系统类似于不接地系统。

其次，如果设计得当，高电阻接地可以控制不接地系统中的瞬态过电压现象。

在接地故障条件下，电阻必须支配系统的充电电容，在不允许过量电流流过的同时，保持系统连续运行。。

当系统一相短路或电弧接地时，高电阻（HRG）系统限制故障电流，但水平低于低电阻系统。

在故障接地条件下，HRG通常将电流限制在5-10 A。

HRG的额定电流恒定，因此特殊单元的描述不包括时间参数。与NGR不同，流过HRG 的接地故障电流通常不明显，不足以启动过电流装置。由于接地故障电流没有开断，所以必须安装接地故障检测系统。

这些系统包括旁路接触器，它通过在电阻的一部分上设置抽头，用以获得脉冲（周期性分合闸）。当接触器分闸时，接地故障电流流过整个电阻。当接触器合闸时，部分电阻被旁路，导致电阻较低且接地故障电流较大。

为避免瞬态过电压，必须规定HRG的规格，以确保单元允许流过的接地故障电流超过电力系统充电电流。作为一个经验法则，预计低电压系统中系统容量充电电流为 1 A/2000 kV A，在4.16 kV时系统容量为2 A/2000 kV A。

如果有浪涌抑制器则这一预计的充电电流增大。低压系统中安装的每套抑制器会导致充电电流大约升高0.5 A，安装在4.16 kV系统中的每套抑制器使充电电流增加1.5 A。

预计480 V、3000 kV A系统的充电电流为1.5 A。增加一套浪涌抑制器总充电电流将增加0.5 A，达到2.0 A。在这样的系统中可以使用一台标准5 A的电阻。大多电阻制造商都印有详细的预测表，以便更加准确地预测电力系统充电电流。

2.3.2.1优势

z弱电容接地系统中检测高阻抗故障；

z自动清除一些相对地故障；

z可用中性点电阻将瞬态过电压限制在基频最大电压的2.5倍；

z相对地电流限制在5-10 A；

z减小燃弧电流并最终消除与仅与相对地燃弧电流相关的闪爆伤害；

z消除机械损坏，并且限制对短路变压器和旋转机械绕组的热损害；

z禁止过电流装置运行，直到定位到故障（仅一相接地故障）；

z可用于低压或达到5 kV的中压系统。IEEE 141-1933规定，高电阻接地应限制在5 kV及以下电压等级系统，充电电流大约为5.5 A及以下，不能在15 kV系统中尝

试使用，除非采用特殊的恰当的接地继电器。

z导线绝缘及避雷器额定参数必须以线对线电压为基础，相对中性点负荷必须通过隔离变压器提供。

2.3.2.2劣势

与强或适当的容性接地系统结合使用会产生额外的接地故障电流，从而增加成本；

要求使用接地故障检测系统，以示意工程人员有接地故障产生。

图5 电阻中性点接地

2.4 谐振接地系统

在系统中性点与大地之间增加感性电抗，是将接近最大3相短路故障水平（几千安）的故障电流降至相对较低水平（200-800 A）的一个简单的方法。

为限制电力系统中接地故障电流的无功部分，可在变压器中性点和变电站接地系统间连接中性点电抗器。

系统中至少有一个中性点通过以下方式接地：

z感性电抗；

z Petersen线圈/电弧抑制线圈/接地故障清除装置。

接地故障期间电抗产生的电流大约补偿单相接地故障电流的容性分量，称为谐振接地系统。

通常系统很难正确调谐，也就是说，无功电流并不正好等于系统的容性接地故障电流。

感性电流略大于容性接地故障电流的系统会被过度补偿。。感性接地故障电流略小于容性接地故障电流的系统会欠补偿。。

然而，经验显示，在燃弧接地故障条件下，接地感性电抗与系统接地并联电容共振，系统产生非常高的瞬态过电压。

为控制瞬态过电压，设计必须允许在故障条件下至少60%的3相短路电流流通。

例如，3相短路容量为10000A系统的接地电抗器为6000 A。由于接地故障电流幅值大，

要求控制瞬态过电压，因此工业中很少使用电感接地。

2.4.1 Petersen线圈

Petersen线圈连接于系统中性点和大地之间，并规定了额定参数，以便通过线圈的感性电流补偿接地故障中的容性电流。虽然还留有少量的电流，故障相和大地之间的电弧无法维持，所以故障会消失。像针式绝缘子断裂这种较小的接地故障，系统可以自愈，不需要断电。瞬间故障也不会引起系统断电。

尽管由于线路和线圈中的电阻损耗，标准的Petersen线圈无法完全补偿电网中的接地故障电流，但目前可以通过Peterson线圈向中性点注入额外180。失步相电流来补偿剩余电流。从而故障电流实际为零。这样的系统就是众所周知的剩余补偿谐振接地系统，可视为特殊的感性接地。

谐振接地可降低EPR至安全水平。由于Peterson线圈经常可以有效地作为高阻抗NER，减少任何接地故障电流，谐振接地可降低EPR至安全水平，从而减少相应的EPR伤害（如：EPR引起的接触电压、跨步电压和传输电压对附近通信网络的伤害）。

2.4.1.1 优势

系统的相对地电容与小无功接地故障电流无关；

检测高阻抗故障。

2.4.1.2 劣势

清除有功接地故障损耗大、风险高；

成本高。

图6 谐振中性点接地

2.5 接地变压器

在无法实现中性点接地的情况下（如：三角形绕组），可以通过接地变压器为单相故障电流提供回归路径。

在这种情况下，接地变压器阻抗足以满足有效接地阻抗。此外，根据需要可以串联增加阻抗。特殊的zig-zag变压器有时可以用于三角绕组的接地，为接地故障提供低零相序阻抗及高正负相序阻抗。

避雷器额定参数，断路器单极方式额定参数及服务于相对中性点负荷的方法。

图7 中性点接地变压器

3 结论

电阻接地系统较固定接地系统有许多优势，包括降低闪弧伤害、限制故障引发的机械和热损害、控制瞬态过电压。

高阻抗接地系统可用于维持运行连续性并支持故障源定位。设计具有接地电阻的系统时，设计/咨询工程师必须考虑导线绝缘额定参数的特殊需求。

条件不接地固定接地低电阻接地高电阻接地阻抗接地

杜绝瞬态过电压较差好好最佳最佳

差最佳好差

线对地故障条件下

电压应力上升73%

设备保护较差差较好最佳最佳

人员安全性较差较好好最佳最佳

运行可靠性较差好较好最佳最佳

维护成本较差好较好最佳最佳

便于定位首次接地

故障

较差好较好最佳最佳

便于设计人员协调

保护装置

不可取好较好最佳最佳

降低故障频率较差较好好最佳最佳

避雷器中性点不

接地

中性点接地中性点不接地中性点不接地中性点不接地

相对地故障电流占三相故障电流百分比不足1% 变化，100%

或以上

5-20% 不足1% 5-25%