淺析發電廠廠用電系統中性點接地方式的選擇

汪波濤，王明芳，田 侃，蘭 柏，王 勇，陳 瑞

（國網新源控股有限公司技術中心，北京市 100161）

淺析發電廠廠用電系統中性點接地方式的選擇

汪波濤，王明芳，田 侃，蘭 柏，王 勇，陳 瑞

（國網新源控股有限公司技術中心，北京市 100161）

本文對各種接地方式的優缺點進行了比較，對一起發電廠電纜著火事故進行了分析，并結合廠用電系統的特點，提出了適合廠用電系統的中性點接地方式。

中性點；接地；廠用電

目前，我國電力系統中性點接地方式主要有以下幾種：不接地、直接接地、低阻接地、高阻接地、諧振接地等。這幾種接地方式廣泛運用于我國電力系統，各有優缺點。中性點接地方式的選擇涉及過電壓、絕緣配合、繼電保護、供電可靠性等方面的因素，需要根據系統的特點以及設備狀況綜合考慮。發電廠廠用電系統主要由電動機、電纜等絕緣較為薄弱的設備組成，因此，需根據廠用電系統的特點，結合各種接地方式的優缺點，選擇相應的中性點接地方式。

1 各種接地方式

1.1 中性點不接地

中性點不接地系統可以視為經容抗接地的接地系統，該電容是由電網中的電纜、架空線路、電機、變壓器等所有電氣設備對地耦合電容所組成。當發生單相接地故障時，流經故障點的穩態電流是對地電容電流，一般故障電流較小，當故障電流在允許的范圍內，能帶故障運行較長時間，供電可靠性較高。

但是當電纜回路多，線路較長時，電容電流將很大，單相接地時接地電弧則不能自動熄滅，會造成事故擴大。而且，當發生單相接地時，非故障相的電壓會升高為線電壓，中性點電壓也會上升為相電壓，嚴重威脅著設備絕緣。中性點不接地系統見圖1。

圖1 中性點不接地系統Fig.1 Isolated neutral system

在GB/T 50064—2014中有如下規定：不直接連接發電機、由電纜線路構成的6～20kV系統，當單相接地故障電容電流不大于10A時，可采用中性點不接地方式。

1.2 中性點直接接地

中性點直接接地系統中，當發生單相接地時，由于存在短路回路，所以接地電流很大，繼電保護裝置將動作跳閘，因而供電可靠性差。同時，由于故障電流很大，可能會灼傷設備，尤其是因各種原因引起繼電保護裝置不能正確動作，或者不能及時動作時，則很有可能造成相間短路，嚴重時會損害設備。

但是，中性點直接系統，當發生單相接地時，非故障相電壓不會升高，可以降低系統的絕緣水平。同時，單相接地產生較大的短路電流，保護裝置能準確做出判斷，提高了保護的靈敏度。

中性點直接接地系統主要運用于110kV以上的高壓系統，對于高壓系統中性點選擇主要考慮絕緣配合，若中性點不接地，當發生單相接地時，未故障相就要承受倍的相電壓，瓷絕緣子體積就要增大近一倍，絕緣投資將大大增加。

1.3 中性點低阻接地

中性點低阻接地系統較直接接地系統，故障電流大大減小，但是一般也達上百安培，同時，跟直接接地系統一樣，低阻接地系統過電壓的危險也較低。

但是低阻接地系統單相接地時故障電流也較大，存在燒傷設備的危險，同時，繼電保護裝置必須動作于跳閘，其供電可靠性也不高。

1.4 中性點高阻接地

高阻接地系統是利用高阻大大減小故障電流，一般在數十安培。目前最常見的高阻接地主要采用配電變經二次電阻接地的方式，這種接地方式能將接地故障電流限制在一定的水平內，同時，也能抑制暫態過電壓。

但是，高阻接地系統還是未能解決單相接地時，電弧自熄的問題。在廠用電系統中，電纜較多，一旦電纜發生單相接地，電弧不能及時熄滅，會造成嚴重的后果。

1.5 中性點諧振接地

中性點諧振接地系統是在中性點通過消弧線圈接地的方式，這種接地方式是利用消弧線圈的電感電流來補償電容電流，使單相接地時的故障電流很小，電弧能自行熄滅，不會傷害到設備，也能帶故障運行一段時間，供電可靠性較高。

在中性點經消弧線圈接地電力系統中，由于各相對地電容不相等，會引起中性點對地的位移電壓。這個位移電壓會導致三相電壓的不平衡,而中性點位移電壓可表示為［見式（1）］：

式中：ν——脫諧度ν=(IC–IL)/IC；

d——系統的阻尼率，d=3gc/ω(Ca+Cb+Cc)；

gc——對地電導；

ρ——不對稱度，ρ=–(Ca+α2Cb+αCc)/(Ca+Cb+Cc)。

從式（1）中可以看出，中性點位移電壓與不對稱度ρ及三相的對地電容不對稱有關，與系統的阻尼率d有關，還與脫諧度ν有關。因此，在消弧線圈接地系統中，要調整好脫諧度，防止中性點位移電壓過高，不得超過規程規定相電壓的10%。

消弧線圈的補償一般有過補償和欠補償。假設系統的電容電流為Ic，消弧線圈的補償電流為IL，ν=(Ic–IL)/Ic，式中ν為脫諧度，若IL大于Ic，則稱為過補償，若IL小于Ic，則稱為欠補償。一般電網運行中都采用過補償運行，因為在欠補償運行時，若發生一條線路跳閘，Ic減小，脫諧度減小，會引起中性點位移電壓增大的情況。尤其在一相斷線情況下，由于電網三相對地電容不對稱度增大，中性點位移電壓將隨之增大，為了減少位移電壓，一般在消弧線圈上并聯電阻，加大系統阻尼率。

目前系統中常用的消弧線圈都需要手動調節，不能根據系統對地電容量的變化進行補償，且由于故障電流減小為很小的殘流后，繼電保護裝置正確識別故障線路，保護的選擇性和靈敏度都降低了。

隨著電力科技的高速發展，自動跟蹤補償消弧線圈加自動選線裝置的接地方式（見圖2）在電力系統中得到越來越廣泛的運用。自動跟蹤補償消弧線圈裝置可以自動適時地監測跟蹤電網運行方式的變化，快速調節消弧線圈的電感值，跟蹤補償變化的電容電流，使脫諧度始終處于規定的范圍內，有效防止內部過電壓。

圖2 自動跟蹤補償消弧線圈加自動選線裝置的接地Fig.2 The grounding system with automatic tracking compensation are suppression coil and automatic line selection device

2 各種接地方式的優缺點

以上各種中性點接地方式各有特點，這是它們廣泛運用于電力系統的原因。對于某種接地方式的好壞不能一概而論，應根據系統、設備的情況選擇更適合的接地方式。為了更直觀地了解比較各接地方式的優缺點，我們從人身安全、接地電流、過電壓、供電可靠性、繼電保護工作可靠性等方面進行對比（見表1）。

表1 各種接地方式優缺點比較Tab.1 The advantages and disadvantages of all kinds of grounding method

中性點不接地系統在對地電容電流較小時，能自動清除單相接地故障，而不必跳閘，供電可靠性有保障，但是一旦電容電流超過允許值，電弧則不能自動熄滅，存在電弧接地過電壓和燒傷設備的危險。因此中性點不接地系統正逐步被其他接地方式取代。

中性點經電阻接地系統，可以直接消除中性點不接地系統的缺點，實現靈敏而有選擇性的接地保護，并減少電弧接地過電壓的危險。但是從某種程度上說，它幾乎同時具有直接接地、不接地和經消弧線圈接地三種方式的主要缺點。

中性點直接接地系統過電壓較低，也不需要任何附加接地設備，投資較小，但是，在這種系統中，一切故障都將引起斷路器跳閘，且單相接地電流很大，有時候還會超過三相短路電流，有嚴重燒損設備的危險。

而自動跟蹤補償消弧線圈加自動選線裝置的接地方式，單相接地故障電流小，電弧能自行熄滅，對人身安全和設備威脅最小，由于能自動跟蹤調節，可以將脫諧度控制在適當范圍，抑制了過電壓的水平。

3 某電廠6.3kV中性點不接地系統電纜著火事故

3.1 電廠6.3kV廠用電系統簡介

某發電廠由一期、二期、三期和紅石4座電站構成，共安裝11臺機組，總裝機容量200萬kW。其中二期電站由2臺30萬kW混流式水輪發電機組組成，1992年全部投產發電。一期、二期、三期電站共有3臺廠用高壓變壓器，分別是一期21B，二期26B（見圖3），三期27B。廠用高壓變壓器高壓側接于220kV系統，中性點接地，低壓側通過限流電抗器接6.3kV母線，6.3kV系統為不接地系統。

6.3kVⅠ段母線上接2臺電機、4臺變壓器（6.3kV/400V）以及2回與第一、三期連接的饋線；6.3kVⅡ段母線上接1臺電機、5臺變壓器（6.3kV/400V）以及2回與第一、三期連接的饋線。所有設備均通過6.3kV電纜與6.3kV母線相連，而且有多回電纜距離較長，6.3kV系統對地電容較大。

圖3 某電廠6.3kV廠用電系統第二期廠用高壓變壓器26BFig.3 Phase Ⅱ auxiliary transformer 26B of the 6.3kV auxiliary power system in a power station

3.2 事故原因分析

經事故調查，電廠二期電站火災事故的發生，是由于二期廠用高壓變壓器26B至限流電抗器間6.3kV電力電纜在副廠房三層電纜室電纜豎井轉角處，因電纜通道空間狹小，且路徑單一，致使電纜彎曲半徑過小，損傷絕緣，最終發展成單相間歇性接地，直至三相短路。

電廠6.3kV系統為不接地系統，單相接地時，故障電流為系統三相總對地電容電流Ic，當Ic超過允許值時，電弧就不能自行熄滅，而電纜的絕緣薄弱，耐火性能較差，繼電保護裝置又未及時正確動作，隔離故障回路，所以，導致電纜著火，進而發生火災，造成了事故進一步擴大。因此，中性點不接地系統，一旦電容電流超過允許值，電弧不能自動熄滅，將會嚴重威脅設備的安全。

3.3 中性點不接地的6～35kV系統反措要求

《國家電網公司十八項電網重大反事故措施》中規定：對于中性點不接地的6～35kV系統，應根據電網發展每3～5年進行一次電容電流測試。當單相接地故障電容電流超過《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》（DL/T 620—1997）規定時，應及時裝設消弧線圈；單相接地電流雖未達到規定值，也可根據運行經驗裝設消弧線圈，消弧線圈的容量應能滿足過補償的運行要求。在消弧線圈布置上，應避免由于運行方式改變出現部分系統無消弧線圈補償的情況。對于已經安裝消弧線圈、單相接地故障電容電流依然超標的應當采取消弧線圈增容或者采取分散補償方式；對于系統電容電流大于150A及以上的，也可以根據系統實際情況改變中性點接地方式或者在配電線路分散補償。

4 發電廠廠用電系統中性點接地方式的選擇

發電廠廠用電系統過去大多選擇中性點不接地，靠電弧自動熄滅來消除單相接地故障。但是，隨著發電廠高壓廠用電負荷增加、高壓電纜也不斷增多，電纜線越來越長，隨之而來的是高壓廠用電系統的對地電容電流不斷增大，直接威脅著設備的安全。因此，需要結合目前廠用電系統的特點，從過電壓、絕緣配合、繼電保護、供電可靠性等方面來選擇合適的中性點接地方式。

發電廠廠用電系統多為電動機、電纜等絕緣薄弱的設備，這就要求系統對地電容電流小，過電壓威脅小。而且，發電廠廠用電系統在供電可靠性方面有特殊的重要性，那么就對繼電保護的選擇性和靈敏性有較高的要求。

通過以上對各種中性點接地方式的分析比較，自動跟蹤補償消弧線圈加自動選線裝置的接地方式適合發電廠廠用電系統。這種接地方式單相接地故障電流小，電弧能自行熄滅，對人身安全和設備威脅最小，而且由于可以自動跟蹤調節，將脫諧度控制在適當范圍，所以能有效抑制過電壓水平。

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汪波濤（1980—），男，工程師，本科，主要研究方向：電氣設備性能技術監督及故障分析。E-mail:240161888@qq.com

王明芳（1963—），女，助理工程師，中專，主要研究方向：控制系統及設備檢修。

田 侃（1981—），男，高級工程師，研究生，主要研究方向：電氣一次設計。E-mail:27633261@qq.com

蘭 柏（1982—），男，高級工程師，研究生，主要研究方向：電氣設備性能技術監督及故障分析。E-mail:13601094639@163.com

王 勇（1981—），男，高級工程師，研究生，主要研究方向：電氣設備管理。E-mail:yong-wang.zhw@sgxy.sgcc.com.cn

陳 瑞（1981—），女，河南鄭州人，高級工程師，碩士，主要研究方向：電力系統高壓電氣設備試驗及狀態評價。E-mail:chenrui 0705@126.com

A Brief Study on the Selection of Neutral Point Grounding Way of Power Plant Auxiliary Power System

WANG Botao, WANG Mingfang, TIAN Kan, LAN Bo, WANG Yong, CHEN Rui
(Technology Center of State Grid Xinyuan Company Ltd, Fengtai District, Beijing 100161, China)

In this paper, the advantages and disadvantages of all kinds of grounding method were compared, and a power cable fire accident was analyzed.Meanwhile, the suitable for auxiliary power system neutral point grounding way was put forward, combined with the characteristics of auxiliary power system.

neutral point; grounding; auxiliary power system

TV74

A 學科代碼：570.25

10.3969/j.issn.2096-093X.2016.05.012