工業企業內3～10 kV中壓系統中性點經電阻接地的分析

聶善峰

(中鋁工業服務有限公司， 北京 102209)

1 問題的提出

工業企業中供配電系統中性點接地是為保證系統正常工作及在系統出現故障時，能迅速排除故障，并使得供電系統能繼續運行的一種接地方式。對于大多數企業的3～10 kV中壓系統而言，供配電系統多是由3～10 kV電纜線路構成，按《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合DL/T 620—1997》中規定，當單相接地故障電容電流不超過30 A時，應采用不接地方式；當超過30 A又需在接地故障條件下運行時，應采用消弧線圈接地方式；6 kV和10 kV配電系統以及發電廠的廠用電系統，在預期單相接地故障電容電流較小時，為防止系統諧振、間歇性電弧接地引起的過電壓等對設備的損害，可以采用高電阻接地方式。

2 目前工業企業內3～10 kV中壓系統中中性點接地方式的種類及優缺點

我國早期曾規定：將電力系統中性點接地方式分為兩類：小接地短路電流系統和大接地短路電流系統。因故障條件下的接地短路電流大小無法用電力系統中性點接地方式分類來明確界定，故改稱為中性點有效接地系統和中性點非有效接地系統。

電力系統中性點有效接地，不僅包括直接接地系統，還包括經低值阻抗(低值電阻器或低值電抗器)接地，同時要求全系統的零序電抗(X0)與正序電抗(X1)之比(X0/X1)為正值并小于3，零序電阻(R0)與對正序電抗(X1)之比為正值并小于1。反之則為中性點非有效接地系統。

中性點經消弧線圈接地和不接地系統一般稱為電力系統中性點非有效接地。按運行需要可將配電網中性點與參考地的電氣連接方式分為不接地、經消弧線圈接地、經(高、中、低值)電阻器接地、經低值電抗器接地及直接接地等。這些中性點接地方式又各具獨自的優缺點。

2.1 配電網中性點不接地系統的優缺點

配電網中性點不接地是指電網中性點沒有任何一點人為與大地進行直接連接。事實上，由于配電系統中線路和設備的對地電容，這樣的配電網還存在通過對地電容接地，電網發生單相接地時，其故障穩態工頻電流較同規模的中性點經低值阻抗接地的配電系統小。

2.1.1 中性點不接地系統主要優點

(1)雷擊絕緣閃絡瞬時故障無需跳閘，可自動消除。

(2)如發生金屬性接地故障，系統可短時單相接地運行，即電網可短時不間斷供電，相對而言提高了電網的供電可靠性。

(3)預期穩態接地電流小，預期及實際地電位升高較小。減小了故障時的跨步電壓和接觸電壓。同時對信息系統的干擾小，對低壓配電網的反擊小等。

(4)經濟方面則節省了中性點接地設備，因此接地系統投資少。

2.1.2 中性點不接地系統缺點

(1)與中性點經電阻接地系統相比，會產生高的過電壓(如弧光過電壓和鐵磁諧振過電壓等)，對弱絕緣來說擊穿概率加大。

(2)在發生間歇性電弧接地故障時，會產生大的高頻振蕩電流，可達數百安培，有可能引發相間短路。

(3)故障定位是該方式的難點，不能正確迅速切除接地故障線路。

2.2 配電網中性點經消弧線圈接地的優缺點

配電網中性點諧振接地是指配電網內一個或多個中性點經消弧線圈與大地連接，設計使消弧線圈的穩態工頻感性電流對電網穩態工頻容性電流進行自動補償，目的是使得在發生接地故障時具有小的殘流，并有可能自行消除。因此，中性點不接地系統所具有的優點，中性點消弧線圈接地系統全有并更有優勢些。同樣，中性點不接地系統的缺點，中性點消弧線圈接地系統亦都具備，僅是出現最大幅值弧光過電壓的預期概率會小些。這是因為經消弧線圈補償后降低了單相接地時的發生電弧的概率。

消弧線圈接地方式的使用是否可靠，很大程度上還取決于消弧線圈、自動跟蹤系統、選線裝置等裝置本體的可靠性。

2.3 配電網中性點直接接地的優缺點

配電網中性點直接接地是指配電網中全部或部分運行變壓器的中性點沒有設置人為阻抗加入，并直接與大地(地網)充分連接。使該電網處達到R0≤X1和X0/X1≤3的規范要求。

中性點直接接地系統的優點如下：

(1)發生接地故障時，產生的內部過電壓較低，可采用較低絕緣水平設備與電纜，節省系統基建投資。

(2)因接地電流是有功的，發生接地故障時，故障易定位，可以正確迅速切除接地故障線路。

中性點直接接地系統的缺點如下：

(1)接地故障線路迅速切除，供電連續性較差。

(2)接地電流大，故障點地電位上升較高。這樣可能增加電力設備損傷。

(3)接觸電壓和跨步電壓增大。

(4)對信息系統干擾增大。

(5)對低壓網的反擊增大。

2.4 配電網中性點電阻器接地的優缺點

配電網中中性點接入電阻器，其目的是限制接地故障電流。采用中性點經電阻器(每相零電阻R0≤XC0每相對地容抗)接地，理論上可以消除中性點不接地和消弧線圈接地系統的缺點，既降低了瞬態過電壓幅值，又使靈敏而有選擇性的故障定位的接地保護得以可靠實現。這種系統的實際接地電流比直接接地系統的小，故地電位升高及對信息系統的干擾和對低壓電網的反擊都會減弱。因此，中性點電阻器接地系統同時具有中性點不接地及消弧線圈接地系統或直接接地系統的某些優點，當然，也或多或少存在這兩種接地方式的一些缺點。

按限制接地故障電流大小的要求不同目的，分高、中、低值電阻器接地系統，具體的優缺點亦不相同。

2.4.1 中性點高值電阻器接地系統的優缺點

中性點高值電阻器接地系統是指限制接地故障電流水平在10 A以下，高電阻接地系統設計應符合每相零序電阻R0≤XC0(每相對地容抗)的原則，用以限制由于系統間歇性電弧接地故障時產生的瞬態過電壓。其優點：

(1)可以防止和阻尼諧振過電壓，以及間歇性電弧接地過電壓，其值在2.5PU及以下。

(2)可限制接地電流水平為10 A以下，減小了預期及實際地電位升高。

(3)可能帶單相接地故障短時運行，接地故障可以不立即消除。

缺點：使用范圍受到限制，一般用于小規模的6～10 kV配電網絡和發電廠廠用電系統。

2.4.2 中性點中值電阻器接地系統的優缺點

為了克服高值和低值接地系統的弊端而保留其優點，可以考慮采用中值電阻。使接地故障電流控制在50～100 A，但仍保留了低水平的內過電壓、較小的地電位升高、正確迅速切除接地故障線路等優點，同時亦具有待切除接地故障線路的不連續供電等缺點。

3 3～10 kV中壓系統中性點經電阻接地的理論分析

采用中性點經電阻接地的目的，一方面是為了限制接地故障電流，防止大電流對故障點設備和線路造成嚴重的燒傷和損壞，另一方面是為了限制中性點不接地系統所產生的異常過電壓，以使系統和電氣設備的絕緣不遭受破壞。采用電阻接地，是介于中性點不接地和中性點直接接地系統之間的一種中間系統，兼有二者之長。

在系統中性點接入一個電阻，可以限制其接地故障電流值，是顯而易見的，要分析中性點接入電阻后限制過電壓，要從單相接地時產生的諧振過電壓來分析。當平衡的三相系統中單相(設A相，VA)接地時，其故障條件(邊界條件)為：

UA=0，IB=0，IC=0。

滿足該故障電壓及三個電流序量相等的復合序網如圖1所示。

圖1 故障電壓及三個電流序量相等的復合序網

應用對稱分量法，求得非故障相(B相和C相)的對地電壓分別為：

對于系統和線路，可取Z1=Z2，并且a2+a+1=0，則有：

(1)

同樣，可求出C相電壓為：

(2)

當h≈0時，

(3)

(4)

(5)

(6)

對于中性點接入電阻RN，等效與相- 地間電容C0并聯，其零序阻抗Z0近似等于二者并聯。

(7)

(8)

XC0為系統對地的總容抗。

4 作為結論的幾點建議

供配電系統中性點接地問題，是一個綜合的技術問題。它的確定與選擇，與系統供電的可靠性、過電壓與絕緣水平、繼電保護以及對通訊的干擾、電力系統的穩定都有關系。本文僅探討了工業企業電力系統電阻接地的應用理論基礎。各種中性點接地方式都各有特點，每種方式都只有在一定的條件下使用才是合理的。電阻接地方式也是如此。現就工業企業6～10 kV中壓供電系統，關于接地電阻的使用，除在使用中注意同一電壓系統應只有一點接地外，提出如下參考建議：

(1)對于連續供電要求高的企業及工藝生產裝置，當電容電流估算超過30 A時，企業又處在多雷害地區，在架空線路較多時，則以采用消弧線圈接地方式為宜。系統采用消弧線圈接地后，仍可容許在2小時內檢查及排除故障連續供電，對暫時的接地能自行消除，不需斷路器跳閘，能限制過電壓在容許的范圍內。但其缺點是操作維護較復雜，繼電保護困難，接地裝置費用高，僅在必須時采用。

(2)當電容電流估算超過30 A時，而對連續供電的可靠性又沒有較高要求時，應采用低值電阻接地。這是因為當預期接地故障電流太大時，如果采用中性點不接地，暫時性的接地電弧不能自動熄滅，過電壓危險增加，當單相接地故障不能及時排除時，往往會發展成為相間短路故障。我國規程規定，應采用消弧線圈接地方式接地。當供電可靠性要求不高或者繼電保護裝置的快速反應能滿足供電要求時，采用低值電阻接地還是可以的。但采用低值電阻接地比采用消弧線圈接地方式接地的供電可靠性較低。低值電阻接地帶來的主要缺點是當發生接地故障時要中斷對故障回路的供電。供電的可靠性還可以從系統的設計解決。

(4)當電網電容電流在10 A以下，而對連續供電的可靠性又有較高要求的系統，尤其是在3～10 kV配電母線上有大量的旋轉電機直接連接的場合，可優先選擇高電阻接地的方式。因為通過上述分析，高電阻接地能限制異常過電壓，在發生單相接地故障時，允許持續帶電運行，直到有計劃的排除接地故障，對于旋轉電機來說，其絕緣最為薄弱，而又要求有較高的供電可靠性。采用高電阻接地是合適的，比采用消弧線圈簡單經濟。