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《电力系统中性点接地方式的探讨》 日期:2011/5/6 15:28:37     作者:李玉领 李猛     关注:

一、概述

电力系统的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、设备安全、绝缘水平、人身安全、过电压保护、继电保护、通讯干扰(电磁环境)及接地装置等问题有密切的关系。

电力系统中性点接地方式与电力系统中最常见的单相接地故障关系密切。研究中性点接地方式的目的,主要在于正确认识和恰当处理频发的单相接地故障,并将其不良后果降到最低限度,这样才能提高电力系统的运行绩效,使效益投资比更高,运行维护费用更低。

长期运行经验和理论分析表明,对于高压、超高压和特高压电力系统而言,主要矛盾是限制工频电压升高和内部过电压,以降低电力设备的绝缘水平;对与中压电力系统来说,则主要是限制单相接地故障电流的危害性问题。

随着科学技术的飞跃发展,在电子、微电子技术的支持下,接地继电保护难题顺利解决,相应的低电阻接地方式和高电阻接地方式终将被谐振接地方式所取代。

二、中性点接地方式的发展简述

在发展初期,电力系统的容量较小,人们认为工频电压升高是绝缘故障的主要原因,即使相电压短时间升高至∨3倍,也会威胁安全运行。由于对过流的一系列危害作用估计不足,同时对电力设备耐受频繁过电流冲击能力估计过高,所以,电力设备的中性点最初都是采用直接接地方式运行。随着电力系统网络的扩大,单相接地故障的增多,线路断路器经常跳闸,造成频繁的停电事故,无法保证供电的可靠性,于是,便将上述的直接接地方式改为不接地方式。后来,随着工业的快速发展,电力系统网络不断增大,传输线路距离不断延长,电压等级逐步升高。当电力系统发生单相接地故障是,接地点流过的电容电流形成的电弧不能自行熄灭,同时,间歇性电弧产生的过电压往往又使事故扩大,显著的降低了电力系统的运行可靠性。

为了解决电力系统运行中出现的这些问题,当时世界上两个工业比较发达的国家分别采取了不同的解决途径。德国为了避免对通信线路的干扰和保障铁路信号的正确动作,采用了中性点经消弧线圈的接地方式,自动消除瞬间性的单相接地故障;美国采用了中性点直接接地和经低电阻、低电抗等接地方式,并配合快速继电保护和开关装置,瞬间跳开故障线路。这两种具有代表性的解决办法,对后来世界上许多国家的电力系统中性点接地方式的发展产生了很大的影响。

随着,额定电流等级显著升高,220KV高压电力系统在一些发达国家中陆续出现。为了节约电网的基础投资,中性点接地方式也有了新的发展,并且形成了有效接地方式和非有效接地方式的两大基本格局。

中性点有效接地方式类中,含有非常有效(全)接地方式,它适用于220KV以上的超高压和特高压电力系统;中性点非有效接地类中,包括以低电阻接地方式为代表的大电流接地方式和以谐振接地方式为代表的小电流接地方式,它们适用于110KV及以下的中压电力系统,其中的小电流接地方式已经并正在成为这些系统中性点接地方式的发展方向。

三、中性点接地方式的简述

当电力系统中的任何一相发生单相接地故障时,单相接地故障电流的大小和非故障相工频电压的高低,即所谓的电力系统的基本运行特性,对应于不同数值范围的接地程度系统。各种中性点接地方式的电力系统具有不同的基本运行特性。

1、中性点有效接地和全接地系统,包括有效接地系统和全接地(非常有效)接地系统。

2、中性点非有效接地系统,包括中性点不接地系统和谐振接地系统。

其中中性点非有效接地方式类包括大电流接地方式、小电流接地方式和组合接地方式等。这些接地方式主要适用于110KV及以下的中压电网,问题相对比较复杂,其中最具代表性的为低电阻接地和谐振接地方式。

1、大电流接地方式

中压电网中性点大电流接地方式包括中性点直接接地、低电抗接地和低(中)电阻接地方式等。一般认为,若单相接地故障电流等于或超过400A时,则为低电阻或低电抗接地方式;若单相接地故障电流为150~200A时,则为中电阻接地方式。实际结果表明,若单相接地故障电流较大,则其缺点和破坏作用会较严重。从各国中压电网中性点接地方式的发展历程和现实情况来看,限制单相接地故障电流的危害性是明显的发展趋势。

(1)直接接地

在电流系统发展初期,由于人们对内部过电压和绝缘的耐受特性等诸多问题缺乏研究,而发电机的绝缘相对最弱,当电网发生单相接地故障时,人们担心非故障相上的过电压和工频电压升高,可能引起发电机绝缘击穿,导致烧机事故的发生。而中性点直接接地方式的突出优点,就是内部过电压最低,同时接地继电保护问题也十分简单,故当时的电力系统主要为发电机,中性点均采用直接接地方式。

国内外电力系统的运行经验表明,因线路单相接地故障经常造成停电事故,同时电流设备频繁遭受过电流的冲击而损坏。特别是当线路靠近首端接地时,由于单相接地故障电流超过三相短路电流,以致造成定子绕组严重损坏,导致机轴变形等;当发电机内部发生单相接地故障时,必然发生烧机事故。所以,现在除超高压和特高压电力系统外,包括中压电网在内,中性点直接接地方式已经废弃不用。

(2)低电抗接地方式

为了限制单相接地故障电流的破坏作用,会在中性点加装限流电抗器的措施。为了保证单相过电流保护装置的正确动作,起初选定的感抗值一般较低。实际经验表明,中性点低电抗接地方式与直接接地方式相差无几,而中电抗接地方式改善效果又不明显,自然会向高电抗接地方式发展,但是,由于价格较高并未得到推广应用,不过它对消弧线圈的诞生起到了一定的催生作用。

因为接地电抗器价格比电阻器昂贵,此种中性点接地方式世界上现已极少采用。

(3)低电阻接地方式

中性点接地电阻器的投资明显低于接地电抗器,而且它的阻尼衰减作用对零序回路十分有益,限流特性明显优于中性点直接接地和低电抗接地方式。同时,它可以使自由振荡电荷很快泄入大地,对降低电弧接地过电压比较有利,特别是利用最简单的零序过电流保护装置,便可有选择性地跳开故障线路等。所以,在电力系统发展初期阶段,在电弧接地过电压理论尚未完善和小电流接地系统继电保护选择性未解决之前,一般认为低电阻接地方式有优点。

随着时间的推移和科学技术的发展,目前,世界各地的中压电网发展很快,接地电容电流迅速增大,对人们生命财产的威胁日益严重,同时,大量远程通信系统和计算机系统等不断投入运行,负荷特性已经发生了改变,加之IEC绝缘配合标准的修订等,客观上要求改善电能供应质量、建立更新更高的标准,限制单相接地故障电流的危害性,已经成为各国中压电网发展的不可逆转的必然趋势。在当代电子、微电子技术的支持下,传统谐振接地方式已经实现了优化,克服了过去的缺点,为适应这一发展创造了十分有利的条件。

相反,数十年来低电阻接地方式的技术内涵基本没有改变,与谐振接地方式的差距越来越明显。因此,美国IEEE第130号标准中明确规定,将15KV以下中性点经低电阻接地的单相接地故障电流,限制到400A以下。日本推荐采用200A以下的中电阻接地方式;专门生产接地电阻器的美国PGR公司,现在已经明确向高电阻接地方式发展。不过,中、高电阻接地方式的应用范围又均受限制,特别是高电阻接地方式尤为明显。

现在,世界上很多发达国家的中压电压都把中性点经低电阻接地改为谐振接地方式,显著提高了安全效果和供电连续性。这些实际结果充分说明,利用低电阻接地方式跳开故障线路的时代已经结束了。