電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式的現(xiàn)狀與發(fā)展分析

一、導(dǎo)論

電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式是一個綜合性的技術(shù)經(jīng)濟(jì)問題。它與供電可靠性、人身安全、設(shè)備安全、絕緣水平、過電壓保護(hù)、繼電保護(hù)、通訊干擾及接地裝置等技術(shù)密切相關(guān)，并具有理論研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)緊密結(jié)合的特點(diǎn)，因而是電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定運(yùn)行的系統(tǒng)工程問題。

電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式與系統(tǒng)中頻繁的單相接地故障關(guān)系最為密切，因此，研究的目的主要就在于正確認(rèn)識和恰當(dāng)處理此類故障，將其不良后果降到最低限度，以提高系統(tǒng)的運(yùn)行績效，使效益投資比更高、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用更低。在選定方案的決策過程中，必須根據(jù)系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展規(guī)劃進(jìn)行全面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，優(yōu)勝劣汰、與時俱進(jìn)，避免因失誤造成不良后果。

在處理不同電壓等級的中性點(diǎn)接地方式時，遵循電壓、電流互換特性的基本理念，均可獲得滿意的結(jié)果。對于特高壓、超高壓和高壓系統(tǒng)而言，主要矛盾是限制工頻電壓升高和內(nèi)部過電壓，降低設(shè)備的絕緣水平，節(jié)省基建投資;對于中壓系統(tǒng)而言，主要是限制單相接地故障電流的危害性，提高系統(tǒng)的安全運(yùn)行水平。

電力系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地方式分為有效接地和非有效接地兩大類。前者廣泛適用于高壓、超高壓和特高壓系統(tǒng);后者主要適用于60kV及以下的中壓系統(tǒng)，且情況比較復(fù)雜。

過去，在電力系統(tǒng)發(fā)展的歷程中，220kV系統(tǒng)的中性點(diǎn)曾采用消弧線圈(諧振)接地，隨著系統(tǒng)的不斷擴(kuò)大，運(yùn)行可靠性降低和聯(lián)網(wǎng)等需要，后來被有效接地方式所替代[1];而110kV系統(tǒng)接地方式的選擇，則需視地域和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)等因素而定。

當(dāng)今，電力負(fù)荷特性發(fā)生了明顯的改變，用戶對電能質(zhì)量提出了新的、更高的要求，中壓系統(tǒng)和大型發(fā)電機(jī)的接地方式問題逐漸突顯，同時世界范圍內(nèi)長期存在的繼電保護(hù)等技術(shù)難題相繼攻克，這就為更好地選擇接地方式創(chuàng)造了有利條件。知識經(jīng)濟(jì)和信息時代更加需要高質(zhì)量電能的連續(xù)供應(yīng)，即使電壓閃變也會對信息系統(tǒng)帶來麻煩，這在發(fā)達(dá)國家已經(jīng)發(fā)生，所以必須正確處理中性點(diǎn)接地方式問題。

實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。在解決這一問題時必須增強(qiáng)實(shí)踐(運(yùn)行)觀點(diǎn)，并認(rèn)真總結(jié)國內(nèi)外電力系統(tǒng)長期的、正反兩面的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，從中吸取有益的教訓(xùn)，力求使我國的電力系統(tǒng)保持安全穩(wěn)定地運(yùn)行。

二、分類與應(yīng)用

美國電機(jī)工程師學(xué)會(AIEE)的第32號標(biāo)準(zhǔn)，從開始執(zhí)行以來一直沿用至今，在國際上得到了廣泛的認(rèn)同。當(dāng)系統(tǒng)或其指定部分的各點(diǎn)上，不論運(yùn)行方式和連接的發(fā)電機(jī)容量如何，只要零序電抗與正序電抗之比不大于3(X0/X1≤3)、零序電阻與正序電抗之比不大于1(R0/X1Q≤1≤)時，則它們的中性點(diǎn)為有效接地方式;反之，為非有效接地方式。

中性點(diǎn)有效接地方式，因接地系數(shù)較低，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，非故障相的工頻電壓升高均低于80%線電壓，它適用于高壓系統(tǒng);若接地系數(shù)更低，非故障相電壓的升高將遠(yuǎn)低于80%線電壓，則稱之為非常有效接地方式，它適用于超高壓和特高壓系統(tǒng)。

中性點(diǎn)非有效接地方式，因接地系數(shù)普遍較高，非故障相電壓的升高均大于80%線電壓，有的可達(dá)100%、乃至105%線電壓。此類中性點(diǎn)接地方式，適用于中壓電力系統(tǒng)(電網(wǎng))。同時，以單相接地電弧能否自動熄滅為必要和充分條件，又可分成大、小電流接地方式。前者包括中性點(diǎn)低電阻、中電阻和低電抗接地方式;后者包括中性點(diǎn)諧振、高電阻和不接地方式，其中的低電阻和諧振接地方式頗具代表性。

三、理論與實(shí)踐

理論分析表明，各種中性點(diǎn)接地方式均可認(rèn)為是通過一定的零序阻抗接地的。因其大小和性質(zhì)的不同，系統(tǒng)的基本運(yùn)行特性、即單相接地時的故障電流和非故障相的工頻電壓升高必然有別，故不同接地方式自然各有其適用范圍。

下面將結(jié)合發(fā)展歷程、理論聯(lián)系實(shí)際、概要地論述電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)接地方式。

(一)非有效接地方式

1.不接地

在電網(wǎng)發(fā)展初期，系發(fā)電機(jī)直配線供電。當(dāng)時人們對過電壓、過電流和絕緣耐受能力等研究不足，因直接接地的內(nèi)部過電壓最低，且零序過電流保護(hù)又十分簡單，故曾采用過直接接地方式。后因接地事故頻繁和發(fā)電機(jī)燒毀等，便改為不接地方式。

這樣，接地電弧可以瞬間熄滅，顯著提高了運(yùn)行可靠性。對于單相永久接地故障，因電網(wǎng)規(guī)模較小，清除故障并不困難。該方式簡單經(jīng)濟(jì)，故目前仍有應(yīng)用。

隨著電壓等級的升高和供電范圍的擴(kuò)大，當(dāng)接地電容電流達(dá)到某一臨界值(一般約10A)時，接地電弧熄滅困難，往往因間歇電弧接地過電壓導(dǎo)致事故擴(kuò)大。為解決這一問題，當(dāng)時世界上工業(yè)較發(fā)達(dá)的德、美兩國，分別采用了不同的解決途徑，對中壓電網(wǎng)接地方式的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，而長期以來被人們認(rèn)為兩者互有優(yōu)缺點(diǎn)。

2.諧振接地

德國于1917年首次采用消弧線圈，以電感電流補(bǔ)償電容電流，使接地電弧瞬間熄滅，既不會中斷供電，同時避免了通信干擾和鐵路信號的誤動作。而缺點(diǎn)是一旦發(fā)生永久接地，清除故障線路比較困難。

不過，在當(dāng)代電子、微電子技術(shù)的支持下，國內(nèi)外長期存在的這一技術(shù)難題已被攻克。例如，中國的參數(shù)(殘流)增量、零序基波時序鑒別和法國的零序?qū)Ъ{、反向有功電流等原理的微機(jī)接地保護(hù)裝置，可以自動清除故障線路;與此同時又研制出了許多無級和分級調(diào)節(jié)的，調(diào)感式、調(diào)容式、插棒式以及包括補(bǔ)償有功電流在內(nèi)等自動補(bǔ)償裝置。這樣諧振接地在國內(nèi)外的中壓電網(wǎng)中又有了新的發(fā)展[3]。

國內(nèi)外的長期運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)證明，對于絕大多數(shù)的瞬間電弧接地故障，用戶并無感覺;而極少數(shù)的永久接地故障，因低值殘流限制了故障點(diǎn)附近的地電位、接觸電壓和跨步電壓升高，故不會威脅人身和設(shè)備的安全[1、2]。信息時代優(yōu)點(diǎn)尤為明顯。

根據(jù)對恢復(fù)電壓初速度、恢復(fù)時間和殘流大小等6方面的理論分析和電纜網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)電容電流不大于350A時，采用諧振接地不成問題[2]。由于正常情況下電網(wǎng)多為分區(qū)運(yùn)行，故實(shí)際上沒有限制。例如一個30kV電纜網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)電容電流由2899 A增大至4000 A時，中性點(diǎn)仍采用諧振接地方式[1]。

3.低電阻接地

美國采用低電阻或低電抗接地增大了接地故障電流，與快速繼電保護(hù)和開關(guān)裝置相配合，可瞬間清除故障線路，總的問題相對簡單是其一大優(yōu)點(diǎn)。但必須儲備備用容量，否則無法連續(xù)供電。因接地電流很大，導(dǎo)致故障點(diǎn)電位顯著升高，威脅人身和設(shè)備安全。又因技術(shù)內(nèi)涵無法與時俱進(jìn)，所以適用場合難免受到限制。據(jù)悉，美國生產(chǎn)接地電阻的PGR公司，已轉(zhuǎn)向高電阻接地方向發(fā)展，產(chǎn)品供給機(jī)場、碼頭和農(nóng)場等小片區(qū)電網(wǎng)。

4.低電抗接地

低電抗與低電阻的作用相似，但費(fèi)用較高未能推廣。

5.中電阻接地

采用中值電阻后，雖接地故障電流較前減小，但仍須保證接地繼電保護(hù)裝置的靈敏度，所以問題

依然得不到解決。

6.高電阻接地

因?yàn)樵谥行渣c(diǎn)增設(shè)了一個高值電阻，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)尚不及不接地方式。如果電網(wǎng)繼續(xù)發(fā)展，包括不接地方式在內(nèi)，都將被諧振接地或低電阻接地方式所取代。

此外，任何組合接地都不能構(gòu)成新的接地方式。例如消弧線圈與電阻并、串聯(lián)，不論過去和現(xiàn)在，均是為了使接地保護(hù)裝置動作而已。

(二)有效接地方式

中性點(diǎn)有效接地方式的特點(diǎn)，是系統(tǒng)正常運(yùn)行時其中部分主變壓器的中性點(diǎn)可以不接地運(yùn)行。而中性點(diǎn)直接接地的數(shù)量和位置的選定，除滿足AIEE第32號標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定外，還必須與繼電保護(hù)相配合，保證零序過電流保護(hù)裝置的靈敏度，以便發(fā)生接地時能瞬間跳開故障線路。

220kV系統(tǒng)的中性點(diǎn)采用有效接地方式，國際上很久以來已無異議，它也適用于電壓與之相近的系統(tǒng)?，F(xiàn)就我國而論，它適用于220、110kV系統(tǒng)，有時也含330kV系統(tǒng)。

因110kV系統(tǒng)的中性點(diǎn)位于兩類接地方式的交叉區(qū)，采用哪種接地方式比較合理，應(yīng)視具體情況而定。如我國重慶和溫州地區(qū)的110kV電網(wǎng)，在發(fā)展初期因雷電或臺風(fēng)引起線路頻繁跳閘，中性點(diǎn)便由有效接地改為諧振接地;隨著電網(wǎng)發(fā)展和220kV系統(tǒng)出現(xiàn)，條件變化后中性點(diǎn)又改為有效接地。北京西城區(qū)的一個110kV變電所，為防止通訊干擾，在改建時改用諧振接地。牡丹江的一條110kV線路，于20世紀(jì)60年代升壓154kV時，中性點(diǎn)改為諧振接地，后來發(fā)展成了獨(dú)立電網(wǎng)[2]。

(三)非常有效接地方式

中性點(diǎn)非常有效接地又稱全接地方式，廣泛適用于500kV及以上的超高壓和特高壓系統(tǒng)。如我國的500kV系統(tǒng)和在建的750kV系統(tǒng)，及1000kV特高壓試驗(yàn)示范工程等。因接地系數(shù)甚低，故非故障相的工頻電壓升高和系統(tǒng)中的內(nèi)部過電壓均受到限制。這樣便可降低絕緣水平，節(jié)省巨額基建投資。根據(jù)電壓、電流的互換特性，系統(tǒng)的單相短路電流可超過三相短路電流的1.5倍。為方便斷路器的選擇和提高系統(tǒng)穩(wěn)定等，可令部分主變壓器的中性點(diǎn)經(jīng)小電阻或小電抗接地，接地方式的屬性不變。

超高壓、特高壓系統(tǒng)的另一特點(diǎn)，是輸電線路一般較長，有的可達(dá)、乃至超過1000km。為了限制線路空載時的末端工頻電壓升高，需要在線路上裝設(shè)補(bǔ)償度為60%~90%的并聯(lián)補(bǔ)償電抗器，并在其中性點(diǎn)接入一個適當(dāng)?shù)男‰娍蛊?。?dāng)線路發(fā)生單相接地故障時，自動跳開該相兩端的斷路器，使?jié)摴╇娏麟娀∷查g熄滅，配合單相自動重合閘裝置，可顯著提高系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。

熄滅潛供電流電弧同樣具有全、過、欠三種補(bǔ)償方式，此即諧振接地在超、特高壓系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用。故通常認(rèn)為 “諧振接地方式只適用于中壓電網(wǎng)”是不全面的，不過，這些系統(tǒng)是分散補(bǔ)償，中壓電網(wǎng)是集中補(bǔ)償[2]。

應(yīng)當(dāng)指出，并聯(lián)補(bǔ)償電抗器除限制線路末端的工頻電壓升高外，當(dāng)開斷空載長線時，由于線路的自振頻率與工頻相近，因此可避免或減少斷路器的重燃次數(shù)，顯著降低跳閘時的過電壓;當(dāng)投入空載長線時，線路上的振蕩電荷很快泄入大地，又能有效限制合閘時的過電壓。所以除降低絕緣水平外，還可省去合閘并聯(lián)電阻。

(四)發(fā)電機(jī)接地方式

在研討接地方式時，作為系統(tǒng)原動力的發(fā)電機(jī)、特別是大型發(fā)電機(jī)問題是不可忽缺的。其突出的特點(diǎn)是嚴(yán)格限制接地故障電流的破壞性，故現(xiàn)在世界上應(yīng)用最多的為諧振接地或高電阻接地。對于中、小型發(fā)電機(jī)，因接地電容電流較小，一般可采用不接地方式。

關(guān)于發(fā)電機(jī)接地故障電流的允許值，德國、蘇聯(lián)、捷克和中國等先后進(jìn)行了大量研究[2]。前兩者均允許鐵心有不同程度的燒損，故對大型發(fā)電機(jī)已不適用;后兩者均以鐵心疊片不燒損為條件，捷克未考慮額定電壓影響，推薦的允許值為1~1.5A;中國建立了“安全接地電流”的新觀念，其值分別等于：6kV及以下者為4A;10kV者為3A;13.8~15.75kV者為2A;18kV及以上者為1A。除列入我國DL/T 620—1997《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》與GB14286—2006《繼電保護(hù)和安全自動化裝置技術(shù)規(guī)程》[2]外，并被許多國家承認(rèn)和接受[5]。

發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地，因接地電流小于安全電流，電弧可以瞬間熄滅;一旦發(fā)生永久接地可帶故障繼續(xù)運(yùn)行，也可用“自適應(yīng)式微機(jī)接地保護(hù)裝置”瞬間切機(jī)[6]。利用該消弧線圈和電壓諧振法，還能完成大型水輪發(fā)電機(jī)的工頻耐壓試驗(yàn)，順利解決另一大技術(shù)難題[7]。

AIEE在《同步發(fā)電機(jī)接地方式應(yīng)用指南》中明確指出，消弧線圈具有三個優(yōu)點(diǎn)，而采用高電阻接地方式，電流的允許值為5~15 A，目的是發(fā)生故障后自動切機(jī)，這在西方早已形成了“慣例”。因受進(jìn)口發(fā)電機(jī)的影響，我國運(yùn)行中的一些發(fā)電機(jī)改用該接地方式后，2006年便發(fā)生了兩起大型發(fā)電機(jī)燒毀事故[8]。

四、結(jié)語

事物總是相比較而存在、相競爭而發(fā)展的。電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式也不例外，強(qiáng)大的電力系統(tǒng)現(xiàn)已遍布世界各地。在理論研究不斷深化和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)長期積累的基礎(chǔ)上，人們對中性點(diǎn)接地方式有了較好的把握和創(chuàng)造性的運(yùn)用，使電力系統(tǒng)的績效顯著提高。當(dāng)然，接地方式尚有繼續(xù)提升和完美的空間。