關鍵詞：配電網絡中性點 高阻接地 安全性能分析

 

　1　前言

　　隨著國民經濟的發展，某些城市及部分企業的供配電網已改變了過去以架空線路為主的局面，而是以電纜線路為主。同時，一些結構緊湊的封閉式設備(如SF6開關柜)、聚乙烯電纜及氧化鋅避雷器的廣泛應用，使原有的非有效接地方式，已不能適應當前電力系統的發展需要。

　　基于以上情況，我國個別地區的配電網絡中性點已采用經低電阻接地的運行方式。這種接地方式可以降低單相接地時的暫態過電壓，消除弧光接地過電壓，使用簡單的保護裝置就能迅速選擇故障支路，消除故障。但是，隨著帶來線路跳閘頻繁、斷路器維護工作量的增大及人身觸電電流的增大，直接影響到供電系統的可靠性與安全性。

　　從國外電網的發展來看，美、日等國家采用低電阻接地方式居多，并認為低電阻接地是今后的發展趨勢。我國從西方國家引進的成套工廠設備，高壓配電系統都采用低電阻的接地方式。從國內來說，目前電力系統正在制定電阻接地的有關措施，并將逐步實施。我們通過試驗研究后認為，采用中性點經低電阻接地的方式，并不一定是適合我國城市或企業配電網發展的最佳方式；目前，電力系統尚有不同的觀點和做法。因此，我們將通過下面的模擬試驗，對中性點接地方式的有關問題作進一步的研究與探討。

　　影響中性點接地方式的因素很多，本文不可能對各種因素逐一全面研究，只能針對電纜供電的特點，著重對一些影響中性點接地方式的安全問題進行研究；主要對高阻接地情況下的參數選擇進行分析比較，以尋求更為合理的中性點接地方式。

　　2　電網中性點經高阻接地時的過電壓試驗

　　高電阻接地是這樣定義的：電力系統中性點通過一電阻接地，其單相接地故障時的電阻電流被限制到等于或略大于系統總電容電流，即IRN≥3IC0，如圖1所示。圖中RN≤XC0／3，RN為接地電阻，XC0為系統每相對地容抗，3IC0為總電容電流，IRN為流過電阻器的電流。 

　　圖1　配電網中性點經高電阻接地原理圖

Fig.1　Principle diagram of neutral-point earthing by high-resistance in power distribution network

　　當發生電弧接地時，接地電流為

　　Ijd=(1/RN+j3ωC0)UA=IRN+jIC

　　單相接地將使非故障相對地電壓升高3倍，變成線電壓；此時，電網的線電壓仍維持對稱狀態，對負荷沒有影響。如果發生的是間歇性電弧接地故障，非故障相對地電壓將大大超過3倍，而且波及整個電網，使那些絕緣薄弱環節相繼發生絕緣擊穿，使事故擴大。

　　試驗時，在高壓模擬電網(3.3kV)上用低阻尼電容分壓器、磁帶記錄儀記錄過電壓信息，由計算機采集分析系統采集記錄在磁帶儀上的過電壓信息并加以分析，計算機采集分析系統記錄的過電壓波形如圖2所示。 

　　圖2　配電網中性點經高阻接地的過電壓波形圖

(a)起弧、重燃波形　(b)起弧、重燃展寬后的波形

Fig.2　Overvoltage wave pattern of neutral-point earthing by high-resistance in power distribution network

　　過電壓波形特點分析(皆在A相發生間歇性電弧接地)：

　　(1)相對地過電壓　線間電容降低過電壓作用不明顯，A相接地時C相過電壓高于B相。過電壓倍數與中性點電阻值有關，RN＞1／3ωC0時，過電壓明顯增加；RN=1／3ωC0時過電壓降低；當RN=1.8kΩ＞＞1／3ωC0時，故障相最高過電壓達2.1Vxg(Vxg表示正常供電時的相對地電壓峰值)，健全相最高過電壓達3.4Vxg；當RN=237Ω≈1／3ωC0=232Ω時，故障相過電壓≯2.2Vxg，健全相過電壓≯1.3Vxg。

　　(2)相間過電壓　低于相對地過電壓。

　　(3)最大過電壓發生時刻　在接地相工頻電壓幅值附近。

　　(4)熄弧性質　高頻和工頻兼有，接地電流較大時熄弧困難。

　　(5)波頭長度及過電壓振蕩頻率　高頻振蕩頻率約在3000～4000Hz之間(與試驗電路有關)。

　　(6)中性點波形　間歇性重燃時V0為衰減的梯形波疊加高頻振蕩，即中性點積累的電荷經電阻RN泄放較快；試驗中最大過電壓在1.5～3.5Vxg之間。

　　(7)從試驗中可以看出，基本上是每半個工頻周期發生一次燃弧，每相及中性點電壓都有明顯的振蕩；當發生間歇性燃弧時，隨著中性點電阻值的減小，中性點電位在半個工頻周期內衰減加快，即系統能量泄放較快，從而有效地降低了各相及中性點的過電壓幅值。

　　試驗表明，中性點電阻對串聯諧振過電壓與間歇性電弧接地過電壓起到了很好的抑制作用。當RN=1／3ωC0時，中性點位移電壓在半個周期內降到原來的4.32%，這就降低了故障相上的最大恢復電壓數值，使電弧重燃不致引起高幅值的過電壓，但接地點的電流增加較大。取RN=2／3ωC0，將大大減小接地點的電流，此時中性點電位在半個工頻周期內衰減較小，降到原來的20.8%。電阻的存在，大大降低了故障相恢復電壓的上升速度，減少了電弧重燃的可能。

　　試驗中，每次燃弧基本上都是在故障相電壓的最大值處發生，及恢復電壓達到最大且大于介質恢復強度時，發生擊穿而使電弧重燃。

　　從試驗結果分析看，RN的值越大，電弧重燃越易，且電弧能量也較大；隨著RN值的減小，燃弧變得較難，電弧能量也逐漸減小，這與理論分析相符。電網中性點經高阻接地后，對電弧接地過電壓和串聯諧振過電壓有較大的抑制作用，從而有效地防止了異常過電壓對電機、電纜絕緣的危害，保證了用電設備的安全運行。當接地故障電流較大時，持續的故障電流所引起的熱效應，會使電纜在接地故障處的相間絕緣因過熱燃毀而發展為相間短路。所以，當電網的電容電流較小時，應采用中性點經高阻接地的方式；尤其是對高壓電動機的電纜線路較多且運行多年的老電網，由于電動機和電纜絕緣都已降低和老化，容易受異常過電壓的破壞，將這類電網的中性點改為經高阻接地時非常適合的。只要中性點電阻選擇合適，即使電網參數發生變化，也不需要再調節電阻值，且運行簡單，效益顯著。

　　中性點經電阻接地系統的另一個突出優點是易于實現選擇性的繼電保護。

　3　中性點電阻值的選取原則

　　根據電網的實際情況。安全電阻值的選取一般應考慮以下幾個問題。

3.1　過電壓的限制水平及降低人身觸電的危險

　　只要RN≤1／3ωC0，弧光接地過電壓被限制在2.2Uxg以下，對不同的系統，C0不同，RN取值不同，一般在100Ω以上。它屬于高阻范圍，對RN無論是低阻(RN=10Ω)還是高阻(RN=100～400Ω)都能達到抑制電壓互感器(PT)諧振過電壓和斷線諧振過電壓的目的，當然，RN越小，過電壓水平越低。但同時應兼顧對通過人體的接地電流不造成明顯的增加。

　　運用戴維南定理，對圖3的電網情況轉化成為下邊的等效電路圖；此時的等效開路電壓等于人身未觸電以前A相的對地電壓(UA)，而等效阻抗Z等于三相電網對地的絕緣電阻r和電容C與中性點接地電阻RN并聯后的數值，人身電阻為RR，即

　

　　式中　

Z0——零序阻抗 

 

　　

　　圖3　人觸電時的電網情況及等效電路圖

Fig.3　State of electrified wire netting when man gets electric shock and the equivalent circuit

　　然后，根據等效電路圖，即可求得通過人體的接地電流IR為

　　配電網中性點經高阻接地安全性能的分析

　　可以看出，由于RN的接入，r和3RN是并聯關系，相當于把電網對地的絕緣電阻值減小了。因此，人身觸電電流將隨RN的變化而變化；當C0一定時，也有某一個電阻r使人身觸電電流值為最小。也就是說，當r和C0一定時，改變RN的值，將會在某一個RN的條件下，人身觸電電流值為最小。圖4的實測曲線，說明了人身觸電電流隨RN的變化規律。由此可見，在r和C0一定的條件下，接入RN總會使人身觸電電流值減小，而不是增大，對安全是有好處的。但是，也應該看到，RN的變化，實際上對人身觸電電流的影響很??；因為在電容值較大的情況下，起決定作用的仍然是電容電流。 

　

　　圖4　通過人身的接地電流與配電網中性點電阻RN的變化規律

Fig.4　Relationship between current through body IR and neutral-point resistance RN in power distribution network

　　從圖4可以看出，隨著RN的增大，IR趨于穩定，在合適的范圍內選取RN值，IR增加不明顯。圖5進一步說明了人身觸電電流隨絕緣電阻r和電容C的變化規律。表1說明了電網3300V電壓下，隨著中性點電阻RN的增加，人身觸電電流減小的趨勢。

　　表1 

RN／Ω	1／6ωC0	1／3ωC0	1／2ωC0	2／3ωC0	5／6ωC0	1／ωC0
IR／A	7.33	5.19	3.98	3.22	2.70	2.33

　　注：煤礦安全手冊將人體電阻RR的取值定為1000Ω。 

　　圖5　人身觸電電流隨電網對地絕緣電阻和電容的關系曲線

1.C=1μF　2.C=0.4μF　3.C=0.2μF　4.C=0.1μF

Fig.5　Relationship curve between circuit in when man gets electric shock and insulate capacitance

　　3.2　單相接地電流的限制水平

　　當單相接地時相當于RR=0的情況，此時的單相接地電流值為

　　

　　其有效值為

　　

　　顯然，RN越小，則Ijd越大。

　　按單相接地電流選取RN，應保證最大的接地電流滿足開斷容量的要求，且留有一定的裕度。一般應控制單相接地電流小于三相短路電流，最小單相接地電流應滿足接地繼電器靈敏度的要求。

　　在電網中性點經低阻接地時，發生單相接地，保護裝置動作并立即跳閘；而高阻接地則允許帶接地運行1～2h。所以采用高阻接地方式，通常并不要求發生接地故障時立即切除故障，因為接地電流被限制到很小，保護裝置只是檢測故障并發出信號，這對“連續生產”的企業是很重要的。

　　4　結論

　　(1)從過電壓情況來看，中性點不接地方式最高，對于電氣設備的絕緣有較大的威脅；采用消弧線圈的接地方式，仍不能減小電弧接地過電壓，因而最好采用中性點經高電阻接地方式。

　　(2)從實現繼電保護的難易程度看，中性點不接地方式比較難，若采用消弧線圈接地方式則更難；因此最好采用中性點經高電阻接地方式。

　　(3)從人身安全的角度看RN=1／3ωC0，人身觸電電流將要大大增加，對安全不利；不僅如此，單相接地電流增大，對安全也沒有好處，將會增加煤礦瓦斯煤塵爆炸的可能性。因此，對于煤礦井下來講，最好是RN取較大數值。

　　(4)電網中性點接地方式是一個涉及到電力系統許多因素的綜合問題，在選擇中性點接地方式時，應充分考慮國情、本地區特點、電網結構、供電可靠性、設備與線路的絕緣水平、人身安全及對通信線路的干擾等因素，通過技術經濟比較，選擇合理的中性點接地方式。

　　參考文獻　

1　胡天露.礦井電網的漏電保護.北京：煤炭工業出版社，1987.

2　牟龍華.高壓電網高阻接地方式的分析.中國礦業大學學報，1994(4)

3　許允之等.消弧線圈并電阻接地方式.華北電力大學學報，1997(3)

4　許允之.電網過電壓數據的數理統計方法.上海交通大學學報，1997(3)