電力系統中性點接地方式的現狀與發展分析

一、導論

電力系統中性點接地方式是一個綜合性的技術經濟問題。它與供電可靠性、人身安全、設備安全、絕緣水平、過電壓保護、繼電保護、通訊干擾及接地裝置等技術密切相關，并具有理論研究和實踐經驗緊密結合的特點，因而是電力系統實現安全穩定運行的系統工程問題。

電力系統中性點接地方式與系統中頻繁的單相接地故障關系最為密切，因此，研究的目的主要就在于正確認識和恰當處理此類故障，將其不良后果降到最低限度，以提高系統的運行績效，使效益投資比更高、運行維護費用更低。在選定方案的決策過程中，必須根據系統的現狀和發展規劃進行全面的技術經濟比較，優勝劣汰、與時俱進，避免因失誤造成不良后果。

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

電力系統的中性點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;后者主要適用于60kV及以下的中壓系統，且情況比較復雜。

過去，在電力系統發展的歷程中，220kV系統的中性點曾采用消弧線圈(諧振)接地，隨著系統的不斷擴大，運行可靠性降低和聯網等需要，后來被有效接地方式所替代[1];而110kV系統接地方式的選擇，則需視地域和電網結構等因素而定。

當今，電力負荷特性發生了明顯的改變，用戶對電能質量提出了新的、更高的要求，中壓系統和大型發電機的接地方式問題逐漸突顯，同時世界范圍內長期存在的繼電保護等技術難題相繼攻克，這就為更好地選擇接地方式創造了有利條件。知識經濟和信息時代更加需要高質量電能的連續供應，即使電壓閃變也會對信息系統帶來麻煩，這在發達國家已經發生，所以必須正確處理中性點接地方式問題。

實踐是檢驗真理的唯一標準。在解決這一問題時必須增強實踐(運行)觀點，并認真總結國內外電力系統長期的、正反兩面的運行經驗，從中吸取有益的教訓，力求使我國的電力系統保持安全穩定地運行。

二、分類與應用

美國電機工程師學會(AIEE)的第32號標準，從開始執行以來一直沿用至今，在國際上得到了廣泛的認同。當系統或其指定部分的各點上，不論運行方式和連接的發電機容量如何，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，則它們的中性點為有效接地方式;反之，為非有效接地方式。

中性點有效接地方式，因接地系數較低，當系統發生單相接地故障時，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;若接地系數更低，非故障相電壓的升高將遠低于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。

中性點非有效接地方式，因接地系數普遍較高，非故障相電壓的升高均大于80%線電壓，有的可達100%、乃至105%線電壓。此類中性點接地方式，適用于中壓電力系統(電網)。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。前者包括中性點低電阻、中電阻和低電抗接地方式;后者包括中性點諧振、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、理論與實踐

理論分析表明，各種中性點接地方式均可認為是通過一定的零序阻抗接地的。因其大小和性質的不同，系統的基本運行特性、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。

下面將結合發展歷程、理論聯系實際、概要地論述電網和發電機的中性點接地方式。

(一)非有效接地方式

1.不接地

在電網發展初期，系發電機直配線供電。當時人們對過電壓、過電流和絕緣耐受能力等研究不足，因直接接地的內部過電壓最低，且零序過電流保護又十分簡單，故曾采用過直接接地方式。后因接地事故頻繁和發電機燒毀等，便改為不接地方式。

這樣，接地電弧可以瞬間熄滅，顯著提高了運行可靠性。對于單相永久接地故障，因電網規模較小，清除故障并不困難。該方式簡單經濟，故目前仍有應用。

隨著電壓等級的升高和供電范圍的擴大，當接地電容電流達到某一臨界值(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致事故擴大。為解決這一問題，當時世界上工業較發達的德、美兩國，分別采用了不同的解決途徑，對中壓電網接地方式的發展產生了深遠的影響，而長期以來被人們認為兩者互有優缺點。

2.諧振接地

德國于1917年首次采用消弧線圈，以電感電流補償電容電流，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。而缺點是一旦發生永久接地，清除故障線路比較困難。

不過，在當代電子、微電子技術的支持下，國內外長期存在的這一技術難題已被攻克。例如，中國的參數(殘流)增量、零序基波時序鑒別和法國的零序導納、反向有功電流等原理的微機接地保護裝置，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節的，調感式、調容式、插棒式以及包括補償有功電流在內等自動補償裝置。這樣諧振接地在國內外的中壓電網中又有了新的發展[3]。

國內外的長期運行經驗證明，對于絕大多數的瞬間電弧接地故障，用戶并無感覺;而極少數的永久接地故障，因低值殘流限制了故障點附近的地電位、接觸電壓和跨步電壓升高，故不會威脅人身和設備的安全[1、2]。信息時代優點尤為明顯。

根據對恢復電壓初速度、恢復時間和殘流大小等6方面的理論分析和電纜網絡的運行經驗，當電容電流不大于350A時，采用諧振接地不成問題[2]。由于正常情況下電網多為分區運行，故實際上沒有限制。例如一個30kV電纜網絡，當電容電流由2899 A增大至4000 A時，中性點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，與快速繼電保護和開關裝置相配合，可瞬間清除故障線路，總的問題相對簡單是其一大優點。但必須儲備備用容量，否則無法連續供電。因接地電流很大，導致故障點電位顯著升高，威脅人身和設備安全。又因技術內涵無法與時俱進，所以適用場合難免受到限制。據悉，美國生產接地電阻的PGR公司，已轉向高電阻接地方向發展，產品供給機場、碼頭和農場等小片區電網。

4.低電抗接地

低電抗與低電阻的作用相似，但費用較高未能推廣。

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裝置的靈敏度，所以問題

依然得不到解決。

6.高電阻接地

因為在中性點增設了一個高值電阻，其技術經濟指標尚不及不接地方式。如果電網繼續發展，包括不接地方式在內，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成新的接地方式。例如消弧線圈與電阻并、串聯，不論過去和現在，均是為了使接地保護裝置動作而已。

(二)有效接地方式

中性點有效接地方式的特點，是系統正常運行時其中部分主變壓器的中性點可以不接地運行。而中性點直接接地的數量和位置的選定，除滿足AIEE第32號標準的規定外，還必須與繼電保護相配合，保證零序過電流保護裝置的靈敏度，以便發生接地時能瞬間跳開故障線路。

220kV系統的中性點采用有效接地方式，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。現就我國而論，它適用于220、110kV系統，有時也含330kV系統。

因110kV系統的中性點位于兩類接地方式的交叉區，采用哪種接地方式比較合理，應視具體情況而定。如我國重慶和溫州地區的110kV電網，在發展初期因雷電或臺風引起線路頻繁跳閘，中性點便由有效接地改為諧振接地;隨著電網發展和220kV系統出現，條件變化后中性點又改為有效接地。北京西城區的一個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60年代升壓154kV時，中性點改為諧振接地，后來發展成了獨立電網[2]。

(三)非常有效接地方式

中性點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。如我國的500kV系統和在建的750kV系統，及1000kV特高壓試驗示范工程等。因接地系數甚低，故非故障相的工頻電壓升高和系統中的內部過電壓均受到限制。這樣便可降低絕緣水平，節省巨額基建投資。根據電壓、電流的互換特性，系統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穩定等，可令部分主變壓器的中性點經小電阻或小電抗接地，接地方式的屬性不變。

超高壓、特高壓系統的另一特點，是輸電線路一般較長，有的可達、乃至超過1000km。為了限制線路空載時的末端工頻電壓升高，需要在線路上裝設補償度為60%~90%的并聯補償電抗器，并在其中性點接入一個適當的小電抗器。當線路發生單相接地故障時，自動跳開該相兩端的斷路器，使潛供電流電弧瞬間熄滅，配合單相自動重合閘裝置，可顯著提高系統的運行可靠性。

熄滅潛供電流電弧同樣具有全、過、欠三種補償方式，此即諧振接地在超、特高壓系統的實際應用。故通常認為 “諧振接地方式只適用于中壓電網”是不全面的，不過，這些系統是分散補償，中壓電網是集中補償[2]。

應當指出，并聯補償電抗器除限制線路末端的工頻電壓升高外，當開斷空載長線時，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，顯著降低跳閘時的過電壓;當投入空載長線時，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，還可省去合閘并聯電阻。

(四)發電機接地方式

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

關于發電機接地故障電流的允許值，德國、蘇聯、捷克和中國等先后進行了大量研究[2]。前兩者均允許鐵心有不同程度的燒損，故對大型發電機已不適用;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和絕緣配合》與GB14286—2006《繼電保護和安全自動化裝置技術規程》[2]外，并被許多國家承認和接受[5]。

發電機中性點經消弧線圈接地，因接地電流小于安全電流，電弧可以瞬間熄滅;一旦發生永久接地可帶故障繼續運行，也可用“自適應式微機接地保護裝置”瞬間切機[6]。利用該消弧線圈和電壓諧振法，還能完成大型水輪發電機的工頻耐壓試驗，順利解決另一大技術難題[7]。

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

四、結語

事物總是相比較而存在、相競爭而發展的。電力系統中性點接地方式也不例外，強大的電力系統現已遍布世界各地。在理論研究不斷深化和運行經驗長期積累的基礎上，人們對中性點接地方式有了較好的把握和創造性的運用，使電力系統的績效顯著提高。當然，接地方式尚有繼續提升和完美的空間。