供电系统中性点接地方式的探讨

刘 江

[摘要]介绍钢铁企业供电系统中性点接地方式，对不同中性点接地方式的利弊进行分析；针对弧光接地过电压的产生及危害和对如何限制弧光接地过电压进行探讨。

[关键词]中性点接地方式电容电流弧光接地过电压限制措施

中图分类号：TM7文献标识码：A文章编号：1671--7597(2009)1020026--02

一、概述

国家规程规定，在1kV及以上的高压系统中，单相接地电流或同点两相接地时入地电流大于500A的称为太接地短路电流系统。500A及以下的称为小接地短路电流系统。

一般来说，中性点直接接地或者经过低电阻接地的电网属于大接地短路电流系统；中性点不接地、经过消弧线圈或者高、中电阻(简称电阻)等接地，属于小接地短路电流系统。

目前国内钢铁企业电压等级在66kv及以下的供电系统中，中性点接地方式一般为不接地方式、消弧线圈接地方式和电阻接地方式等。

电力系统中性点接地方式选择原则为：

1、保证供电可靠性。

2、电力系统过电压与绝缘配合。

3、满足继电保护要求。

4、减少对信息系统的干扰影响。

二、中性点不接地方式

在大多数钢铁企业中，电网发展初期，供电系统单相接地电容电流较小，电网结构薄弱，一般采用中性点不接地方式运行。这种接地方式投资省：对于20～35kV系统单相接地故障电流10A以下、6～10kV系统单相接地故障电流30A以下，单相接地后允许带接地故障继续运行1～2h，具有供电连续性好等优点。

但是随着企业的发展，供配电系统的扩建，特别是具有固体绝缘的电缆线路逐渐取代架空线路，使电网对地电容电流增加。当系统发生单相接地时，过大的电容电流形成的电弧接地故障难以自动消除，极可能演化成间歇性弧光接地，此时产生的弧光接地过电压和由此激发的铁磁谐振过电压将严重威胁电网安全运行，有时继而发展为二相短路故障(攀钢1号板坯连铸LF炉35kV电源电缆曾发生过类似故障)等。这些都是中性点不接地系统难以克服的缺点。

三、中性点消弧线圈接地方式

为了解决中性点不接地系统存在的问题，在《电力设备过电压保护设计技术规程》中规定，当单相接地故障电流(电容电流)大于下列数值时，应装设消弧线圈进行补偿：

3～10kV电力网——30A；

20kV及以上电力网——10A。

(一)消弧线圈装置的应用

为了避免由巨大的接地故障电流(电容电流)所带来的一系列问题，使瞬时性接地故障自动消除而不影响供电，我国在20世纪60年开始采用固定式消弧线圈装置。但由于固定式消弧线圈的电感值是固定的(或分成几个固定的分接头)，不能自动调节。当供电系统电容电流变化时，必须人为地改变分接头，而且因无手段得到系统的详细资料，使得对调节趋向的正确判断很难掌握，这就使得消弧线圈的电感与系统对地电容电流的谐振机率增加。随着电力工业的发展，在20世纪80年代后期，出现了自动跟踪补偿(或自动调谐)消弧系统。该系统克服了固定式消弧线圈的缺点，同时因采用了可控式消弧线圈，系统控制器和配以小电流接地选线装置，实现了实时跟踪系统电容电流的变化，为供电系统提供了较为准确的补偿电流，使瞬时性单相接地故障得以消除。当时这种接地方式在电力系统和钢铁企业的供电系统中较为普遍采用。

(二)中性点消弧线圈接地方式的利弊

1、电网中性点经消弧线圈(自动跟踪补偿)接地方式的优点如下：

(1)降低了电网绝缘闪络(如雷击闪络)接地故障电流的建弧率，减少了线路跳闸率。

(2)金属性接地故障时，可带单相接地运行一段时间，改善了电网不间断供电，提高了供电可靠性。

(3)接地工频电流(即常称的残流)小，降低了地电位升高，减少了跨步电位差和接地电位差，减少了对低压设备的反击及对信息系统的干扰等。

(4)实现了自动控制，满足无人值班的要求。

2、中性点消弧线圈接地方式也存在以下缺点：

(1)不能消除弧光接地过电压。

现行所有以消弧线圈设计的自动跟踪或自动调谐都是在电网工频(50Hz)下完成的。电网在单相间歇性电弧接地时，在健康相(非故障相上)发生的弧光过电压和通过电弧接地故障点的总电流是幅值较大的高频电流，而电网电容和消弧线圈电感在高频下，两者频率特性不同，因此两者是不可能互相补偿或调谐的。

(2)消弧线圈与系统对地电容有可能发生串联谐振，产生虚幻接地或串联谐振过电压。

(3)由于消弧线圈的补偿作用，使故障点的电流减少，相位发生变化，导致选线灵敏度降低。

(4)消弧线圈结构复杂，维护工作量较大，投资费用高。

四、中性点电阴接地方式

由于消弧线圈运行时存在上述问题，我国北京、上海、广州等地区已逐步将中性点经消弧线圈接地改为经电阻接地方式。在许多钢铁企业的供电系统中也采用了中性点电阻接地方式。如宝钢、上海一钢公司、武钢、昆钢、新疆八钢等等。

中性点经电阻接地，从根本上解决了消弧线圈正常运行中带来的问题，降低了电弧过电压和铁磁谐振过电压。保护继电器能可靠动作，快速将故障切除，避免了接地电流造成的设备损坏。降低了接地故障入地电流造成的地电位升高。减少了对信息系统的干扰等。但是，此种接地方式也存在一些不足，当发生单相接地故障时，不论是金属性接地还是弧光接地，均切除故障线路，牺牲了对用户供电的可靠性。另外，由于加大了故障电流，发生弧光接地时会加剧故障点的烧损。

不过对于冶金工厂来讲，目前大都采用电缆线路，电缆线路发生单相接地故障多为永久性故障，对于永久性故障应及时切除，否则可能引起事故扩大。另外，冶金工厂一般采用两回路电源供电，对重要负荷还装有自动投入装置，因此切除一回永久性故障线路，对供电可靠性带来的影响不是太大。

五、弧光接地过电压的产生及危害

(一)弧光接地过电压的产生

形成弧光接地过电压的基础是间歇性电弧。当中性点非直接接地系统发生单相间歇性弧光接地故障时，由于电弧多次不断的熄灭和重燃，导致系统对地电容上的电荷多次不断的积累和重新再分配，在非故障相的电感一电容回路上引起高频振荡过电压。

供电系统运行中单相接地情况，一般是：间歇性电弧接地一稳定电弧接地一金属性接地。根据有关资料介绍，间歇性电弧接地持续时间可达0.2～2s，频率达300～3000Hz；然后呈稳定电弧接地，持续时间达2～10s；最后故障点导线被烧熔成为金属性接地，即所谓永久性故障接地。另外，最危险的情况是，发生在单相间歇性电弧接地时刻，在非故障相上发生的弧光接地过电压最高(可达3～4倍相电压)，通过电弧接地故障点的

高频振荡电流最大(可达数百安培)，时间虽短，但危害很大，极有可能损坏或破坏元件。

有资料介绍，从弧光接地过电压产生的整个过程来看，与系统对地电容电流的大小并无关系。有人曾经在系统对地电容电流为1.1～4.5A的情况下做过上千次试验，结果每次都有弧光接地过电压产生。

(二)弧光接地过电压的危害

在电力行业标准DL／T620中规定，66KV及以下系统发生单相间歇性电弧接地故障时，可产生过电压，过电压的高低随接地方式不同而异。一般情况下最大过电压如下：

不接地

3.5倍相电压，

消弧线圈接地

3.2倍相电压，

电阻接地

2.5倍相电压。

这对正常(标准)绝缘(非弱绝缘)是无危险的，但对弱绝缘是有危险的。另外由于各种原因会使正常绝缘老化，变为弱绝缘。

1、高幅值的过电压加剧了电缆等固体绝缘的积累性破坏。

对于中性点非直接接地系统，我国现行规程规定允许带单相接地故障运行2h，但并未区分是架空线路还是电缆线路，也没有明确是弧光接地还是金属接地。在高幅值的弧光接地过电压的持续作用下，加剧了电缆等固体绝缘的积累性破坏。最终在非故障相的绝缘薄弱环节造成对地击穿，进而发展成为相间短路事故。

2、弧光接地过电压导致熔断器熔断或互感器烧毁。

普通电压互感器饱和点一般为1.6～1.8倍，在弧光接地过电压作用下，使电压互感器发生饱和，激发铁磁谐振，导致电压互感器过载，造成熔断器熔断或互感器烧毁。

3、弧光接地过电压导致避雷器爆炸。

弧光接地时，过电压的能量由电源提供，持续时间较长，能量很大。当过电压的能量超过避雷器所能承受的400A、2ms的能量指标时，就会造成避雷器的爆炸事故。

六、弧光接地过电压的限制措施

1、为了能有效抑制弧光接地过电压，防止电缆放炮等事故的发生，避免企业或生产线因被迫停电所带来的经济损失，当发生单相电弧接地时，应当在以下方面采取措施：

(1)尽快熄灭电弧，防止故障进一步发展。

(2)尽快将过电压限制在安全水平，避免固体绝缘的积累性破坏。

(3)允许用户在完成转移负荷的倒闸操作之后再处理故障线路，避免被迫停电，保证供电可靠性。

2、在中性点非直接接地系统中，当发生单相电弧接地时，若能快速地将间歇性电弧接地转换为金属性接地，则可抑制弧光接地过电压的产生，并达到如下效果。

(1)由于故障相直接与地网连接，对地电压等于零，工频电弧和高频电弧都将立即熄灭。

(2)金属性接地后，非故障相上的过电压立即稳定在,／3倍相电压，系统中的设备可以在这个电压下安全运行。

(3)因为电弧被熄灭，过电压被限制在安全水平，故障不会再继续发展，为用户倒闸操作赢得了时间，保证了供电可靠性。

(4)由于弧光接地的持续时间大大缩短，过电压的能量降低到过电压保护器允许的能量指标以内，避免了过电压保护器爆炸事故。

3、消弧及过电压保护装置的应用

近几年来，为了解决因单相间歇性电弧接地所产生的弧光接地过电压对电器设备带来的危害，新型的消弧及过电压保护装置得到了应用。该装置主要由电压互感器、微机控制器、交流真空快速接触器、过电压保护器、高压隔离开关、高压限流熔断器组件等组成。另外，配套小电流接地选线装置，达到自动选线的目的。

当系统发生单相电弧接地时，微机控制器立即判别故障类型和相别并向故障相的真空接触器发出动作指令，真空接触器在30ms左右完成合闸，间歇性电弧接地随之被转换为金属性接地。在真空接触器动作之前的过电压由过电压保护器限制在较低的数值。当由于装置故障、检修调试人员误接线等原因造成装置误判断，导致相间弧光短路时，熔断器组件可在2ms内快速熔断，短路电流远没达到最大值，不会造成任何后果，对系统运行没有影响。装置结构简单，体积小、投资较低，安装、调试方便。已在攀钢、重钢、南钢、洒钢等工程中得到了使用。

该装置虽然克服了弧光接地过电压带来的一系列问题，但是在防止电压互感器饱和避免引起铁磁谐振，以及消弧装置与小电流接地选线装置配合等方面需要不断的完善。由于装置投入实际工程运行的时间不长，所达到的效果如何有待更长时间的验证。

七、结束语

我国各个钢铁企业供电系统中性点接地方式不尽相同。甚至同一个钢铁企业同级电压多种中性点接地方式并存。每种中性点接地方式的系统，都具各自的优点和缺点。因此，在工程设计中必须从实际出发，权衡利弊，尽可能做到既满足供电系统的要求，又达到投资省的目的。