工业企业内3～10 kV中压系统中性点经电阻接地的分析

聂善峰

(中铝工业服务有限公司， 北京 102209)

1 问题的提出

工业企业中供配电系统中性点接地是为保证系统正常工作及在系统出现故障时，能迅速排除故障，并使得供电系统能继续运行的一种接地方式。对于大多数企业的3～10 kV中压系统而言，供配电系统多是由3～10 kV电缆线路构成，按《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合DL/T 620—1997》中规定，当单相接地故障电容电流不超过30 A时，应采用不接地方式；当超过30 A又需在接地故障条件下运行时，应采用消弧线圈接地方式；6 kV和10 kV配电系统以及发电厂的厂用电系统，在预期单相接地故障电容电流较小时，为防止系统谐振、间歇性电弧接地引起的过电压等对设备的损害，可以采用高电阻接地方式。

2 目前工业企业内3～10 kV中压系统中中性点接地方式的种类及优缺点

我国早期曾规定：将电力系统中性点接地方式分为两类：小接地短路电流系统和大接地短路电流系统。因故障条件下的接地短路电流大小无法用电力系统中性点接地方式分类来明确界定，故改称为中性点有效接地系统和中性点非有效接地系统。

电力系统中性点有效接地，不仅包括直接接地系统，还包括经低值阻抗(低值电阻器或低值电抗器)接地，同时要求全系统的零序电抗(X0)与正序电抗(X1)之比(X0/X1)为正值并小于3，零序电阻(R0)与对正序电抗(X1)之比为正值并小于1。反之则为中性点非有效接地系统。

中性点经消弧线圈接地和不接地系统一般称为电力系统中性点非有效接地。按运行需要可将配电网中性点与参考地的电气连接方式分为不接地、经消弧线圈接地、经(高、中、低值)电阻器接地、经低值电抗器接地及直接接地等。这些中性点接地方式又各具独自的优缺点。

2.1 配电网中性点不接地系统的优缺点

配电网中性点不接地是指电网中性点没有任何一点人为与大地进行直接连接。事实上，由于配电系统中线路和设备的对地电容，这样的配电网还存在通过对地电容接地，电网发生单相接地时，其故障稳态工频电流较同规模的中性点经低值阻抗接地的配电系统小。

2.1.1 中性点不接地系统主要优点

(1)雷击绝缘闪络瞬时故障无需跳闸，可自动消除。

(2)如发生金属性接地故障，系统可短时单相接地运行，即电网可短时不间断供电，相对而言提高了电网的供电可靠性。

(3)预期稳态接地电流小，预期及实际地电位升高较小。减小了故障时的跨步电压和接触电压。同时对信息系统的干扰小，对低压配电网的反击小等。

(4)经济方面则节省了中性点接地设备，因此接地系统投资少。

2.1.2 中性点不接地系统缺点

(1)与中性点经电阻接地系统相比，会产生高的过电压(如弧光过电压和铁磁谐振过电压等)，对弱绝缘来说击穿概率加大。

(2)在发生间歇性电弧接地故障时，会产生大的高频振荡电流，可达数百安培，有可能引发相间短路。

(3)故障定位是该方式的难点，不能正确迅速切除接地故障线路。

2.2 配电网中性点经消弧线圈接地的优缺点

配电网中性点谐振接地是指配电网内一个或多个中性点经消弧线圈与大地连接，设计使消弧线圈的稳态工频感性电流对电网稳态工频容性电流进行自动补偿，目的是使得在发生接地故障时具有小的残流，并有可能自行消除。因此，中性点不接地系统所具有的优点，中性点消弧线圈接地系统全有并更有优势些。同样，中性点不接地系统的缺点，中性点消弧线圈接地系统亦都具备，仅是出现最大幅值弧光过电压的预期概率会小些。这是因为经消弧线圈补偿后降低了单相接地时的发生电弧的概率。

消弧线圈接地方式的使用是否可靠，很大程度上还取决于消弧线圈、自动跟踪系统、选线装置等装置本体的可靠性。

2.3 配电网中性点直接接地的优缺点

配电网中性点直接接地是指配电网中全部或部分运行变压器的中性点没有设置人为阻抗加入，并直接与大地(地网)充分连接。使该电网处达到R0≤X1和X0/X1≤3的规范要求。

中性点直接接地系统的优点如下：

(1)发生接地故障时，产生的内部过电压较低，可采用较低绝缘水平设备与电缆，节省系统基建投资。

(2)因接地电流是有功的，发生接地故障时，故障易定位，可以正确迅速切除接地故障线路。

中性点直接接地系统的缺点如下：

(1)接地故障线路迅速切除，供电连续性较差。

(2)接地电流大，故障点地电位上升较高。这样可能增加电力设备损伤。

(3)接触电压和跨步电压增大。

(4)对信息系统干扰增大。

(5)对低压网的反击增大。

2.4 配电网中性点电阻器接地的优缺点

配电网中中性点接入电阻器，其目的是限制接地故障电流。采用中性点经电阻器(每相零电阻R0≤XC0每相对地容抗)接地，理论上可以消除中性点不接地和消弧线圈接地系统的缺点，既降低了瞬态过电压幅值，又使灵敏而有选择性的故障定位的接地保护得以可靠实现。这种系统的实际接地电流比直接接地系统的小，故地电位升高及对信息系统的干扰和对低压电网的反击都会减弱。因此，中性点电阻器接地系统同时具有中性点不接地及消弧线圈接地系统或直接接地系统的某些优点，当然，也或多或少存在这两种接地方式的一些缺点。

按限制接地故障电流大小的要求不同目的，分高、中、低值电阻器接地系统，具体的优缺点亦不相同。

2.4.1 中性点高值电阻器接地系统的优缺点

中性点高值电阻器接地系统是指限制接地故障电流水平在10 A以下，高电阻接地系统设计应符合每相零序电阻R0≤XC0(每相对地容抗)的原则，用以限制由于系统间歇性电弧接地故障时产生的瞬态过电压。其优点：

(1)可以防止和阻尼谐振过电压，以及间歇性电弧接地过电压，其值在2.5PU及以下。

(2)可限制接地电流水平为10 A以下，减小了预期及实际地电位升高。

(3)可能带单相接地故障短时运行，接地故障可以不立即消除。

缺点：使用范围受到限制，一般用于小规模的6～10 kV配电网络和发电厂厂用电系统。

2.4.2 中性点中值电阻器接地系统的优缺点

为了克服高值和低值接地系统的弊端而保留其优点，可以考虑采用中值电阻。使接地故障电流控制在50～100 A，但仍保留了低水平的内过电压、较小的地电位升高、正确迅速切除接地故障线路等优点，同时亦具有待切除接地故障线路的不连续供电等缺点。

3 3～10 kV中压系统中性点经电阻接地的理论分析

采用中性点经电阻接地的目的，一方面是为了限制接地故障电流，防止大电流对故障点设备和线路造成严重的烧伤和损坏，另一方面是为了限制中性点不接地系统所产生的异常过电压，以使系统和电气设备的绝缘不遭受破坏。采用电阻接地，是介于中性点不接地和中性点直接接地系统之间的一种中间系统，兼有二者之长。

在系统中性点接入一个电阻，可以限制其接地故障电流值，是显而易见的，要分析中性点接入电阻后限制过电压，要从单相接地时产生的谐振过电压来分析。当平衡的三相系统中单相(设A相，VA)接地时，其故障条件(边界条件)为：

UA=0，IB=0，IC=0。

满足该故障电压及三个电流序量相等的复合序网如图1所示。

图1 故障电压及三个电流序量相等的复合序网

应用对称分量法，求得非故障相(B相和C相)的对地电压分别为：

对于系统和线路，可取Z1=Z2，并且a2+a+1=0，则有：

(1)

同样，可求出C相电压为：

(2)

当h≈0时，

(3)

(4)

(5)

(6)

对于中性点接入电阻RN，等效与相- 地间电容C0并联，其零序阻抗Z0近似等于二者并联。

(7)

(8)

XC0为系统对地的总容抗。

4 作为结论的几点建议

供配电系统中性点接地问题，是一个综合的技术问题。它的确定与选择，与系统供电的可靠性、过电压与绝缘水平、继电保护以及对通讯的干扰、电力系统的稳定都有关系。本文仅探讨了工业企业电力系统电阻接地的应用理论基础。各种中性点接地方式都各有特点，每种方式都只有在一定的条件下使用才是合理的。电阻接地方式也是如此。现就工业企业6～10 kV中压供电系统，关于接地电阻的使用，除在使用中注意同一电压系统应只有一点接地外，提出如下参考建议：

(1)对于连续供电要求高的企业及工艺生产装置，当电容电流估算超过30 A时，企业又处在多雷害地区，在架空线路较多时，则以采用消弧线圈接地方式为宜。系统采用消弧线圈接地后，仍可容许在2小时内检查及排除故障连续供电，对暂时的接地能自行消除，不需断路器跳闸，能限制过电压在容许的范围内。但其缺点是操作维护较复杂，继电保护困难，接地装置费用高，仅在必须时采用。

(2)当电容电流估算超过30 A时，而对连续供电的可靠性又没有较高要求时，应采用低值电阻接地。这是因为当预期接地故障电流太大时，如果采用中性点不接地，暂时性的接地电弧不能自动熄灭，过电压危险增加，当单相接地故障不能及时排除时，往往会发展成为相间短路故障。我国规程规定，应采用消弧线圈接地方式接地。当供电可靠性要求不高或者继电保护装置的快速反应能满足供电要求时，采用低值电阻接地还是可以的。但采用低值电阻接地比采用消弧线圈接地方式接地的供电可靠性较低。低值电阻接地带来的主要缺点是当发生接地故障时要中断对故障回路的供电。供电的可靠性还可以从系统的设计解决。

(4)当电网电容电流在10 A以下，而对连续供电的可靠性又有较高要求的系统，尤其是在3～10 kV配电母线上有大量的旋转电机直接连接的场合，可优先选择高电阻接地的方式。因为通过上述分析，高电阻接地能限制异常过电压，在发生单相接地故障时，允许持续带电运行，直到有计划的排除接地故障，对于旋转电机来说，其绝缘最为薄弱，而又要求有较高的供电可靠性。采用高电阻接地是合适的，比采用消弧线圈简单经济。