配电网中性点经高阻接地安全性能的分析

关键词：配电网络中性点 高阻接地 安全性能分析

 

　1　前言

　　随着国民经济的发展，某些城市及部分企业的供配电网已改变了过去以架空线路为主的局面，而是以电缆线路为主。同时，一些结构紧凑的封闭式设备(如SF6开关柜)、聚乙烯电缆及氧化锌避雷器的广泛应用，使原有的非有效接地方式，已不能适应当前电力系统的发展需要。

　　基于以上情况，我国个别地区的配电网络中性点已采用经低电阻接地的运行方式。这种接地方式可以降低单相接地时的暂态过电压，消除弧光接地过电压，使用简单的保护装置就能迅速选择故障支路，消除故障。但是，随着带来线路跳闸频繁、断路器维护工作量的增大及人身触电电流的增大，直接影响到供电系统的可靠性与安全性。

　　从国外电网的发展来看，美、日等国家采用低电阻接地方式居多，并认为低电阻接地是今后的发展趋势。我国从西方国家引进的成套工厂设备，高压配电系统都采用低电阻的接地方式。从国内来说，目前电力系统正在制定电阻接地的有关措施，并将逐步实施。我们通过试验研究后认为，采用中性点经低电阻接地的方式，并不一定是适合我国城市或企业配电网发展的最佳方式；目前，电力系统尚有不同的观点和做法。因此，我们将通过下面的模拟试验，对中性点接地方式的有关问题作进一步的研究与探讨。

　　影响中性点接地方式的因素很多，本文不可能对各种因素逐一全面研究，只能针对电缆供电的特点，着重对一些影响中性点接地方式的安全问题进行研究；主要对高阻接地情况下的参数选择进行分析比较，以寻求更为合理的中性点接地方式。

　　2　电网中性点经高阻接地时的过电压试验

　　高电阻接地是这样定义的：电力系统中性点通过一电阻接地，其单相接地故障时的电阻电流被限制到等于或略大于系统总电容电流，即IRN≥3IC0，如图1所示。图中RN≤XC0／3，RN为接地电阻，XC0为系统每相对地容抗，3IC0为总电容电流，IRN为流过电阻器的电流。 

　　图1　配电网中性点经高电阻接地原理图

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

　　当发生电弧接地时，接地电流为

　　Ijd=(1/RN+j3ωC0)UA=IRN+jIC

　　单相接地将使非故障相对地电压升高3倍，变成线电压；此时，电网的线电压仍维持对称状态，对负荷没有影响。如果发生的是间歇性电弧接地故障，非故障相对地电压将大大超过3倍，而且波及整个电网，使那些绝缘薄弱环节相继发生绝缘击穿，使事故扩大。

　　试验时，在高压模拟电网(3.3kV)上用低阻尼电容分压器、磁带记录仪记录过电压信息，由计算机采集分析系统采集记录在磁带仪上的过电压信息并加以分析，计算机采集分析系统记录的过电压波形如图2所示。 

　　图2　配电网中性点经高阻接地的过电压波形图

(a)起弧、重燃波形　(b)起弧、重燃展宽后的波形

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

　　过电压波形特点分析(皆在A相发生间歇性电弧接地)：

　　(1)相对地过电压　线间电容降低过电压作用不明显，A相接地时C相过电压高于B相。过电压倍数与中性点电阻值有关，RN＞1／3ωC0时，过电压明显增加；RN=1／3ωC0时过电压降低；当RN=1.8kΩ＞＞1／3ωC0时，故障相最高过电压达2.1Vxg(Vxg表示正常供电时的相对地电压峰值)，健全相最高过电压达3.4Vxg；当RN=237Ω≈1／3ωC0=232Ω时，故障相过电压≯2.2Vxg，健全相过电压≯1.3Vxg。

　　(2)相间过电压　低于相对地过电压。

　　(3)最大过电压发生时刻　在接地相工频电压幅值附近。

　　(4)熄弧性质　高频和工频兼有，接地电流较大时熄弧困难。

　　(5)波头长度及过电压振荡频率　高频振荡频率约在3000～4000Hz之间(与试验电路有关)。

　　(6)中性点波形　间歇性重燃时V0为衰减的梯形波叠加高频振荡，即中性点积累的电荷经电阻RN泄放较快；试验中最大过电压在1.5～3.5Vxg之间。

　　(7)从试验中可以看出，基本上是每半个工频周期发生一次燃弧，每相及中性点电压都有明显的振荡；当发生间歇性燃弧时，随着中性点电阻值的减小，中性点电位在半个工频周期内衰减加快，即系统能量泄放较快，从而有效地降低了各相及中性点的过电压幅值。

　　试验表明，中性点电阻对串联谐振过电压与间歇性电弧接地过电压起到了很好的抑制作用。当RN=1／3ωC0时，中性点位移电压在半个周期内降到原来的4.32%，这就降低了故障相上的最大恢复电压数值，使电弧重燃不致引起高幅值的过电压，但接地点的电流增加较大。取RN=2／3ωC0，将大大减小接地点的电流，此时中性点电位在半个工频周期内衰减较小，降到原来的20.8%。电阻的存在，大大降低了故障相恢复电压的上升速度，减少了电弧重燃的可能。

　　试验中，每次燃弧基本上都是在故障相电压的最大值处发生，及恢复电压达到最大且大于介质恢复强度时，发生击穿而使电弧重燃。

　　从试验结果分析看，RN的值越大，电弧重燃越易，且电弧能量也较大；随着RN值的减小，燃弧变得较难，电弧能量也逐渐减小，这与理论分析相符。电网中性点经高阻接地后，对电弧接地过电压和串联谐振过电压有较大的抑制作用，从而有效地防止了异常过电压对电机、电缆绝缘的危害，保证了用电设备的安全运行。当接地故障电流较大时，持续的故障电流所引起的热效应，会使电缆在接地故障处的相间绝缘因过热燃毁而发展为相间短路。所以，当电网的电容电流较小时，应采用中性点经高阻接地的方式；尤其是对高压电动机的电缆线路较多且运行多年的老电网，由于电动机和电缆绝缘都已降低和老化，容易受异常过电压的破坏，将这类电网的中性点改为经高阻接地时非常适合的。只要中性点电阻选择合适，即使电网参数发生变化，也不需要再调节电阻值，且运行简单，效益显著。

　　中性点经电阻接地系统的另一个突出优点是易于实现选择性的继电保护。

　3　中性点电阻值的选取原则

　　根据电网的实际情况。安全电阻值的选取一般应考虑以下几个问题。

3.1　过电压的限制水平及降低人身触电的危险

　　只要RN≤1／3ωC0，弧光接地过电压被限制在2.2Uxg以下，对不同的系统，C0不同，RN取值不同，一般在100Ω以上。它属于高阻范围，对RN无论是低阻(RN=10Ω)还是高阻(RN=100～400Ω)都能达到抑制电压互感器(PT)谐振过电压和断线谐振过电压的目的，当然，RN越小，过电压水平越低。但同时应兼顾对通过人体的接地电流不造成明显的增加。

　　运用戴维南定理，对图3的电网情况转化成为下边的等效电路图；此时的等效开路电压等于人身未触电以前A相的对地电压(UA)，而等效阻抗Z等于三相电网对地的绝缘电阻r和电容C与中性点接地电阻RN并联后的数值，人身电阻为RR，即

　

　　式中　

Z0——零序阻抗 

 

　　

　　图3　人触电时的电网情况及等效电路图

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

　　然后，根据等效电路图，即可求得通过人体的接地电流IR为

　　配电网中性点经高阻接地安全性能的分析

　　可以看出，由于RN的接入，r和3RN是并联关系，相当于把电网对地的绝缘电阻值减小了。因此，人身触电电流将随RN的变化而变化；当C0一定时，也有某一个电阻r使人身触电电流值为最小。也就是说，当r和C0一定时，改变RN的值，将会在某一个RN的条件下，人身触电电流值为最小。图4的实测曲线，说明了人身触电电流随RN的变化规律。由此可见，在r和C0一定的条件下，接入RN总会使人身触电电流值减小，而不是增大，对安全是有好处的。但是，也应该看到，RN的变化，实际上对人身触电电流的影响很小；因为在电容值较大的情况下，起决定作用的仍然是电容电流。 

　

　　图4　通过人身的接地电流与配电网中性点电阻RN的变化规律

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

　　从图4可以看出，随着RN的增大，IR趋于稳定，在合适的范围内选取RN值，IR增加不明显。图5进一步说明了人身触电电流随绝缘电阻r和电容C的变化规律。表1说明了电网3300V电压下，随着中性点电阻RN的增加，人身触电电流减小的趋势。

　　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：煤矿安全手册将人体电阻RR的取值定为1000Ω。 

　　图5　人身触电电流随电网对地绝缘电阻和电容的关系曲线

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　单相接地电流的限制水平

　　当单相接地时相当于RR=0的情况，此时的单相接地电流值为

　　

　　其有效值为

　　

　　显然，RN越小，则Ijd越大。

　　按单相接地电流选取RN，应保证最大的接地电流满足开断容量的要求，且留有一定的裕度。一般应控制单相接地电流小于三相短路电流，最小单相接地电流应满足接地继电器灵敏度的要求。

　　在电网中性点经低阻接地时，发生单相接地，保护装置动作并立即跳闸；而高阻接地则允许带接地运行1～2h。所以采用高阻接地方式，通常并不要求发生接地故障时立即切除故障，因为接地电流被限制到很小，保护装置只是检测故障并发出信号，这对“连续生产”的企业是很重要的。

　　4　结论

　　(1)从过电压情况来看，中性点不接地方式最高，对于电气设备的绝缘有较大的威胁；采用消弧线圈的接地方式，仍不能减小电弧接地过电压，因而最好采用中性点经高电阻接地方式。

　　(2)从实现继电保护的难易程度看，中性点不接地方式比较难，若采用消弧线圈接地方式则更难；因此最好采用中性点经高电阻接地方式。

　　(3)从人身安全的角度看RN=1／3ωC0，人身触电电流将要大大增加，对安全不利；不仅如此，单相接地电流增大，对安全也没有好处，将会增加煤矿瓦斯煤尘爆炸的可能性。因此，对于煤矿井下来讲，最好是RN取较大数值。

　　(4)电网中性点接地方式是一个涉及到电力系统许多因素的综合问题，在选择中性点接地方式时，应充分考虑国情、本地区特点、电网结构、供电可靠性、设备与线路的绝缘水平、人身安全及对通信线路的干扰等因素，通过技术经济比较，选择合理的中性点接地方式。

　　参考文献　

1　胡天露.矿井电网的漏电保护.北京：煤炭工业出版社，1987.

2　牟龙华.高压电网高阻接地方式的分析.中国矿业大学学报，1994(4)

3　许允之等.消弧线圈并电阻接地方式.华北电力大学学报，1997(3)

4　许允之.电网过电压数据的数理统计方法.上海交通大学学报，1997(3)