20kV配电网中性点接地方式基本原理

引言
在电力系统配电网中，中性点接地方式是一个综合性的技术问题，它不仅与电力系统的供电可靠性、人身安全、设备安全、绝缘水平、过电压保护、继电保护、通信干扰（电磁环境）以及接地装置等问题有密切的联系，而且是20kV中压配网升压改造过程中所面临的关键技术之一。

合理地选择配电网中性点接地方式，提高配电网供电安全性和可靠性，减少停电时间和跳闸次数。

同时，电力系统中性点接地方式也是经济问题。

在选定方案的决策过程中，应结合系统的现状和发展规划进行技术经济比较，全面考虑，使系统具有更优的技术经济指标，避免因决策失误而造成的不良后果。

2 中性点接地方式基本原理
电力系统在正常运行中，对不同的中性点接地方式及其差异，基本上没有反映。

可是，当系统发生单相接地故障时，情况则大不一样。

因中性点接地方式的不同，非故障相工频电压的升高和单相接地故障电流的大小也不相同。

通常，以两者的具体数值表征不同接地方式系统的基本运行特性。

分析存在于两者之间的互换特性，可以展示出各种不同接地方式之间的内在联系，各种接地方式的特点和适用范围等主要问题也均将由此决定。

2.1 中性点接地方式理论分析
分析非故障相的工频电压升高与单相接地故障电流等有关问题，
可以从图2.1-1中简化的电力系统等值接线图开始。

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图2.1-1 配电网单相接地等值电路图
图中的降压变压器也可暂不考虑，所导出的公式和得出的结论，对研究中性点接地方式的有关问题依然具有普遍适用意义。

当等值电力系统中的A 相发生单相接地故障时，即使变压器的中性点直接接地，由于系统的零序阻抗不等于零，非故障相的对地电压也会有所升高。

利用故障相的电压和非故障相的电流为零这两个边界条件，将电压和电流分解为对称分量，便可求出非故障相的工频电压升高和故障点的单相接地电流。

中性点经阻抗Z n 接地的电网在单相（例如A 相）接地情况下电压和电流发生变化。

以A 相电动势(10)A
A E
E j ∙=+为基准，A 相在k 点发
生金属接地时的相序网络如图2.1-2所示。

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图2.1-2 单相接地网络图
（左图:A 相k 点接地；右图:A 相接地时的相序网络图）
单相接地故障时各相序电流相等，0
12123
A
E I I I Z Z Z ∙
∙
∙
∙
===
++，故障
相电流I f 等于各相序电流之和，0120
3f
I
I I I I =++=，因此
123
3A f
E I
Z Z Z ∙
∙
=
++ （2-1）
在故障点k 处的三相电压'
A U ∙
、'
B U ∙
、'
C U ∙
可用对称分量法分别求得:
'
2
'
2
120120
1202
'
2
120120
120
A B A
B B
B C A
C C
C U a Z aZ Z U a U a U U
U U
U U
Z Z Z aZ a Z Z U a U a U U
U U
U U
Z Z Z ∙
∙∙
∙
∙∙
∙∙
∙∙∙
∙∙∙
∙
∙
∙
⎫
⎪=⎪⎪++⎪=++=-
=+∆⎬++⎪⎪++⎪=++=-=+∆++⎪⎭
（2-2）
对于运行中的电力系统，若电源容量按无限大考虑，则负序阻抗应等于正序阻抗。

当电源容量不甚大时，发电机的正、负序阻抗虽不完全相等，但因其负序阻抗所占比重不大，通常也可令Z 2=Z 1，实践证明，误差不大。

现将Z 2=Z 1及'
2'
B
A
U a U ∙
∙
=、'
'
C
A
U a U ∙∙
=分别代入式（2-1）与式
（2-2），便可求出故障点接地电流与非故障相电压的一般表达式为：
'
10
32A
A U
I Z Z ∙
∙
=
+ （2-3）
2
2
'
10
102
'
1010
()(1)2()(1)2A B A C
a a Z a Z U U Z Z a a Z a Z U U Z Z ∙∙
∙
∙⎫
-+-=
⎪
+⎪
⎬-+-⎪
=⎪+⎭ （2-4）
上述这些公式虽然是从一个特例系统中导出的，但可以应用到各种中性点接地方式的系统中。

现将式（2-4）稍加变化，便可得到：
0110
122
A
A
Z Z k U U
U
Z Z k ∙
∙
∙
--∆=-
=-
++ （2-5）
式中的因子01
Z k
Z =
定义为接地程度系数。

根据式（2-3），单相接地故障电流同样也可用k 表示如下：
(3)
32
A I I
k ∙
∙
=
+ （2-6）
式中(3)
1
A
U
I
Z ∙
∙=
为三相短路电流。

从式（2-5）与式（2-6）可以看出，随着接地程度系数k 值的增大，故障点的接地电流减小，非故障相的工频电压升高；反之，随k 值减小，故障点的接地电流增大，非故障相的工频电压降低。

这就是电网发生单相接地故障时电压与电流的互换特性。

已知01
Z k
Z =，因Z 1中R 1很小，一般可忽略不计，即0001
1
1
Z R X k
j
X X X =
=
+。

现在若
01
R X 和
01
X X 以为坐标，便可绘出电压与电流的两族曲线，如图2.1-3，
这两族曲线均是给定的不同单相接地故障时，电压与电流的最大值。

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图2.1-3 单相接地时工频电压与故障电流曲线图 （左图:非故障相以U 1（%）表示的最高电压曲线族； 右图:故障相以I （3）表示的最大接地短路电流曲线族）
图2.1-3左图表明，不论系统参数如何，非故障相对地电压均大于相电压。

图中的实线曲线族是按120
R R ==与12X X =的条件绘制的。

若令12
10.1R R X ==与12X X =，则可得到图中的另一虚线曲线族。

两种
曲线族对比，证实了R 1与R 2是可以忽略的。

由此，随着01
R X 与
01
X X 的减
小，非故障相的对地电压逐渐降低。

而且，当
01
1R X ≤与
01
3X X ≤时，非故
障相的最大电压升高几乎全部小于80%线电压。

在这样的范围内，R 0的影响要比X 0大得多。

图2.1-3右图中的曲线族是按12
R R ==与12X X =
的条件绘制的。

在该族曲线中，X 0的影响要比R 0突出得多。

随着01
X X 值的减小，不论
01
R X 值如何，接地故障电流都逐渐增大。

当01
1X X <时，接地短路电流显著
增大。

若12X X >
，则情况更加严重。

2.2 中压配网中性点接地方式主要类型
在中压范围内，我国和许多国家的电网普遍采用小电流接地方式，其发生单相接地故障时接地电弧能够自行熄灭，是一个突出的特点，这是进行小电流接地系统范围界定的必要与充分条件。

电力系统的中性点接地方式虽然有多种表现形式，但根据上述原则，基本上可以划分为两大类：凡是需要断路器遮断单相接地故障者，属于大电流接地方式；凡是单相接地电弧能够瞬间自行熄灭者，属于小电流接地方式。

在大电流接地方式中，主要有：中性点有效接地方式；中性点全接地方式，即非常有效接地方式。

此外，还有中性点经低电抗、中电阻和低电阻接地方式等。

在小电流接地方式中，主要有：中性点经消弧线圈接地方式；中性点不接地方式；中性点经高电阻接地方式等。

本章将分析中压配网范围内中性点不接地、经消弧线圈接地和低电阻接地三种主要方式技术原理。

2.2.1 中性点不接地
中性点不接地方式下，发生单相接地故障时，中性点电压产生位移至故障相电压，非故障相电压升至线电压，可带故障运行一段时间而不跳闸。

这是中性点不接地方式的最大优点。

一般来说，当线路的电容电流小于10A 时，单相接地故障产生的电弧可以自动熄灭。

因此，中性点不接地方式比较适用于电容电流较小的配电网，当电容电流大于10A 时，电弧可能不能自行熄灭，则需采用其他中性点接地方式。

（1）单相接地故障稳态分析
根据上一章节理论分析，中性点不接地方式单相故障接地电流为
()n f I U j C ω∙∙
=⨯
（2-7）
式中：n U ∙
为单相短路系统等效电源，C 为系统三相对地电容之和。

中性点电压为：
n
A
U U
∙
∙
=- （2-8）
短路电流幅值为：
f f n I I U C
ω∙
== （2-9）
非故障相电压为：
B C ph U U ==
（2-10）
式中：ph
U 为系统相电压。

（2）单相接地故障暂态分析
当发生单相接地故障时，将产生间歇性电弧接地过电压。

对电弧接地过电压的理论研究从中性点不接地系统开始，1917年，德国彼得生首先提出了高频息弧理论，奠定了电弧接地过电压的理论基础。

随
后，美国的彼得和斯列宾提出了更能反映实际情况的工频熄弧理论。

根据工频熄弧理论，系统发生单相接地故障时将产生间歇性电弧接地过电压。

对于中性点不接地方式，故障相A 相产生的过电压为：
(1.5~2.5)A m u U =
（2-11）
非故障相过电压分别为：
(2.5~3.5)B m u U = （2-12） (2.5~3.5)C m
u U = （2-13）
（3）主要适用范围
《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合（DL/T 620-1997）》规定，当接地故障电流不超过下列数值又需在接地故障条件下运行时，可采用不接地方式：
a ）3kV ～10kV 钢筋混凝土或金属杆塔的架空线路构成的系统和所有35kV 、66kV 系统，10A 。

b ）3kV ～10kV 非钢筋混凝土或非金属杆塔的架空线路构成的系统，当电压为3kV 和6kV 时，30A ；10kV 时，20A 。

c ）3kV ～10kV 电缆线路构成的系统，30A 。

《城市电力网规划设计导则（Q/GDW 156-2006）》规定对于35kV 、20kV 、10kV 电压等级的配电系统，在发生单相接地故障时，若单相接地电流在10A 以下，可采用中性点不接地方式。

2.2.2 消弧线圈接地
中性点消弧线圈接地方式下，发生单相接地故障时，可形成一个与接地电容电流大小接近相等但方向相反的电感电流，它与电容电流相互补偿，使接地处的电流变得很小或等于零，从而消除接地点的电
弧及其危害。

同时电流过零电弧熄灭后，消弧线圈的存在还可以显著减缓故障相电压的恢复速度，降低重燃的可能性。

消弧线圈接地方式使接地故障电流降低为最小，并限制了非故障相的工频电压升高幅值，对单相接地故障不需要立刻跳闸，保证了供电连续性。

（1）单相接地故障稳态分析
根据上一章节理论分析，中性点消弧线圈接地方式单相故障接地时故障电流为：
1()()C L n f I U j C j I I j L
ωω∙
∙
∙∙
=⨯+
=-
（2-14）
式中，L 为消弧线圈电感。

中性点电压为：
n
A
U U
∙
∙
=- （2-15）
短路电流幅值为：
1
()f f n C L I I U C I I L
ωω∙
==-
=-
（2-16）
定义补偿电网或消弧线圈的失谐度和和谐度为：
C L
C
I I I υ-=
（2-17）
1K υ
=- （2-18）
调节消弧线圈电感参数，可以使其在以下三种方式下运行： a ）全补偿：谐振回路恰好在谐振点工作，消弧线圈电感电流完全补偿了系统的对地电容电流，残流达到最小，理想状态下可以减小到零。

b ）欠补偿：配电网对地电容电流大于消弧线圈产生的电感电流，补偿后的残流量存在容性电流分量。

c ）过补偿：配电网对地电容电流小于消弧线圈产生的电感电流，补偿后的残流量存在感性电流分量。

为便于接地电弧自行熄灭，消弧线圈应当尽量靠近谐振点运行，否则，故障点的残余电流和恢复电压的初速度同时增大，对接地电弧的自行熄灭不利。

当消弧线圈在谐振点附近运行时，从熄灭接地电弧方面考虑，过补偿与欠补偿几乎没有差别，但是从断线过电压方面考虑，两者却相差很大。

所以，电网在正常运行情况下，消弧线圈应适当过补偿运行。

（2）单相接地故障暂态分析
根据工频熄弧理论，系统发生单相接地故障时将产生间歇性电弧接地过电压。

对于中性点经消弧线圈接地方式，故障相A 相产生的过电压为：
(1.5~2.5)A m u U =
（2-19）
非故障相过电压分别为：
(2.5~3.2)B m u U = （2-20） (2.5~3.2)C m
u U = （2-21）
若考虑电流泄露、衰减以及相间电容的影响，非故障相的最大暂态过电压可达到3.2U m 。

（3）主要适用范围
消弧线圈接地方式广泛应用于10～66kV 的中压配网。

采用这种接地方式，当系统发生单相接地故障时，接地故障电流较小，可不立即跳闸，按规程规定配电网可带故障运行2小时。

《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合（DL/T 620-1997）》规定，当接地故障电流超过下列数值又需在接地故障条件下运行时，应采用消弧线圈接地方式：
a ）3kV ～10kV 钢筋混凝土或金属杆塔的架空线路构成的系统和所有
35kV 、66kV 系统，10A 。

b ）3kV ～10kV 非钢筋混凝土或非金属杆塔的架空线路构成的系统，当电压为3kV 和6kV 时，30A ；10kV 时，20A 。

c ）3kV ～10kV 电缆线路构成的系统，30A 。

《城市电力网规划设计导则（Q/GDW 156-2006）》规定对于35kV 、20kV 、10kV 电压等级的中性点不接地系统，在发生单相接地故障时，若单相接地电流在10A ～150A ，宜采用经消弧线圈接地方式，宜将接地电流控制在10A 以内，并允许单相接地允许2小时。

2.2.3 低电阻接地
中性点低电阻接地能有效抑制系统的谐振过电压，加速泄放回路的残余电荷，同时提供一定零序电流，方便配置单相接地故障保护，可在短时间内有选择地切除接地故障线路。

（1）单相接地故障稳态分析
根据上一章节理论分析，中性点低电阻接地方式单相故障接地零序电流为：
001()3n n I U j C R ω∙∙
=⨯+ （2-22）
式中，R n 为接地电阻。

零序电压为：
0A U U ∙∙
=- （2-23）
短路电流幅值为：
033f n I I U ∙
== （2-24）
（2）单相接地故障暂态分析
根据工频熄弧理论，系统发生单相接地故障时将产生间歇性电弧接
地过电压。

对于中性点经低电阻接地方式，故障相A 相产生的过电压为：
0.01
3(1.5)n C R A m u e U -=+ （2-25）
非故障相过电压分别为：
0.01
3(2.5)n
C R B m u e U -=+ （2-26） 0.01
3(2.5)n C R C m u e U -=+ （2-27）
（3）主要适用范围
《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合（DL/T 620-1997）》规定6kV ～35kV 主要由电缆线路构成的送、配电系统，单相接地故障电容电流较大时，可采用低电阻接地方式，当应考虑供电可靠性要求、故障时瞬态电压、瞬态电流对电气设备的影响、对通信的影响和继电保护技术要求以及本地的运行经验等。

《城市电力网规划设计导则（Q/GDW 156-2006）》规定对于35kV 、20kV 、10kV 电压等级的非有效接地系统，当单相接地故障电流达到150A 以上的水平时，宜改为低电阻接地系统。

对于35kV 、20kV 、10kV 电压等级的中性点经低电阻接地系统，在发生单相接地故障时，20kV 、10kV 接地电流宜控制在150～500A 范围内，35kV 接地电流为1000A ，应考虑跳闸停运，并注意与重合闸的配合。

2.3 中性点接地方式对配电网运行和改造的影响
2.3.1 对供电安全性的影响
20kV 配电网发生单相接地故障时，故障电流通过接地点流入大地，将造成接地故障点和中性点地电位升高，导致以下两种情况的发生：
a ）产生接触电压和跨步电压，对附近人员造成人身安全威胁。

b ）对附近低压线路和通信设施产生耦合作用，产生耦合过电压
或设备绝缘击穿等问题。

三种中性点接地方式下，发生单相接地故障时的故障电流不同，对人身和设备安全性影响也不同。

（1）跨步电压和接触电压的计算
变电站内发生单相接地故障时，所产生的跨步电压和接触电压对站内设备和人身安全的影响较为严重。

变电站内采用接地网作为接地装置，其最大跨步电压和最大接触电压的计算公式分别为：
,,0S M AX S M AX C
U K I R =⨯⨯ （2-28） ,,0T M AX T M AX C U K I R =⨯⨯ （2-29）
式中：,S M A X U 为最大跨步电压，,T M AX U
为最大接触电压，,S M AX K 为最大跨步电压系数，,T M AX K
为最大接触电压系数，0I 为单相故障电流，
C R 为接地电阻。

最大跨步电压系数和最大接触电压系数的数值与接地网的尺寸、网格数等因素有关，计算公式较为复杂，根据相关文献可取值为0.04～0.15。

为估算方便，对不同接地电阻情况进行计算时两参数都取为0.1，计算结果如表2.3-1所示。

其中，接地故障电流为阻性电流和容性电流分量的矢量和。

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《交流电气装置接地（DL/T 621-1997）》规定了3～66kV 不接地和消弧线圈接地方式发生单相接地故障后不迅速切除故障时，接地装置的接触电压和跨步电压不应超过下列数值：
500.05t f U ρ=+ （2-30）
500.2x f U ρ=+ （2-31）
式中：t U 为接触电压，x U 为跨步电压，f ρ为土壤电阻率。

3～66kV 低电阻接地方式下单相接地故障或同点两相接地时，接地装置的接触电压和跨步电压不应超过下列数值：
1740.17
t U ρ+= （2-32） 1740.17
x U ρ+=
（2-33） 式中：t 为接地故障电流持续时间。

在20kV 配电网三种中性点接地方式下，发生单相接地故障时，单相接地故障点处的最大接触电压和跨步电压可以分别按照式（2-30）～（2-33）为限值标准进行考虑。

不同土壤电阻率情况下，最大跨步电压和接触电压的限值如表2.3-2所示。

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（2）不同中性点接地方式的安全性比较
电力行业规定，电气设备保护接地装置的接地电阻不宜大于4Ω，目前很多110kV以上变电站内接地网的接地电阻一般都控制在0.5Ω以下。

这里将接地电阻值按5Ω作为极端情况考虑。

在中性点不接地方式和消弧线圈接地方式下，单相接地故障电流一般小于10A，产生的最大跨步电压和接触电压仅为0.5V，远低于表中的限值，对于周围非接触性的人员或设备产生的影响较小，对于周围线路和设备几乎不产生耦合。

在中性点低电阻接地方式下，单相接地故障电流可达300～600A，跨步电压和接触电压最高可达300V，超过表2.3-2中的限值，因此，可能对附近设备和人身安全造成较大威胁。

接触性事故和非接触性事故的危险性增加，可能对周围线路和设备产生耦合干扰。

三种中性点接地方式的安全性比较如表2.3-3所示。

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由表可知，为保证跨步电压和接触电压不致过高而产生安全问题，单相接地故障电流可限制在300～600A。

考虑到线路的阻抗，低电阻接地方式下，中性点电阻值一般取值为20～40Ω。

2.3.2 对供电连续性的影响
在中压配电网中，单相接地故障占所有故障的75%以上。

减少发生单相接地故障造成的系统停电时间，可以提高配电网的供电连续性，从而减少因停电对用户造成的损失。

单相接地故障可分为永久性接地故障和非永久性接地故障。

永久性故障为持续时间较长的单相接地故障。

非永久性故障一般发生在架空线路的裸导线处，多是绝缘子闪络和树枝碰线等瞬时性故障。

在中性点不接地或消弧线圈接地方式下，对于永久性单相接地故障，系统可带故障
运行2小时，有充裕的时间实现负荷的转移或及时通知用电客户进行有序停电。

对于瞬时性单相接地故障，消弧线圈接地方式在防止电压闪变中起到明显的作用。

在中性点低电阻接地方式下，无论永久性单相接地故障还是非永久性单相接地故障，故障线路都将立即跳闸。

三种不同接地方式对供电连续性影响如表2.3-4所示，中性点不接地或经消弧线圈接地方式下，配电网的供电连续性较好。

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国外事故停电时间占总停电时间的75%以上，而单相接地事故又占事故的75%。

所以减少单相接地故障的停电时间，对年平均停电时间有很大的影响。

中性点经消弧线圈或不接地方式下，配电网的供电连续性优于低电阻接地方式，年平均停电时间也较低电阻接地方式短。

2.3.3 各接地方式比较
各种接地方式各有优缺点。

大电流接地系统（包括低电阻接地）在过电压方面比小电流接地系统（包括不接地、消弧线圈接地）有优势，设备选型只按相电压考虑。

缺点是当系统出现故障几率高的单相接地时保护会动作切除故障，因此供电可靠性降低。

小电流接地系统在发生单相接地故障时，故障点只流过较小的电容电流，不破坏线电压的对称性，可以继续运行，供电可靠性较高。

缺点是运行中可能出现较高水平的过电压，设备选型应按线电压考虑。

三种接地方式综合比较详见表2.3-5。

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小结
本章首先对电力系统中性点接地方式的基本原理及其理论进行了简要的介绍和分析。

在此基础上，进一步介绍了在中压配电网内三种不同的中性点接地的方式，并且分别论述了各种不同中性点接地方式的采用背景。

其次根据中性点接地方式的不同，分别从供电安全性和供电连续性两个角度研究了不同的中性点接地方式对配电网运行和改造的影响。

最后从接地电流，接地故障时对设备损坏程度，供电连续性，过电压，接地选型保护，单相发展为多项接地的可能性，对通信系统的干扰，接触性事故危险性以及非接触性事故危险性等多个方面对三种主要的电力系统中性点接地方式进行了综合比较，分析了各种接地方式的优缺点。