论城乡中压电网的中性点接地方式

论城乡中压电网的中性点接地方式
摘要：电力系统中性点接地方式主要是技术问题，但也是经济问题。

文章遵循电压、电流互换特性这一基本理念，主要从问题的性质、研究的目的、发展简史、内部过电压、谐振接地方式的优化、电缆网络、运行特性与经济效益等方面，对中压电网两个有代表的中性点谐振接地方式与低电阻接地方式，进行了分析和论证。

同时指出，在选定方案的决策过程中，应当利用系统工程的观点，结合电网的现状与发展规划，认真进行技术经济比较后确定。

国内外的理论研究和实践经验表明，谐振接地方式符合发展方向。

关键词：中压电网；内部过电压；自动消弧线圈；微机接地保护；谐振接地；低电阻接地
0序言
在20世纪80年代，我国有的地区从国外购买了低绝缘水平的电力电缆等设备，无法直接在我国的中压电网投入运行，为了进行所谓的“国际接轨”，遂出现了引进低电阻接地方式的意见。

有的部门以为这是“新”技术，便开始试点和推广；有的文献还介绍说：“德国曾为中性点经消弧线圈接地方式的发展源地，但在50～60年代前联邦德国(还有其他国家)却不再采用中性点经消弧线圈接地方式”[1]；有的电力考察团在所发表的报告中，介绍国外中压电网采用的也是“低阻抗接地方式”[2]；有的观点还认为“在今后大规模城市电网改造的进程中，这种‘小电阻接地方式’肯定会越来越多，是必然的发展趋势”[3]；以及电缆网络的电容电流很大，消弧线圈接地方式已不能适应当前中压电网发展的需要，应当“因地制宜”、“因时制宜”地选择中压电网的接地方式[4]；等等。

于是，国内有些城市的中压电网、特别是电缆网络便改为“低电阻接地方式”运行。

近20年来，中压电网的中性点接地方式，在我国一直是个热点问题。

随着社会现代化的进展，电网的负荷特性发生了变化，对过电压更加敏感、对电能质量要求更高；信息通道日渐拥挤、电磁兼容要求更严；生活条件得到改善、生命安全倍受珍视；同时，电缆线路不断延伸、日益增大的电容电流危害严重；等等。

如何正确处理中压电网的中性点接地方式问题，更加引起业内人士的普遍关注。

这样，我们便重新面临一个决择，如何更好地把握中压电网的单相接地故障电流，是限制还是提升？已成为值得认真对待的一大问题。

理论分析和实践结果表明，只有限制单相接地故障电流的危害，方能满足这些变化了的形势要求。

就国际情况而言，不仅德国，而且奥地利、芬兰、意大利、丹麦、比利时及斯堪地那维亚半岛诸国、独联体及其周边地区等许多国家，现在依然采用小电流接地（中性点不接地或经消弧线圈接地）方式。

特别值得一提的是，法国早在80年代末期决定将运行了近30年的、中性点采用大电流接地方式的城乡中压电网，在全国范围内分阶段地全部改为谐振接地方式运行，现已基本完成；近来得知，英国也正在研究、考虑采用谐振接地方式等。

这在相当程度上反映出，将中压电网的单相接地故障电流，由“大”改“小”的发展趋势。

近些年来，在几届国际供电会议（CIRED）上，一些国家相继发表了许多
研究谐振接地方式的论文，而有关低电阻接地方式的文章则极难见到，国际上对此问题的重视也反映出同一动向。

我国中压电网的中性点接地方式曾经是多种多样。

由于小电流接地方式的综合技术经济指标较优，早在50年代便决定统一采用，并在几十年中积累了许多成功的运行经验。

曾一度试用过低电阻接地方式的城市如深圳、珠海等，通过自己的实践检验，同时在新技术、新产品的支持下，几年前便不再发展低电阻接地方式了。

由于停电和人身事故的明显增多，现在，珠海电力局决定将低电阻接地改回谐振接地方式运行。

1中性点接地方式的性质、特点和研究目的
电力系统的中性点接地方式是一个综合性的技术问题，它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、通信干扰和电磁环境，以及接地装置等，有密切的关系。

电力系统中性点接地方式主要是技术问题，但也是经济问题。

在选定方案的决策过程中，应结合系统的现状与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不良的后果。

电力系统中性点接地方式是人们防止电力系统事故的一项重要应用技术，具有理论研究与实践经验密切结合的特点，因而是电力系统实现安全与经济运行的技术基础。

遵循电压、电流互换特性这一基本理念，选定不同电压等级电网的中性点接地方式，一般均可获得比较满意的结果。

研究电力系统中性点接地方式的主要目的，在于正确认识和处理系统中最常见的单相接地故障问题。

在选定不同电压等级的电网（和发电机）的中性点接地方式时，应当力求将单相接地故障时的不良后果限制到最低限度，同时使运行费用最低和效益投资比最高。

简言之，电力系统的中性点接地方式是一个系统工程问题。

2中性点接地方式的发展简史
电力系统发展初期容量较小，人们认为工频电压升高是绝缘故障的主要原因，同时，对电力设备耐受频繁过电流冲击的能力估计过高，所以，最初电力设备的中性点都采用直接接地方式运行。

随着电力系统的发展与扩大，单相接地故障增多，线路断路器经常跳闸，造成频繁的停电事故，遂将直接接地方式改为不接地方式运行。

尔后，由于工业发展较快，使电力传输容量增大、距离延长，电压等级升高，电力系统的延伸范围进一步扩大。

在这种情况下发生单相接地故障时，故障点的接地电弧不能自行熄灭，而且，因间歇电弧接地产生的过电压往往又使事故扩大，显著降低了电力系统的运行可靠性。

为了解决电力系统中出现的这些问题，德国的彼得生（W.Petersen）教授在研究电弧接地过电压的基础上，于1916年和1917年先后提出了2种解决办法，即中性点经消弧线圈和经电阻接地［5，6］，并且分别为世界上2个工业比较发达的国家所采用。

德国为了避免对通信线路的干扰和保障铁路信号的正确动作，采用了中性点经消弧线圈的接地方式，自动消除瞬间的单相接地故障；美国采用了中性点直接接地、经低电阻或低电抗
接地方式，并配合快速继电保护和开关装置，瞬间跳开故障线路。

这2种具有代表性的解决方法，对世界各国中压电网中性点接地方式的发展，产生了很大的影响。

后来，在中压电网的发展过程中，逐渐形成了两类中性点接地方式，即小电流接地方式和大电流接地方式。

前者包括中性点不接地、经消弧线圈或经高电阻接地；后者包括中性点直接接地、经低（中）电阻和低（中）电抗接地等。

而单相接地电弧能否瞬间自行熄灭，是区分大、小电流接地方式的必要和充分条件。

在这两类6种接地方式中，前者以中性点经消弧线圈（谐振）接地为代表，后者以低电阻接地为代表。

长期以来，两者互有优缺点，因此在不同的国家和地区均有了相当的发展。

但是，随着时间的推移和科学技术的发展，现在许多情况已经发生了变化。

利用当代的微机、微电子先进技术，伴随着自动消弧线圈和微机接地保护（或自动选线装置）的推广应用，谐振接地方式在保持原来优点的条件下，克服了缺点，实现了优化，运行特性得到了显著的提升，可以适应当代负荷特性变化的需要。

而低电阻接地方式，虽然用不锈钢电阻器取代了原来的铸铁材料、物理模拟的零序过电流保护也换成了微机接地保护，但在技术内涵方面，多少年来没有实质性的进步；而且在快速清除接地故障问题上，还遇到了新的挑战，运行特性进一步下降，对人身和设备安全等的威胁较前增大。

这样，两者之间的性能投资比差距也就越来越大了。

3中性点接地方式与电压电流互换特性
对于谐振接地方式来说，因为消弧线圈对电网的接地电容电流进行了补偿，使单相接地电弧瞬间自行熄灭，由此给电网带来了比较优良的运行特性。

诸如供电可靠性高、人身和设备安全性好、电磁兼容性强等。

可是，此种接地方式在过去也有2个缺点：一是消弧线圈需要人工调谐，比较麻烦和不便；二是继电保护的选择性长期存在困难。

这在一定程度上限制了它在一些国家和地区中压电网中的应用与发展。

当继电保护的选择性问题尚未解决时，谐振接地系统也曾借助串联或并联电阻，瞬间增大接地故障电流来检出并清除除故障线路。

而且，至今在德国、瑞典和我国的一些中压电网中，仍在继续应用。

不过，现在看来此法是落后的。

而低电阻接地方式则与谐振接地大不相同。

由于中性点低值电阻器的存在，当发生单相接地故障时，在电网的电容电流中又附加了一个有功分量，显著增大了故障点的接地电流，由此对电网的运行特性带来了不少的负面影响。

不过，利用简单的零序过电流保护，可以有选择性地跳开故障线路，这曾经是此种接地方式的一大优点。

所以，以上2种有代表性的接地方式，在世界上曾长期并存发展。

随着时间的推移和科学技术的进步，低电阻接地方式的缺点更加明显。

许多先进国家已经注意到这个现实，并对单相接地故障电流进行了限制。

除上面提到的一些国家外，美国IEEE143标准也曾明确规定，在15kV及以下的低电阻接地方式电网中，对工业设施的接地故障电流限制为400A；日本东京电力设计公司和东京电力公司，于1990年在“上海市区配电网规划设计导则”中，也曾推荐“中”电阻接地方式，一般单相接地故障电流不大于200A。

显然，其主要目的是为了限制大接地故障电流的危害性。

当前我国有些
城网的作法则与其不同，由原来的“小”电流接地，改为“大”电流接地方式，其单相接地故障电流均大于400A，有的甚至提升到1000～2000A。

理论分析和实践结果证明，遵照“电压与电流互换特性”的基本理念选定电力系统的中性点接地方式，一般可以获得相当满意的结果。

这已成为国内外广大业内人士的共识［7］。

对于高压、超高压、特高压的电网而言，主要问题是限制内部过电压，只要能够降低一定的绝缘水平，就会带来十分明显的经济效益，特别是超高压和特高压电网；对于中压电网来说，主要是限制大接地故障电流的危害性问题，因为降低绝缘水平的经济效益甚微，并且，现代负荷对该故障电流的效应具有敏感性。

不过，目前有人对中压电网的内部过电压尚存疑虑，也有人考虑要便于将来升压运行等，所以，讨论内部过电和绝缘水平问题是必要的。

4中压电网的内部过电压和绝缘水平
中压电网的绝缘配合主要是由大气过电压所决定，内部过电压不起主导作用。

而且正常情况下的内部过电压，一般是不危险的。

至于带单相接地故障切断空载线路时的过电压，实际上也早已不成问题了。

同时对中压电网来说，中性点接地方式对绝缘水平的影响很小。

至于降低绝缘水平所节省的投资，其与由此所增加的事故损失等相比，两者是甚难相抵的。

4.1内部过电压
中压电网中的内部过电压，主要为电弧接地过电压和谐振过电压，其幅值与中性点接地方式关系密切。

但是，只有在中性点不接地的中压电网中，过电压的幅值才会相对较高，当中性点经低电阻或消弧线圈接地时，内部过电压均会受到明显的抑制。

因此，在讨论有关内部过电压的问题时，不能把谐振接地和不接地方式混为一谈。

4.1.1电弧接地过电压
美国曾经在30年代利用暂态分析仪进行过模拟试验，认为电弧接地过电压可高达5～
6p.u.。

这一结果产生了广泛和长期的影响，致使人们对此种过电压的危害估计过高。

近来，日本东京电力公司在为我国设计电厂的任务书中，仍然采用这一数据；美国专门制造电阻器的PGR公司，当前也依然如此。

在我国的一些事故分析报告中，无论是过去或现在，也曾多次将原因归结为高倍数的内部过电压。

其实是没有找到真正的原因，所以类似的事故才重复发生。

国内有的模拟试验甚至还提供8.5p.u.的数据。

实际上，这些结果都是不正确的。

关于电弧接地过电压问题，在50年代后期从理论到实践已臻完善。

根据1917年彼得生的“高频电流过零熄弧理论”和1923年彼得和斯列宾的“工频电流过零熄弧理论”，
最高的电弧接地过电压为3.5p.u.；根据1957年别列柯夫的理论，只要熄弧峰压低于介质的恢复强度，接地电弧便可自动熄灭，最高的过电压仅为3.2p.u.［7］。

此种过电压可分为瞬间、间歇和稳定等3种情况。

稳定电弧接地过电压系接地电弧在短间隙中稳定燃烧引起的。

它和前2种不同的是作用时间长，可达数十分钟及以上。

根据国内外长期自动记录和实测的结果，中性点不接地电网中的电弧接地过电压，包括间歇接地在内，最高的过电压为3.4p.u.，而峰值的持续时间小于2ms。

同时，超过3.0p.u.过电压的概率仅为2%～4%，而超过2.0p.u.过电压的概率却为64%。

中性点采用谐振接地方式的目的，主要是让接地电弧瞬间熄灭，限制电弧的重燃，自然过电压也会遂之降低。

过去，人工调谐的消弧线圈，一般可将此种过电压限制到2.8p.u.；现在，采用的自动消弧线圈，一般可将其值限制到2.5p.u.，同时长期的自动记录结果显示，超过2.0p.u.过电压的概率仅为5%。

这里顺便指出，在我国和前苏联出版的《过是压保护规程》中，都有“瞬间熄弧时过电压为2.3p.u.”的规定，而在最近出版的DL/T620-1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》标准中，却被删除了。

中性点采用低电阻接地方式的理论基础，同样是限制电弧接地过电压。

根据国内外长期的自动记录和实测结果，最高的过电压为2.5p.u.，但超过2.0p.u.过电压的概率为34%［7，8］。

此外，当判断电弧接地过电压的危害性时，除了考虑其倍数或幅值外，还必须同时考虑其出现的概率和持续作用的时间。

当代的中压电网相间电容较前显著增大，所以电弧接地过电压就不危险了。

4.1.2谐振过电压
中压电网谐振过电压的突出特点是中性点出现位移。

显然，这与中性点的接地方式密切有关。

当讨论谐振过电压问题时，依然不能把谐振接地混同于不接地方式，两者之间是有明显区别的。

电压互感器铁心饱和、配电变压器高压绕组接地和利用电压互感器定相等引起的谐振过电压，同样多发生在中性点不接地的电网。

当中性点经消弧线圈接地后，则可根除前一种谐振过电压，而对后2种谐振过电压，也可得到有力的限制。

关于断线谐振过电压问题，只要消弧线圈过补偿运行，即可将其限制到对绝缘无害的程度。

（1）电压互感器铁心饱和过电压。

在中性点不接地的电网中，当三相的对地电容与电感相互匹配时，因电压突变便可激发起此种谐振过电压，其谐振频率可以自动转换，过电压也可自动消失，所以又称为中性点不稳定过电压。

此种谐振过电压在国内外的电力系统中均曾频繁产生，可使母线和主变压器的绝缘闪络，高压熔断器熔断，以及电压互感器烧毁等，是电力设备绝缘损坏的主要原因之一。

投入空母线时的高次谐波谐振过电压，一般幅值较高，往往会引起绝缘闪络；运行中出现的基波或低分次谐波谐振过电压，一般幅值为2～3p.u.，作用时间可达数分钟及以上，待高压熔断器熔断或电压互感器烧毁后，电网的电压即恢复正常。

限制此种过电压的措施很多，例如，改善电压互感器的伏安特性，附加一台单相互感器，装设消谐器以及将中性点临时接地等。

实际上，只要采用谐振接地方式，即可根除此种过电压。

（2）配电变压器高压绕组接地谐振过电压。

运行在中性点不接地电网中的三相配电变压器，当高压绕组因匝间短路引起接地时，不论高压熔断器是否熔断，均可产生谐振过电压。

根据试验研究结果，当接地相的高压熔断器熔断时，过电压可达3.13～3.36p.u.，时间一般小于2s。

在高压熔断器未熔断的情况下，高压绕组一点接地时，过电压为1.38p.u.；异相两点接地时，为2.73p.u.，其作用时间可达数分钟、或数十分钟以上，直到故障配电变压器脱离电网为止。

当2台配电变压器同相各一点接地时，过电压可达3.50～
4.06p.u.，由于这种重复故障极少可能发生，故可忽略不计。

为了有效地限制此种谐振过电压，只要改变电网的中性点接地方式即可。

（3）电压互感器定相谐振过电压。

此种过电压系由电压互感器的电感与电网的三相对地电容构成串联谐振回路引起的，稳态幅值可能超过5.0p.u.，曾经由此引起过一些地区全部停电的严重事故。

利用“电阻定相杆”进行定相，则可以防止此种过电压；而改变中性点接地方式，也可限制此种谐振过电压。

此外，除上面介绍的几种谐振过电压外，其他谐振过电压很少发生，这里就不再讨论了。

当中性点经消弧线圈接地后，便可根除4.1.2节中之（1）的谐振过电压。

对其中之（2）和（3）两种过电压，则可以限制到无害的程度。

（4）断线谐振过电压。

所谓的断线谐振过电压，只是在单侧电源供电、一相全部断开的条件下，方比较危险。

但此种情况是极少可能发生的。

即使如此，只要让消弧线圈过补偿运行，便可将其限制到对绝缘无害的程度。

在当前广泛采用自动消弧线圈的情况下，若不是远离谐振点运行，就是具有限压电阻，所以，此种过电压同样无害［7，9］。

中性点经低电阻接地的电网，上述的谐振过电压均较难产生。

万一出现，幅值也比较低，一般不会有什么危险。

4.1.3单相接地故障时切断空载线路过电压
根据电力系统的实测结果，切断空载线路时的过电压，与电网中性点的接地方式没有直接关系。

在一般情况下，最高为3.0p.u.左右。

照此估计，在电网带单相接地故障的情况下切断空载线路时，过电压有可能达到5.0p.u.左右。

例如，有的运行部门利用这一操作方式测量66kV线路的电容电流时，曾经造成6只PBC-60型阀型避雷器损坏；在测量35kV线路的电容电流时，也曾发生阀型避雷器动作现象［10］。

但运行经验表明，在10kV及以下的电网中，上述情况从未发生。

运行中的小电流接地系统，在检出并清除单相永久性接地故障时，断开带有负荷的线路，过电压没有危险，只有切除热备用状态下的空载线路时才会遇到上述情况。

以前的中压断路器性能一般较差，断路器重燃次数较多，加上工频电压的升高，在上述的操作过程中，过电压的倍数显著增大。

虽然出现这一操作的机会甚少，但也必须给予足够的重视。

根据安全运行要求，结合制造经验教训，西安高压开关厂过去研制的DW-35（20、31.5kA）2种带并联电阻的断路器，陕西省电力部门曾经于1986年6月进行了现场试验。

试验全部是在人工接地的条件下进行的。

单合3s后再以分—0.5s—合分的操作循环，切合25、
50km的空载线路124相次，断路器均未发生重燃现象；母线或线路上的最高过电压均是在线路重合时发生的，其值一般不超过3.0p.u.；当断路器带有非线性电阻时，母线或线路上各出现一次3.4p.u.的过电压；当带线性并联电阻时，其最大值分别为3.2及2.59p.u.。

关于安装在母线上的磁吹避雷器动作情况，当时未能确证。

此外，根据原水电部和机械部的要求，湖南省电力有关部门也曾于1986年10～11月对8个制造厂家的6种35kV的DW、SW、SN-35型的断路器，分别在电网正常运行和人工接地的条件下，以分—0.5s—合分的操作循环，进行了切合25、50km空载线路的现场试验。

结果表明，断路器无一不发生重燃现象，且重燃率一般均在20%以上。

由于重燃次数较多，母线或线路上便产生了较高的过电压，正常情况或人工接地时，其最大值分别为4.1p.u.与4.9p.u.；安装在主变压器出口的阀型避雷器动作达32相次以上，甚至一次操作有两相避雷器动作。

经研究与改进后，断路器加装了并联电阻或压油活塞，上述单位于1987年6月再次进行了现场试验，除上述6种被试品外，又增加了2种。

现场试验结果表明，并联电阻较压油活塞为优；加装非线性电阻后，阀型避雷器未再发生动作。

这里需要指出，对于双端电源供电的线路，在电网发生永久性单相接地故障时，当一端的断路器先行断开后，也会出现类似的情况。

不过这种情况不仅比较稀少，而且，现在的断路器性能与过去不同，同时也可利用MOA进行有效的保护。

上述情况清楚地说明，在电网存在单相接地故障的情况下，断开空载线路的过电压问题，早在80年代中期已经获得了解决。

而且，随着设备的更新换代，SF6和真空断路器和无间隙氧化锌避雷器的推广应用，条件就变得更为有利了。

因此，文献［11］中的顾虑是没有必要的。

4.1绝缘水平问题
过电压问题解决了，绝缘水平问题自然也就清楚了。

至于有的城市怀疑具有正常绝缘水平的电缆，耐受不了高倍数的电弧接地过电压。

实际上，这一顾虑是完全多余的。

根据IEC71-1、2、3出版物公布的绝缘配合标准，不论是根据欧洲大多数国家，还是依据美国、加拿大等国的现行经验，所制定的52kV以下的标准绝缘水平（系列Ⅰ、系列Ⅱ），均包括中性点直接接地、经小于消弧线圈阻抗接地和消弧线圈接地方式。

而且，其中还特别指明，当采用系列Ⅰ中的栏1或栏2时，应考虑中性点接地方式和所用过电压保护装置的类型。

这充分说明，对于中压电网来说，中性点接地方式对绝缘水平的影响不大，而过电压保护方式却需要适当选择。

运行经验表明，电力系统中的事故以中压电网的绝缘事故为最多。

为了推广低电阻接地方式而降地绝缘水平，显然是不明智的。

而现在运行中的小电流系统的电力设备，绝缘水平是有适当提高，其主要目的是为了防止污闪事故，减少运行维护的工作量。

而打算利用这一绝缘裕度，配合低电阻接地方式进行10kV电网的升压，显然是不可取的。

5谐振接地方式的优化
在当今新技术的支持下，谐振接地方式实现了优化。

其主要内容包括自动消弧线圈和微机接地保护（或自动选线装置），现简要论述如下。