电力系统中性点运行方式及故障判断处理

1电力系统中性点运行方式及故障判断处理一、电力系统中性点运行方式（一）中性点定义：三相电力系统中绕组或者线圈采用星形连接的电力设备（如发电机、变压器等）各相的连接对称点和平衡点。特点：在电力系统正常运行时，对地电位为零（在理想状况下）。中性点接地属于工作接地（保证电力设备达到正常工作要求的接地，称为工作接地）。（二）中性点运行方式分类：中性点接地方式与电压等级、单相接地短路电流、过电压水平、保护配置等有关，对于电力系统的运行，特别是对发生故障后的系统运行有多方面的影响，直接影响电网的绝缘水平、系统供电的可靠性和连续性、主变压器和发电机的运行安全以及对通信线路的干扰等。分类：①中性点不接地运行方式中性点经消弧线圈接地运行方式②中性点直接接地运行方式③中性点经低阻抗接地运行方式④中性点经高阻抗接地运行方式最常用的是中性点不接地运行方式、经消弧线圈接地运行方式和直接接地运行方式。前两种为小接地系统，最后一种为大接地系统。（三）各种中性点运行方式适用范围：▲中性点不接地运行方式：电压在500V以下的三相三线制装置、3～10kV系统当接地电流Ic≤30A时、20～60kV系统当接地电流Ic≤10A时。供照明用电的380/220V系统例外，采用中性点直接接地的三相四线制，零线是为了取得相电压，地线是为了安全。▲中性点经消弧线圈接地运行方式：凡是不符合中性点不接地运行方式的3～60kV系统，均采用中性点经消弧线圈接地的运行方式。我国110kV系统，在个别雷害事故较严重的地区和某些大城市电网，为了提高供电可靠性，也会采用经消弧线圈接地的运行方式。▲中性点直接接地运行方式：110kV系统及以上系统，主要考虑降低设备绝缘水平，简化继电保护装置，一般均采用中性点直接接地的方式，并采用送电线路全线架设避雷线和装设自动重合闸装置等措施，以提高供电可靠性。2（四）中性点运行方式分析：1.中性点不接地系统：中性点不接地运行方式即电力系统的中性点不与大地相接。电力系统中的三相导线之间和各相导线对地之间都存在着分布电容。设三相系统是对称的，则各相对地均匀分布的电容可由集中电容C表示，线间电容电流数值较小，可不考虑，如图1（a）所示。图1正常运行时中性点不接地的电力系统（a)电路图；（b）相量图系统正常运行时，各相对地电压平衡，相位相差120°，中性点电位为零。三相对地电容电流IC1、IC2、IC3也是基本对称的，其相量和为零，所以中性点也没有电流流过。各相对地电压就是其相电压，如图1（b）所示。图2一相接地时的中性点不接地系统（a）电路图；（b）相量图当系统任何一相绝缘受到破坏而接地时，各相对地电压、对地电容电流都要发生改变。如图2（a）所示。假定为第3相完全接地，则接地的第3相对地电压为零（U3'=0）；中性点电位发生位移，即Un=-U3,则非接地的第1、2相对地3电压升高为线电压，即U1'=U1+(-U3)=U13，U2'=U2+(-U3)=U23，同时各相电压的相位发生了变化。但此时线间电压并没有发生变化，从相量图看相当于平移到新的位置，保持对称且大小不变，因此，对接于线电压的用户设备正常工作并无影响。由于非接地两相对地电压均升高3倍，使得这两相对地电容电流也相应地增大3倍，即ⅠC1'=ⅠC2'=3ⅠC0。由图2（b）的相量图可知，经故障相流入故障点的电流为正常时本电压等级每相对地电容电流的3倍。（即Ⅰ3=3ⅠC1'=3ⅠC0）。通过以上分析，可以看出，中性点不接地系统发生单相完全接地故障时，故障相对地电压为零，非故障相对地电压则升高了3倍，即为线电压的水平，而对相与相之间的线电压则无影响。因此，在发生单相接地故障时，不需要立即断开故障线路中断用户供电，提高了供电的可靠性。但必须在较短时间内发现并消除接地故障，以免因非故障相对地电压长期升高，损坏电气设备和线路对地绝缘，导致故障扩大。根据规程规定，一般允许继续运行时间为2小时，同时要求，在这种系统中，电气设备和线路的对地绝缘应按能承受线电压考虑设计，且应装设绝缘监察装置，以便发生单相接地故障时发出报警信号。优缺点：系统结构简单，运行方便，经济适用。由于允许继续运行不超过2h，相对地提高了供电的可靠性，单相接地电流小，对邻近通信线路、信号系统的干扰小。缺点是如果接地电流较大(30A以上)，则将产生稳定的电弧，形成持续性的弧光接地，损坏设备并导致二相或三相短路；当接地电流大于10A而小于20A时，有可能产生间歇性电弧，导致系统中电感电容回路的振荡，产生谐振过电压，危及整个网络的绝缘。2.中性点经消弧线圈接地系统：该方式就是在中性点和大地之间接入一个电感消弧线圈，在系统发生单相接地故障时，利用消弧线圈的电感电流补偿线路接地的电容电流，使流过接地点的电流减小到能使电弧自行熄灭的范围。如图3所示，系统正常运行（理想）时，由于三相电压、电流对称，中性点对地电位为0，即Ｕ0＝０→ＩL＝０，消弧线圈不起作用。当系统发生单相接地4时，通过接地点的电流是接地电容电流IC和消弧线圈电感电流IL的相量和，由于ⅠC超前UC90°，而ⅠL滞后UC90°，ⅠC与ⅠL相位相反，在接地点相互补偿、抵消，通过选取合适的消弧线圈电感量，使得通过接地点的电流减小到小于发生电弧的最小生弧电流，使电弧熄灭，避免产生间歇过电压。图3一相接地时的中性点经消弧线圈接地系统（a）电路图；（b）相量图根据消弧线圈中电感电流对接地电容电流的补偿程度不同，可以分为全补偿、欠补偿和过补偿三种补偿方式。①全补偿：当ⅠL=ⅠC时，接地点的电流为O，确实能很好的避免电弧的产生,这种补偿称全补偿。从补偿观点来看，全补偿应该是最好的，但实际上不采用这种方式。因为系统正常运行时，各相对地电压不完全对称，中性点对地之间有一定电压，此电压可能引起串联谐振，在线路中会产生很高的电压降，造成电网中性点对地电压严重升高，这样可能会损坏设备和电网的绝缘，因此这种补偿方式并不是最好的补偿方式。②欠补偿：当ⅠL＜ⅠC，即感抗大于容抗时，接地点的电流没有被消除，尚有未补偿的电容电流，这种补偿称欠补偿。这种补偿方式也很少采用。因为在欠补偿运行时，如果切除部分线路（对地电容减小，容抗增大IC减小），或系统频率降低（感抗减小IL增大，容抗增大IC减小），都有可能使系统变为全补偿，出现电压串联谐振过电压，因此这种补偿方式也不好。5③过补偿：当ⅠL＞ⅠC即感抗小于容抗时，接地点出现多余的电感电流，这种补偿称过补偿。采用这种补偿方式，不会出现串联谐振情况，因此得到广泛应用。因为ⅠL＞ⅠC，消弧线圈留有一定的裕度，也有利于将来电网发展。采用过补偿，补偿后的残余电流一般不超过5～10A。运行实践也证明，不同电压等级的电网，只要残余电流不超过允许值（6kV电网，残余电流≤30A；10kV电网，残余电流≤20A；35kV电网，残余电流≤10A），接地电弧就会自动熄灭。通过以上分析可以看出，中性点经消弧线圈接地的电力系统与中性点不接地系统一样，发生单相短路时，非故障相的对地电压要升高为原相电压的3倍，即成为线电压，其电压变化与不接地系统一样。不同之处就是因消弧线圈的存在使得流过中性点的电流为感性，对接地电容电流进行了补偿，使通过故障点的电流减小到能自行熄弧的范围，减小了电弧重燃的可能，也避免了单相接地故障发展成相间短路故障的可能。优缺点：大大提高了供电可靠性；因接地电流小，对附近通信线路的干扰也较小。其它类同于中性点不接地系统。3.中性点直接接地系统：中性点直接接地系统就是将中性点直接与地相接，在任何工作状态下中性点始终为地的零电位。当发生一相接地时，这一相直接经过接地点和接地的中性点形成接地短路，短路电流立即使继电保护动作，将故障部分切除，避免接地点的电弧持续。如图4所示。图4一相接地时的中性点直接接地系统为了限制单相接地电流，减少接地装置的投资，以及提高保护装置的灵敏度和选择性，通常只将电网中一部分变压器的中性点直接接地，另外一部分变压器中性点经间隙、避雷器或经间隙与避雷器并联接地（如我站3台主变）。6优缺点：中性点直接接地的主要优点是它在发生单相接地时,非故障相地对电压不会升高,因而各相对地绝缘即可按相电压考虑，降低绝缘费用。且保护装置简单，工作可靠。缺点是：接地故障线路迅速切除，降低供电可靠性。且接地电流大，地电位上升较高，增加电力设备损伤，增大接触电压和跨步电压，对信息系统干扰较严重。（四）三种运行方式比较：1.供电可靠性：经消弧线圈接地不接地直接接地2.过电压与绝缘水平：大接地→相电压；小接地→线电压3.继电保护：大接地→简单，可靠，灵敏度高；小接地→不完美4.对通讯的干扰：大接地→电流大、干扰大；小接地→电流小，干扰小5.系统稳定性：大接地→不稳定；小接地→稳定二、故障判断处理（一）为什么单相接地、断相、铁磁谐振均会发出接地信号？单相接地一般通过检测零序电流或零序电压来判断，对于直接接地系统采用中性点装设零序电流互感器来检测，对于不接地系统则采取电压互感器的一组二次绕组采用开口三角形接法，检测零序电压。如图3-44所示，不形成闭合的开口端即为输出端，开口电压(Uax)就等于三相电压的矢量和，正常情况下，输出电压为零。①单相接地时：如图3-45所示，由于接地相降低直至零。非接地相上升直至线电压水平，相应地反映到二次侧，则开口三角的输出电压最高为两个非接地相的向量和，即为3线电压，约为100V，发出接地信号。7②断相时：当发生断相时(如线路一相断线,断路器、隔离开关一相未接通,电压互感器高压熔断器一相熔断等)故障时,由于PT还会有一定的感应电压，所以熔断相电压降低，但不为零，其余两相为正常电压，其向量角为120°，由于三相电压不平衡，故开口三角形处也会产生不平衡电压，即有零序电压，也可能会发出接地信号。如图1电压向量所示，假设C相高压保险烧断，零序电压大约为33V左右，故能起动接地信号装置。图1C相断相时电压向量图需要注意的是：PT低压保险熔断时，一次三相电压仍平衡，故开口三角形没有电压，因而不会发出接地信号，其它现象均同高压保险熔断的情况。③谐振时：铁磁谐振是由系统中铁心电感元件，如发电机、变压器、电压互感器、电抗器、消弧线圈等和系统中的电容元件，如输电线路分散电容、电容补偿器等形成共谐条件，即满足ωL＝(1/ωC)时，激发持续的电压电流震荡，使系统产生谐振过电压。谐振一旦形成，谐振状态可能“自保持”，维持很长时间而不衰减，直到遇到新的干扰改变了其谐振条件才可能消除，即改变系统参数破坏其谐振条件，如瞬间拉合母线PT、送出一条空载线路等。8铁磁谐振的现象：1、形式及象征：1）基波谐振：一相对地电压降低，另两相对地电压升高超过线电压；或两相电压降低、一相电压升高超过线电压、有接地信号发出。类似单相接地。2）分次谐波：三相对地电压同时升高、低频变动。3）高次谐波：三相对地电压同时升高超过线电压2、串联谐振的现象：线电压升高、表计摆动，电压互感器开口三角形电压超过100V的电压。因此，发生谐振时，电压变化类似于单相接地或产生高零序电压分量，叠加于开口三角绕组上，开口三角绕组有电压输出，出现虚幻接地和不正确的接地信号，并伴有表计摆动、震荡现象。消除铁磁谐振的措施一般有选用励磁伏安特性好的电压互感器、在开口三角绕组加装消谐装置、加阻尼电阻等一些办法。（二）如何区分是真失地、断相或是铁磁谐振故障？由以上分析可以看出，单相接地、断相或铁磁谐振均可能发出“接地信号”。不同情况下，母线绝缘监察电压表的指示都会发生变化,如不注意区分,往往会造成误判断,把单相接地故障当成断相故障处理,或把断相故障当成单相接地故障处理,都将造成误操作或故障扩大,延误故障处理,造成不必要的损失。因此，正确区分判断故障类型是运行各岗位人员必须掌握的重要内容。一般地，当出现接地信号后，除了从表观现象进行判断，最主要的还是通过绝缘监察装置检查相、线电压的变化情况正确区分判断，现场带电指示灯、异常的振动、电磁放电声等也可作为辅助的判断依据。铁磁谐振时产生高零序电压分量，出现虚幻接地和不正确的接地指示，电压表会有周期性振动。单相接地与