關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)絡(luò)中性點(diǎn) 高阻接地 安全性能分析

 

　1　前言

　　隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，某些城市及部分企業(yè)的供配電網(wǎng)已改變了過去以架空線路為主的局面，而是以電纜線路為主。同時(shí)，一些結(jié)構(gòu)緊湊的封閉式設(shè)備(如SF6開關(guān)柜)、聚乙烯電纜及氧化鋅避雷器的廣泛應(yīng)用，使原有的非有效接地方式，已不能適應(yīng)當(dāng)前電力系統(tǒng)的發(fā)展需要。

　　基于以上情況，我國個(gè)別地區(qū)的配電網(wǎng)絡(luò)中性點(diǎn)已采用經(jīng)低電阻接地的運(yùn)行方式。這種接地方式可以降低單相接地時(shí)的暫態(tài)過電壓，消除弧光接地過電壓，使用簡單的保護(hù)裝置就能迅速選擇故障支路，消除故障。但是，隨著帶來線路跳閘頻繁、斷路器維護(hù)工作量的增大及人身觸電電流的增大，直接影響到供電系統(tǒng)的可靠性與安全性。

　　從國外電網(wǎng)的發(fā)展來看，美、日等國家采用低電阻接地方式居多，并認(rèn)為低電阻接地是今后的發(fā)展趨勢(shì)。我國從西方國家引進(jìn)的成套工廠設(shè)備，高壓配電系統(tǒng)都采用低電阻的接地方式。從國內(nèi)來說，目前電力系統(tǒng)正在制定電阻接地的有關(guān)措施，并將逐步實(shí)施。我們通過試驗(yàn)研究后認(rèn)為，采用中性點(diǎn)經(jīng)低電阻接地的方式，并不一定是適合我國城市或企業(yè)配電網(wǎng)發(fā)展的最佳方式；目前，電力系統(tǒng)尚有不同的觀點(diǎn)和做法。因此，我們將通過下面的模擬試驗(yàn)，對(duì)中性點(diǎn)接地方式的有關(guān)問題作進(jìn)一步的研究與探討。

　　影響中性點(diǎn)接地方式的因素很多，本文不可能對(duì)各種因素逐一全面研究，只能針對(duì)電纜供電的特點(diǎn)，著重對(duì)一些影響中性點(diǎn)接地方式的安全問題進(jìn)行研究；主要對(duì)高阻接地情況下的參數(shù)選擇進(jìn)行分析比較，以尋求更為合理的中性點(diǎn)接地方式。

　　2　電網(wǎng)中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地時(shí)的過電壓試驗(yàn)

　　高電阻接地是這樣定義的：電力系統(tǒng)中性點(diǎn)通過一電阻接地，其單相接地故障時(shí)的電阻電流被限制到等于或略大于系統(tǒng)總電容電流，即IRN≥3IC0，如圖1所示。圖中RN≤XC0／3，RN為接地電阻，XC0為系統(tǒng)每相對(duì)地容抗，3IC0為總電容電流，IRN為流過電阻器的電流。 

　　圖1　配電網(wǎng)中性點(diǎn)經(jīng)高電阻接地原理圖

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

　　當(dāng)發(fā)生電弧接地時(shí)，接地電流為

　　Ijd=(1/RN+j3ωC0)UA=IRN+jIC

　　單相接地將使非故障相對(duì)地電壓升高3倍，變成線電壓；此時(shí)，電網(wǎng)的線電壓仍維持對(duì)稱狀態(tài)，對(duì)負(fù)荷沒有影響。如果發(fā)生的是間歇性電弧接地故障，非故障相對(duì)地電壓將大大超過3倍，而且波及整個(gè)電網(wǎng)，使那些絕緣薄弱環(huán)節(jié)相繼發(fā)生絕緣擊穿，使事故擴(kuò)大。

　　試驗(yàn)時(shí)，在高壓模擬電網(wǎng)(3.3kV)上用低阻尼電容分壓器、磁帶記錄儀記錄過電壓信息，由計(jì)算機(jī)采集分析系統(tǒng)采集記錄在磁帶儀上的過電壓信息并加以分析，計(jì)算機(jī)采集分析系統(tǒng)記錄的過電壓波形如圖2所示。 

　　圖2　配電網(wǎng)中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地的過電壓波形圖

(a)起弧、重燃波形　(b)起弧、重燃展寬后的波形

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

　　過電壓波形特點(diǎn)分析(皆在A相發(fā)生間歇性電弧接地)：

　　(1)相對(duì)地過電壓　線間電容降低過電壓作用不明顯，A相接地時(shí)C相過電壓高于B相。過電壓倍數(shù)與中性點(diǎn)電阻值有關(guān)，RN＞1／3ωC0時(shí)，過電壓明顯增加；RN=1／3ωC0時(shí)過電壓降低；當(dāng)RN=1.8kΩ＞＞1／3ωC0時(shí)，故障相最高過電壓達(dá)2.1Vxg(Vxg表示正常供電時(shí)的相對(duì)地電壓峰值)，健全相最高過電壓達(dá)3.4Vxg；當(dāng)RN=237Ω≈1／3ωC0=232Ω時(shí)，故障相過電壓≯2.2Vxg，健全相過電壓≯1.3Vxg。

　　(2)相間過電壓　低于相對(duì)地過電壓。

　　(3)最大過電壓發(fā)生時(shí)刻　在接地相工頻電壓幅值附近。

　　(4)熄弧性質(zhì)　高頻和工頻兼有，接地電流較大時(shí)熄弧困難。

　　(5)波頭長度及過電壓振蕩頻率　高頻振蕩頻率約在3000～4000Hz之間(與試驗(yàn)電路有關(guān))。

　　(6)中性點(diǎn)波形　間歇性重燃時(shí)V0為衰減的梯形波疊加高頻振蕩，即中性點(diǎn)積累的電荷經(jīng)電阻RN泄放較快；試驗(yàn)中最大過電壓在1.5～3.5Vxg之間。

　　(7)從試驗(yàn)中可以看出，基本上是每半個(gè)工頻周期發(fā)生一次燃弧，每相及中性點(diǎn)電壓都有明顯的振蕩；當(dāng)發(fā)生間歇性燃弧時(shí)，隨著中性點(diǎn)電阻值的減小，中性點(diǎn)電位在半個(gè)工頻周期內(nèi)衰減加快，即系統(tǒng)能量泄放較快，從而有效地降低了各相及中性點(diǎn)的過電壓幅值。

　　試驗(yàn)表明，中性點(diǎn)電阻對(duì)串聯(lián)諧振過電壓與間歇性電弧接地過電壓起到了很好的抑制作用。當(dāng)RN=1／3ωC0時(shí)，中性點(diǎn)位移電壓在半個(gè)周期內(nèi)降到原來的4.32%，這就降低了故障相上的最大恢復(fù)電壓數(shù)值，使電弧重燃不致引起高幅值的過電壓，但接地點(diǎn)的電流增加較大。取RN=2／3ωC0，將大大減小接地點(diǎn)的電流，此時(shí)中性點(diǎn)電位在半個(gè)工頻周期內(nèi)衰減較小，降到原來的20.8%。電阻的存在，大大降低了故障相恢復(fù)電壓的上升速度，減少了電弧重燃的可能。

　　試驗(yàn)中，每次燃弧基本上都是在故障相電壓的最大值處發(fā)生，及恢復(fù)電壓達(dá)到最大且大于介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度時(shí)，發(fā)生擊穿而使電弧重燃。

　　從試驗(yàn)結(jié)果分析看，RN的值越大，電弧重燃越易，且電弧能量也較大；隨著RN值的減小，燃弧變得較難，電弧能量也逐漸減小，這與理論分析相符。電網(wǎng)中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地后，對(duì)電弧接地過電壓和串聯(lián)諧振過電壓有較大的抑制作用，從而有效地防止了異常過電壓對(duì)電機(jī)、電纜絕緣的危害，保證了用電設(shè)備的安全運(yùn)行。當(dāng)接地故障電流較大時(shí)，持續(xù)的故障電流所引起的熱效應(yīng)，會(huì)使電纜在接地故障處的相間絕緣因過熱燃?xì)Фl(fā)展為相間短路。所以，當(dāng)電網(wǎng)的電容電流較小時(shí)，應(yīng)采用中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地的方式；尤其是對(duì)高壓電動(dòng)機(jī)的電纜線路較多且運(yùn)行多年的老電網(wǎng)，由于電動(dòng)機(jī)和電纜絕緣都已降低和老化，容易受異常過電壓的破壞，將這類電網(wǎng)的中性點(diǎn)改為經(jīng)高阻接地時(shí)非常適合的。只要中性點(diǎn)電阻選擇合適，即使電網(wǎng)參數(shù)發(fā)生變化，也不需要再調(diào)節(jié)電阻值，且運(yùn)行簡單，效益顯著。

　　中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地系統(tǒng)的另一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)選擇性的繼電保護(hù)。

　3　中性點(diǎn)電阻值的選取原則

　　根據(jù)電網(wǎng)的實(shí)際情況。安全電阻值的選取一般應(yīng)考慮以下幾個(gè)問題。

3.1　過電壓的限制水平及降低人身觸電的危險(xiǎn)

　　只要RN≤1／3ωC0，弧光接地過電壓被限制在2.2Uxg以下，對(duì)不同的系統(tǒng)，C0不同，RN取值不同，一般在100Ω以上。它屬于高阻范圍，對(duì)RN無論是低阻(RN=10Ω)還是高阻(RN=100～400Ω)都能達(dá)到抑制電壓互感器(PT)諧振過電壓和斷線諧振過電壓的目的，當(dāng)然，RN越小，過電壓水平越低。但同時(shí)應(yīng)兼顧對(duì)通過人體的接地電流不造成明顯的增加。

　　運(yùn)用戴維南定理，對(duì)圖3的電網(wǎng)情況轉(zhuǎn)化成為下邊的等效電路圖；此時(shí)的等效開路電壓等于人身未觸電以前A相的對(duì)地電壓(UA)，而等效阻抗Z等于三相電網(wǎng)對(duì)地的絕緣電阻r和電容C與中性點(diǎn)接地電阻RN并聯(lián)后的數(shù)值，人身電阻為RR，即

　

　　式中　

Z0——零序阻抗 

 

　　

　　圖3　人觸電時(shí)的電網(wǎng)情況及等效電路圖

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

　　然后，根據(jù)等效電路圖，即可求得通過人體的接地電流IR為

　　配電網(wǎng)中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地安全性能的分析

　　可以看出，由于RN的接入，r和3RN是并聯(lián)關(guān)系，相當(dāng)于把電網(wǎng)對(duì)地的絕緣電阻值減小了。因此，人身觸電電流將隨RN的變化而變化；當(dāng)C0一定時(shí)，也有某一個(gè)電阻r使人身觸電電流值為最小。也就是說，當(dāng)r和C0一定時(shí)，改變RN的值，將會(huì)在某一個(gè)RN的條件下，人身觸電電流值為最小。圖4的實(shí)測(cè)曲線，說明了人身觸電電流隨RN的變化規(guī)律。由此可見，在r和C0一定的條件下，接入RN總會(huì)使人身觸電電流值減小，而不是增大，對(duì)安全是有好處的。但是，也應(yīng)該看到，RN的變化，實(shí)際上對(duì)人身觸電電流的影響很小；因?yàn)樵陔娙葜递^大的情況下，起決定作用的仍然是電容電流。 

　

　　圖4　通過人身的接地電流與配電網(wǎng)中性點(diǎn)電阻RN的變化規(guī)律

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

　　從圖4可以看出，隨著RN的增大，IR趨于穩(wěn)定，在合適的范圍內(nèi)選取RN值，IR增加不明顯。圖5進(jìn)一步說明了人身觸電電流隨絕緣電阻r和電容C的變化規(guī)律。表1說明了電網(wǎng)3300V電壓下，隨著中性點(diǎn)電阻RN的增加，人身觸電電流減小的趨勢(shì)。

　　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：煤礦安全手冊(cè)將人體電阻RR的取值定為1000Ω。 

　　圖5　人身觸電電流隨電網(wǎng)對(duì)地絕緣電阻和電容的關(guān)系曲線

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　單相接地電流的限制水平

　　當(dāng)單相接地時(shí)相當(dāng)于RR=0的情況，此時(shí)的單相接地電流值為

　　

　　其有效值為

　　

　　顯然，RN越小，則Ijd越大。

　　按單相接地電流選取RN，應(yīng)保證最大的接地電流滿足開斷容量的要求，且留有一定的裕度。一般應(yīng)控制單相接地電流小于三相短路電流，最小單相接地電流應(yīng)滿足接地繼電器靈敏度的要求。

　　在電網(wǎng)中性點(diǎn)經(jīng)低阻接地時(shí)，發(fā)生單相接地，保護(hù)裝置動(dòng)作并立即跳閘；而高阻接地則允許帶接地運(yùn)行1～2h。所以采用高阻接地方式，通常并不要求發(fā)生接地故障時(shí)立即切除故障，因?yàn)榻拥仉娏鞅幌拗频胶苄。Ｗo(hù)裝置只是檢測(cè)故障并發(fā)出信號(hào)，這對(duì)“連續(xù)生產(chǎn)”的企業(yè)是很重要的。

　　4　結(jié)論

　　(1)從過電壓情況來看，中性點(diǎn)不接地方式最高，對(duì)于電氣設(shè)備的絕緣有較大的威脅；采用消弧線圈的接地方式，仍不能減小電弧接地過電壓，因而最好采用中性點(diǎn)經(jīng)高電阻接地方式。

　　(2)從實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)的難易程度看，中性點(diǎn)不接地方式比較難，若采用消弧線圈接地方式則更難；因此最好采用中性點(diǎn)經(jīng)高電阻接地方式。

　　(3)從人身安全的角度看RN=1／3ωC0，人身觸電電流將要大大增加，對(duì)安全不利；不僅如此，單相接地電流增大，對(duì)安全也沒有好處，將會(huì)增加煤礦瓦斯煤塵爆炸的可能性。因此，對(duì)于煤礦井下來講，最好是RN取較大數(shù)值。

　　(4)電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式是一個(gè)涉及到電力系統(tǒng)許多因素的綜合問題，在選擇中性點(diǎn)接地方式時(shí)，應(yīng)充分考慮國情、本地區(qū)特點(diǎn)、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、供電可靠性、設(shè)備與線路的絕緣水平、人身安全及對(duì)通信線路的干擾等因素，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，選擇合理的中性點(diǎn)接地方式。

　　參考文獻(xiàn)　

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