1.4 電力系統(tǒng)的中性點運行方式

1.4.1 簡述

在電力系統(tǒng)中，中性點是指接成星形的三相變壓器繞組或發(fā)電機(jī)繞組的公共點。目前我國中性點有三種運行方式：一種是中性點不接地，另一種是中性點經(jīng)阻抗接地，還有一種是中性點直接接地。前兩種合稱為小接地電流系統(tǒng)，也稱中性點非有效接地系統(tǒng)，或中性點非直接接地系統(tǒng)。后一種稱為大接地電流系統(tǒng)，也稱中性點有效接地系統(tǒng)。

我國的3～66kV系統(tǒng)，特別是3～10kV系統(tǒng)，一般采用中性點不接地的運行方式。如單相接地電流大于一定數(shù)值，即3～10kV系統(tǒng)中接地電流大于30A，20kV及以上系統(tǒng)中接地電流大于10A時，則應(yīng)采用中性點經(jīng)消弧線圈接地的運行方式。我國的110kV及以上的系統(tǒng)，則都采用中性點直接接地的運行方式。

我國的220/380 V低壓配電系統(tǒng)，廣泛采用中性點直接接地的運行方式，而且引出有中性線（代號N）、保護(hù)線（代號PE）或保護(hù)中性線（代號PEN）。

中性線（N線）的功能：一是用來接額定電壓是相電壓的單相用電設(shè)備；二是用來傳導(dǎo)三相系統(tǒng)中的不平衡電流和單相電流；三是減小負(fù)荷中性點的電位偏移。

保護(hù)線（PE線）的功能：是為保障人身安全，防止觸電事故用的接地線。系統(tǒng)中所有設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分，如金屬外殼、金屬構(gòu)架等，通過保護(hù)線接地，可在設(shè)備發(fā)生接地故障時減少觸電危險。

保護(hù)中性線（PEN線）兼有中性線和保護(hù)線的功能。這種中性線在我國通稱為“零線”，俗稱“地線”。

根據(jù)我國GB9082.2的規(guī)定，低壓配電系統(tǒng)按保護(hù)接地形式，分為TN系統(tǒng)、TT系統(tǒng)、IT系統(tǒng)三類。其中：第一個字母表示電力系統(tǒng)的對地關(guān)系，T表示中性點直接接地，I表示中性點不接地或經(jīng)高阻抗接地；第二個字母表示電氣裝置外露可導(dǎo)電部分（設(shè)備金屬外殼、金屬底座等）的對地關(guān)系，T表示獨立于電力系統(tǒng)接地點而直接接地，N表示與電力系統(tǒng)接地點進(jìn)行電氣連接。

TN 系統(tǒng)中的所有設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分均接公共保護(hù)線（PE 線）或公共的保護(hù)中性線（PEN線）。這種公共PE線或PEN線也稱“接零”。如果系統(tǒng)中的N線與PE線全部合為PEN線，則稱此系統(tǒng)為TN-C 系統(tǒng)，又稱三相四線制，如圖1.11（a）所示。如果系統(tǒng)中的N 線與PE線全部分開，則稱此系統(tǒng)為TN-S系統(tǒng)，又稱三相五線制，此系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠，是當(dāng)前在工廠供電中積極推廣的一種系統(tǒng)，如圖1.11（b）所示。

如果系統(tǒng)前一部分的N線與PE線合為PEN線，而后一部分線路的N線與PE線全部或部分分開，則稱此系統(tǒng)為TN-C-S 系統(tǒng)，此系統(tǒng)多為老企業(yè)將三相四線制改造為三相五線制的一種過渡過程的系統(tǒng)，應(yīng)該注意的是：當(dāng)PE線與N線分開后不允許再合上，否則僅能算做TN-C系統(tǒng)，如圖1.11（c）所示。

TT系統(tǒng)中所有設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分均各自經(jīng)PE線單獨接地，如圖1.12所示。

IT系統(tǒng)中所有設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分也都各自經(jīng)PE線單獨接地，如圖1.13所示。它與TT系統(tǒng)不同的是，其電源中性點不接地或經(jīng)1000Ω阻抗接地，且通常不引出中性線。

凡引出有中性線的三相系統(tǒng)，包括TN系統(tǒng)、TT系統(tǒng)，屬于三相四線制系統(tǒng)。沒有中性線的三相系統(tǒng)，包括IT系統(tǒng)，屬于三相三線制系統(tǒng)。

電力系統(tǒng)電源中性點的不同運行方式，對電力系統(tǒng)的運行特別是在系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時有明顯的影響，而且將影響系統(tǒng)二次側(cè)的繼電保護(hù)及監(jiān)測儀表的選擇與運行，因此有必要予以研究。

1.4.2 中性點不接地的電力系統(tǒng)

在三相交流系統(tǒng)的各相之間及相與地之間均存在著分布電容，這里只考慮相與地間的分布電容，而且用集中電容C來表示，如圖1.14所示（圖中的接地體是虛擬的）。系統(tǒng)正常運行時，三相交流電是對稱平衡的，三個相的對地電流 IC0也是平衡的，因此三個相的電容電流相量和為零，沒有電流在大地中流過。每相對地的電壓就是相電壓。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，如C相接地（如圖1.15所示），這時C相對地的電壓為零，而A相對地的電壓則成為A相對C相的電壓，即，B相對地的電壓也成為B相對C相的電壓，即。由此可見，C相接地時，完好的A、B兩相對地的電壓都由原來的相電壓升高到了線電壓，即升高為原對地電壓的倍。

C相接地時，系統(tǒng)的接地電流（電容電流）IC應(yīng)為A、B兩相對地的電容電流之和，其量值應(yīng)為正常運行時每相對地的電容電流的3倍，即IC=3IC0。

由于線路對地的分布電容C不易計算，IC0和IC也不易根據(jù)C來確定，工程上一般采用經(jīng)驗公式來計算單相接地電容電流，即

式中，IC 為系統(tǒng)的單相接地電容電流（A）；UN 為系統(tǒng)的額定電壓（kV）；loh 為同一電壓UN的具有電聯(lián)系的架空線路總長度（km）；lcab為同一電壓UN的具有電聯(lián)系的電纜線路總長度（km）。

必須指出：當(dāng)中性點不接地的電力系統(tǒng)中發(fā)生一相接地時，系統(tǒng)的三個線電壓無論相位和量值均未發(fā)生變化，因此系統(tǒng)中的設(shè)備，尤其是三相設(shè)備仍可照常運行。但是如果另一相又發(fā)生接地故障，則形成兩相接地短路，將產(chǎn)生很大的短路電流，將損壞線路及其設(shè)備。因此我國有關(guān)規(guī)程規(guī)定：中性點不接地的電力系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，可允許暫時繼續(xù)運行2h，但必須同時通過系統(tǒng)中裝設(shè)的單相接地保護(hù)或絕緣監(jiān)察裝置發(fā)出報警信號或指示，以提醒運行值班人員注意采取措施，查找和消除接地故障。若有備用線路，則可將負(fù)荷轉(zhuǎn)移到備用線路上去。在經(jīng)過2h后，若接地故障尚未消除，則應(yīng)切除故障線路，以防故障擴(kuò)大。

1.4.3 中性點經(jīng)消弧線圈接地的電力系統(tǒng)

在上述中性點不接地的電力系統(tǒng)中，如果接地電容電流較大，將在接地點產(chǎn)生斷續(xù)電弧，這就可能使線路發(fā)生電壓諧振現(xiàn)象。由于線路既有電阻、電感，又有電容，因此發(fā)生一相弧光接地時，就形成一個RLC的串聯(lián)諧振電路，從而使線路上出現(xiàn)危險的過電壓（其值可達(dá)線路相電壓的2.5～3倍），有可能使線路上絕緣薄弱地點的絕緣擊穿。為了消除單相接地時接地點出現(xiàn)的斷續(xù)電弧，按規(guī)定在單相接地電容電流大于一定值（如前所述）時，系統(tǒng)的中性點必須采取經(jīng)消弧線圈接地的運行方式。如圖1.16所示為消弧線圈的結(jié)構(gòu)和接線示意圖，消弧線圈實際上就是鐵芯線圈，其電阻很小，感抗很大，可視做一個電感。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，通過接地點的電流為接地電容電流IC與流過消弧線圈的電感電流IL之和。消弧線圈上有分接開關(guān)，可以調(diào)整電感電流IL，由于IC比UC超前90°，而IL比UC滯后90°，因此IL與IC在接地點相互補(bǔ)償。如果接地點的電流補(bǔ)償?shù)叫∮谧钚∩‰娏鲿r，接地點就不會產(chǎn)生電弧，從而也不會出現(xiàn)上述的電壓諧振現(xiàn)象了。

圖1.17是中性點經(jīng)消弧線圈接地的示意圖，在中性點經(jīng)消弧線圈接地的電力系統(tǒng)中，與中性點不接地的電力系統(tǒng)一樣，在發(fā)生單相接地故障時，三個線電壓不變，因此可允許暫時繼續(xù)運行2h，但必須發(fā)出指示信號，以便采取措施，查找和消除故障，或?qū)⒐收暇€路的負(fù)荷轉(zhuǎn)移到備用線路上去。而且這種系統(tǒng)在一相接地時，另兩相的對地電壓也會升高到線電壓，即升高為原對地電壓的3倍。

1.4.4 中性點直接接地的電力系統(tǒng)

電源中性點直接接地的電力系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，如圖1.18所示，通過接地中性點形成單相短路，用符號k(1)表示。單相短路電流Ik(1)比線路的正常負(fù)荷電流大得多，因此在系統(tǒng)發(fā)生單相短路時保護(hù)裝置應(yīng)動作于跳閘，切除短路故障，使系統(tǒng)的其他部分恢復(fù)正常運行。

中性點直接接地的電力系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，其他兩相的對地電壓不會升高，因此系統(tǒng)中供用電設(shè)備的絕緣只需按相電壓考慮，而無須按線電壓考慮，這對110kV及以上的超高壓系統(tǒng)是很有經(jīng)濟(jì)價值的。因為高壓電器特別是超高壓電器，其絕緣問題是影響電器設(shè)計和制造的關(guān)鍵問題。電器絕緣要求的降低，將直接降低電器的造價，同時改善電器的性能。因此我國的110kV及以上的超高壓系統(tǒng)的電源中性點通常都采取直接接地的運行方式。在低壓配電系統(tǒng)中，我國廣泛采用的TN 系統(tǒng)及國外較廣泛采用的TT 系統(tǒng)，均為中性點直接接地的系統(tǒng)，而且引出有中性線或保護(hù)中性線，這除了便于接用單相負(fù)荷外，還考慮到了安全保護(hù)的要求，一旦發(fā)生單相接地故障，即形成單相短路，快速切除故障，有利于保障員工的人身安全。

電力系統(tǒng)的運行經(jīng)驗表明，系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障的概率很大，約占總故障的65%左右。當(dāng)大電流接地系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障時，接地相的電源將被短接，形成很大的單相接地電流。此時斷路器必須動作跳閘切除故障，從而造成系統(tǒng)停電事故。而當(dāng)小電流接地系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障時，不會發(fā)生電源被短接的現(xiàn)象，系統(tǒng)可以繼續(xù)帶負(fù)荷運行一段時間（一般允許運行2h），從而給運行人員留有充足的時間轉(zhuǎn)移負(fù)荷及做好故障處理的準(zhǔn)備工作，然后再進(jìn)行停電操作排除故障。由此可見，采用小電流接地運行方式可以大大提高系統(tǒng)的供電可靠性。