第二章 电力系统中性点的运行方式_电力系统三种运行方式

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提供各原理图的动画；提供图2-3的彩色图片。

第二章 电力系统中性点的运行方式

第一节

中性点不接地的三相系统一、正常运行情况

电力系统正常运行时，三相导线之间和各相导线对地之间，沿导线的全长存在分布电容，这些分布电容在工作电压的作用下会产生附加的容性电流。各相导线间的电容及其所引起的电容电流较小，并且对后面讨论的问题没有影响，故可以不予考虑。各相导线对地之间的分布电容，分别用集中的等效电容CU、CV、CW表示，如图2－1（a）所示。电力系统正常运行时，一般认为三相系统是对称的，若三相导线经过完全换位，则各相的对地电容相等，根据电工技术课程，用节点法按弥尔曼定理可求得中性点N对地的电位Un为零。

Vudvdwdudvd设电源三相电压分别为Uu、U、UW，各相对地电压分别用UUuUnUu

、U、Uwd表示，则有：

UUUvUnUv

（2-1）

 UUwUnUw

即各相的对地电压分别为电源各相的相电压。

各相对地电压作用在各相的分布电容上，如正常运行时各相导线对地的电容相等并等于C，正常时各相对地电容电流的有效值也相等，且有： ICU＝ICV＝ICW＝ωCUph（2-2）式中：Uph—电源的相电压；

ω—角频率；

C—相对地电容。对称电压的作用下，各相的对地电容电流Icu、Icv、Icw大小相等，相位相差点120°，如图2－1（c）所示。各相对地电容电流的相量和为零，所以大地中没有电容电流过。此时各相电流Iu、IV、Iw为各相负荷电流Ifhu、Ifhv、Ifhw与相应的对地电容电流Icu、如图2－1（b）Icv、Icw的相量和，所示，图中仅画出U相的情况。

二、单相接地故障

在中性点不接地的三相系统

2－1 中性点不接地系统的正常运行情况

（a）电路图；（b）、（c）相量图

中，当由于绝缘损坏等原因发生单相接地故障时，情况将发生显著变化。图2－2所示为W相k点发生完全接地的情况。所谓完全接地，也称金属性接地，即认为接地处的电阻近

图2－2 中性点不接地三相系统单相接地

（a）电路图；（b）相量图

似等于零。

当W相完全接地时，故障相的对地电压为零，即Uwk0，则有：

nUwkUnUw

（2-3）

UUn上式表明，当W相完全接地时，中性点对地电压与接地相的相电压大小相等、方向相反，中性点对地的电压不再为零，而上升为相电压。于是非故障相U相和V相的对地ww电压Uuk、Uvk分别为：

UukUuUnUuU

（2-4）

UvkUvUnUvU非故障相的对地电压升高到线电压，即升高为相电压的3倍，各相对地电压的相量关系如图2－2（b）所示，和Uvk之间的夹角为60°。此时U、W相间电压为Uuk，Uuk、V、W相间电压为Uvk，而U、V相间电压等于Uuv。此时，系统三相的线电压仍保持对称且大小不变。因此，对接于线电压的用电设备的工作并无影响，无须立即中断对用户供电。

单相接地故障时，由于U、V两相对地电压由正常时的相电压升高为故障后的线电压，则非故障相对地的电容电流也相应增大3倍，分别超前相应的相对地电压90°。未接地U、V相的对地电容电流的有效值为：

ICVICU3CUPh

（2-5）

Ｗ相接地时，W相对地电容被短接，Ｗ相的对地电容电流为零。此时三相对地电容电流之和不再等于零，大地中有容性电流流过，并通过接地点形成回路，如图2－2（b）所示，如果选择电流的参考方向是从电源到负荷的方向和线路到大地的方向，则W相接地处的电流，即接地电流，用IC表示，则

IC(ICUICV)

（2-6）

由图2－2（b）可见，Icu和Icv分别超前Uuk和Uvk90°，Icu和Icv之间的夹角为60°，两者的相量和为－Ic。接地电流Ic超前UW90°，为容性电流，于是，单相接地电流的有效值为：

3CUPh

（2-7）IC3ICU可见，单相接地故障时流过大地的电容电流，等于正常运行时一相对地电容电流的3倍。接地电流IC的大小与系统的电压、频率和对地电容值有关，而对地电容值又与线路的结构（电缆或架空线、有无避雷线）、布置方式、相间距离、导线对地高度、杆塔型式和导线长度有关。

单相接地电容电流的实用计算中可按下式计算：

ICU(L135L2)350

（2-8）

式中：IC—接地电容电流，A；

U—系统的线电压，kV；

L1—与电压同为U，并具有电联系的所有架空线路的总长度，km； L2—与电压同为U，并具有电联系的所有电缆线路的总长度，km。第二节 中性点经消弧线圈接地的三相系统一、消弧线圈的结构及工作原理

1.消弧线圈结构简介

消弧线圈有多种类型，包括离线分级调匝式、在线分级调匝式、气隙可调铁芯式、气隙可调柱塞式、直流偏磁式、直流磁阀式、调容式、五柱式等。

离线分级调匝式消弧线圈内部结构，如图2－3所示。其外形和小容量单相变压器相似，有油箱、油枕、玻璃管油表及信号温度计，而内部实际上是一只具有分段（即带气隙）铁芯的可调电感线圈，线圈的电阻很小，电抗却很大，电抗值可以通过改变线圈的匝数来调节。气隙沿整个铁芯柱均匀设置，以减少漏磁。采用带气隙铁芯的目的是为了避免磁饱和，使补偿电流和电压成线性关系，减少高次谐波，并得到一个较稳定的电抗值，从而保证已整定好的调谐值恒定。另外，带气隙可减小电感、增大消弧线圈的容量。为了绝缘和散热，铁芯和线圈浸放在油箱内。

2.消弧线圈的工作原理 消弧线圈装在系统中发电机或变压器的中性点与大地之间，其工作情况如图2－4所示。

正常运行时，中性点的对地电压为零，消弧线圈中没有电流通过。

当系统发生单相接地故障时，如Ｗ相接地，中性点的对地电压w图2－3 离线分级调式消弧线圈

内部结构示意图

UnU，非故障相的对地电压升高3倍，系统的线电压仍保持不变。消弧线圈在中性点电压即Uw作用下，有一个电感电流IL通过，此电感电流必定通过接地点形成回路，所以接地点的电流为接地电流IC与电感电流IL的相量和，如图2－4（a）所示。接地电流IC超前Uw90°，电感电流IL滞后Uw90°，IC和IL相位相差180°，即

图2－4 中性点经消弧线圈接地的三相系统

（a）电路图；（b）相量图

方向相反，如图2－4（b），在接地处IC和IL互相抵消，称为电感电流对接地电容电流的补偿。如果适当选择消弧线圈的匝数，可使接地点的电流变得很小或等于零，从而消除了接地处的电弧以及由电弧所产生的危害，消弧线圈也正是由此得名。

通过消弧线圈的电感电流：

IL式中：L—为消弧线圈的电感。

目前，我国低压侧为6kV或10kV的变电所的主变压器，多采用“YN，yn0”或“Y，d11”连接组。对前者，消弧线圈可接在星形绕组的中性点上；对后者，三角形接线侧的6kV或10kV系统中不存在中性点，需要在适当地点设置接地变压器，其功能是为无中性点的电压级重构一个中性点，以便接人消弧线圈（或电阻器）。接地变压器实质是特殊用途的三相变压器，其结构与一般三相芯式变压器相似，如图2－5所示，图中的T0为接地变压器，它的铁芯为三相三柱式，每一铁芯柱上有两个匝数相等、绕向相同的绕组，每相的上面一个绕组与后续相的下面一个绕组反极性串联，并将每相下面一个绕组的首端U2、V2及W2连在一起作为中性点，组成曲折形的星形接线。其二绕组视具体工程需要决定是否设置。如需兼作发电厂或变电所的自用电源变压器，应设置二次绕组，如图2－5中的虚框内所示。

图2－5 曲折连接式接地变压器原理接线图

UphL

（2-9）

第三节 中性点直接接地的三相系统

图2－6所示为中性点直接接地的三相系统电路图。

一、中性点直接接地系统的工作原理 正常运行时，由于三相系统对称，中性点的电压为零，中性点没有电流流过。当系统中

图2－6 中性点直接接地三相系统

发生单相接地时，由于接地相直接通过大地与电源构成单相回路，故称这种故障为单相短路。单相短路电流Ik很大，继电保护装置应立即动作，使断路器断开，迅速切除故障部分，以防止Ik造成更大的危害。

当中性点直接接地时，接地电阻近似为0，所以中性点与地之间的电位相同，即Un0。单相短路时，故障相的对地电压为零，非故障相的对地电压基本保持不变，仍接近于相电压。

二、特点及适用范围

1.中性点直接接地系统的主要优点

在单相接地短路时中性点的电位近似于零，非故障相的对地电压接近相电压，这样设备和线路对地绝缘可以按相电压设计，从而降低了造价。实践经验表明，中性点直接接地系统的绝缘水平与中性点不接地时相比，大约可降低20％左右的绝缘投资。电压等级愈高，节约投资的经济效益愈显著。

第四节 中性点经阻抗接地的三相系统一、中性点经低电阻接地的三相系统 在以电缆为主体的35kV、10kV城市电网，由于电缆线路的对地电容较大（是同样长的架空线路的20～30倍），随着线路长度的增加，单相接地电容电流也随之增大，采用消弧线圈补偿的方法很难有效的熄灭接地处的电弧。同时由于电缆线路发生瞬时故障的概率很小，如带单相接地故障运行时间过长，很容易使故障发展，而形成相间短路，使设备损坏，甚至引起火灾。根据供电可靠性要求、故障时暂态电压、暂态电流对设备的影响，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，可采用经低值电阻（单相接地故障瞬时跳闸）接地方式，如图2－7所示。

二、中性点经高电阻接地的三相系统

通过二次侧接有电阻的接地变压器接地，实际上就是经高电阻接地。其原理接线图如图2－8（a）所示，将接在接地变压器的二次侧的电阻R，经单相接地变压器T0（或配电变压器、或电压互感器）接入中性点。变压器的作用是使低压小电阻起高压大电阻的作用，从而可简化电阻器的结构，降低其价格，使安装空间更易解决。

接地电阻的一次值Rˊ＝K2R。K为接地变压器的变比。可通过选择K值是使得Rˊ等于或小于发电机三相对地容抗，从而使得单相接地故障有功电流等于或大于电容电流。

图2－7 中性点经低电阻接地的三相系统 接地变压器的一次电压取发电机的额定相电压，二次电压U2可取100V或220V，当二次电压取220V，而接地保护需要100V时，可在电阻中增加分压抽头，如图2－8（b）所示。

（a）；

（b）

图2－8 中性点经高电阻接地原理接线图

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