第八节 变压器中性点接地方式
一、问题的提出
变压器中性点接地方式是关系到电力系统许多方面的综合性技术课题，把三相交流电力系统中性点与大地之间的电气连接方式，称为电网中性点接地方式。中性点接地方式涉及电网的安全可靠性、经济性；同时直接影响系统设备绝缘水平的选择、过电压水平及继电保护方式、通信干扰等。一般来说，电网中性点接地方式也就是变电所中变压器的各级电压中性点接地方式。因此，在变电所的规划设计时选择变压器中性点接地方式应进行具体分析、全面考虑。它不仅涉及到电网本身的安全可靠性、变压器过电压绝缘水平的选择，而且对通信干扰、人身安全有重要影响。
我国110kV及以上电网一般采用大电流接地方式，即中性点有效接地方式（在实际运行中，为降低单相接地电流，可使部分变压器采用不接地方式），这样中性点电位固定为地电位，发生单相接地故障时，非故障相电压升高不会超过1.4倍运行相电压中性点；暂态过电压水平也较低；故障电流很大，继电保护能迅速动作于跳闸，切除故障，系统设备承受过电压时间较短。因此，大电流接地系统可使整个系统设备绝缘水平降低，从而大幅降低造价。
6～35kV配电网一般采用小电流接地方式，即中性点非有效接地方式。近几年来两网改造，使中、小城市6～35kV配电网电容电流有很大的增加，如不采取有效措施，将危及配电网的安全运行。中性点非有效接地方式主要可分为以下三种：不接地、经消弧线圈接地及经电阻接地。
二、变压器中性点接地方式的比较1.变压器中性点不接地的配电网
中性点不接地方式，即中性点对地绝缘，结构简单，运行方便，不需任何附加设备，投资省，适用于农村10kV架空线路长的辐射形或树状形的供电网络。该接地方式在运行中，若发生单相接地故障，流过故障点的电流仅为电网对地的电容电流，其值很小，需装设绝缘监察装置，以便及时发现单相接地故障，迅速处理，避免故障发展为两相短路，而造成停电事故。适用于单相接地故障电容电流Ic小于10A，以架空线路为主，尤其是农村10kV配电网。此类型电网瞬间单相接地故障率占60%～70%，希望瞬间接地故障不动作于跳闸。
其特点为：
（1）单相接地故障电容电流Ic小于10A，故障点电弧可以自熄，熄弧后故障点绝缘自行恢复。
（2）单相接地不破坏系统对称性，可带故障运行一段时间，保证供电连续性。（3）通信干扰小。
（4）单相接地故障时，非故障相对地工频电压升高
3Ue，此系统中电气设备绝缘要求按线电压设计。
（5）当Ic大于10A时，接地点电弧难以自熄，可能产生过电压等级相当高的间歇性弧光接地过电压，且持续时间较长，危及网内绝缘薄弱设备，继而引发两相接地故障，引起停电事故。
（6）系统内谐振过电压引起电压互感器熔断器熔断，烧毁TV，甚至烧坏主设备的事故时有发生。
变压器中性点不接地系统发生单相接地故障时，其接地电流很小，若是瞬时故障，一般能自动消弧，非故障相电压升高不大，不会破坏系统的对称性，可带故障连续供电2h，从而获得排除故障时间，相对地提高了供电的可靠性。
2.变压器中性点经传统消弧线圈接地
采用中性点经消弧线圈接地方式，即在中性点和大地之间接入一个电感消弧线圈。适用于单相接地故障电容电流Ic大于10A，瞬间性单相接地故障较多的架空线路为主的配电网。在系统发生单相接地故障时，利用消弧线圈的电感电流对接地电容电流进行补偿，使流过接地点的电流减小到能自行熄弧范围，线路发生单相接地时，按规程规定电网可带单相接地故障运行2h。对于中压电网，因接地电流得到补偿，单相接地故障并不发展为相间故障，因此中性点经消弧线圈接地方式的供电可靠性，大大高于中性点经小电阻接地方式。
其特点为：
（1）利用消弧线圈的感性电流补偿接地点流过的电网容性电流，使故障电流小于10A，电弧自熄，熄弧后故障点绝缘自行恢复。
（2）减少系统弧光接地过电压的概率。（3）系统可带故障运行一段时间。
（4）降低了接地工频电流（即残流）和地电位升高，减少了跨步电压和接地电位差，减少了对低压设备的反击以及对信息系统的干扰。
目前，国内运行的消弧线圈分手动调节和自动跟踪补偿两类：前一种手动调节时，消弧线圈需退出运行，且人为估算电容电流值误差较大，现已较少使用；后一种能自动进行电容电流测量并自动调整消弧线圈，使补偿电流适应系统的变化，现一般都选择该种消弧线圈。
3.变压器中性点经电阻接地
中性点经电阻接地适于瞬间性单相接地故障较少的电力电缆线路。中性点经电阻接地方式，即中性点与大地之间接入一定阻值的电阻。该电阻与系统对地电容构成并联回路，由于电阻是耗能元件，也是电容电荷释放元件和谐振的阻尼元件，对防止谐振过电压和间
歇性电弧接地过电压有一定优越性。在中性点经电阻接地方式中，一般选择阻值较小的电阻，在系统单相接地时，控制流过接地点的电流在500A左右，也有的控制在100A左右，通过流过接地点的电流来启动零序保护动作，切除故障线路。
其特点为：
（1）降低操作过电压。中性点经电阻接地的配网发生单相接地故障时，零序保护动作，可准确判断并快速切断故障线路。
（2）可有效降低工频过电压，单相接地故障时非故障相电压为
3Ue，且持续时间短。（3）中性点接地电阻为耗能元件，也是阻尼元件（消弧线圈是谐振元件）。
（4）有效地限制弧光接地过电压，当电弧熄灭后，系统对地电容中的残余电荷将通过接地电阻泄放掉，下次电弧重燃时，不会叠加形成过电压。
（5）可有效消除系统内谐振过电压，中性点电阻接地相当于在谐振回路中并接阻尼电阻，试验表明，只要中性点电阻小于1500Ω，就可以消除各种谐振过电压，电阻越小，消除谐振的效果越好。
（6）对电容电流变化的适用范围较大，简单、可靠、经济。中性点接地电阻的选择：
（1）从减少短路电流对设备的冲击角度和安全角度考虑，减少故障点入地电流，降低跨步电压和接触电压，I值越小越好，即中性点接地电阻越大越好。
（2）为将弧光接地过电压限制在2倍以内，一般按IR =（1～4）Ic要求选择接地电阻。
（3）中性点经电阻接地系统是通过各线路的零序保护判断和切除故障线路的，在选择Rn时，要保证每条线路零序保护灵敏度要求。
选择中性点接地电阻必须根据电网的具体条件，考虑限制弧光接地过电压、继电保护灵敏度、对通信干扰、安全等因素。目前，深圳各区变电所中性点均采用15Ω，北京、广州等地的变电所则采用9.9Ω的小电阻接地方式。
4.自动跟踪补偿消弧线圈
自动跟踪补偿消弧线圈按改变电感方法的不同，大致可分为调匝式、调气隙式、调容式、调直流偏磁式、可控硅调节式等。
（1）调匝式自动跟踪补偿消弧线圈。调匝式消弧线圈是将绕组按不同的匝数抽出分接头，用有载分接开关进行切换，改变接入的匝数，从而改变电感量。调匝式因调节速度慢，只能工作在预调谐方式，为保证较小的残流，必须在谐振点附近运行。
（2）调气隙式自动跟踪补偿消弧线圈。调气隙式电感是将铁芯分成上下两部分，下部分铁芯同线圈固定在框架上，上部分铁芯用电动机，通过调节气隙的大小达到改变电抗值的目的。它能够自动跟踪无级连续可调，安全可靠。其缺点是振动和噪声比较大，在结构设计中应采取措施控制噪声。这类装置也可以将接地变压器和可调电感共箱，使结构更为紧凑。
（3）调容式消弧补偿装置。通过调节消弧线圈二次侧电容量大小来调节消弧线圈的电感电流，二次绕组连接电容调节柜，当二次电容全部断开时，主绕组感抗最小，电感电流最大。二次绕组有电容接入后，根据阻抗折算原理，相当于主绕组两端并接了相同功率、
阻抗为K2倍的电容，使主绕组感抗增大，电感电流减小，因此通过调节二次电容的容量即可控制主绕组的感抗及电感电流的大小。电容器的内部或外部装有限流线圈，以限制合闸涌流。电容器内部还装有放电电阻。
（4）调直流偏磁式自动跟踪补偿消弧线圈。在交流工作线圈内布置一个铁芯磁化段，通过改变铁芯磁化段磁路上的直流励磁磁通大小来调节交流等值磁导，实现电感连续可调。
直流励磁绕组采取反串连接方式，使整个绕组上感应的工频电压相互抵消。通过对三相全控整流电输出电流的闭环调节，实现消弧线圈励磁电流的控制，利用微机的数据处理能力，对这类消弧线圈伏安特性上固有的不大的非线性实施动态校正。
（5）可控硅调节式自动跟踪补偿消弧线圈。该消弧系统主要由高短路阻抗变压器式消弧线圈和控制器组成，同时采用小电流接地选线装置为配套设备，变压器的一次绕组作为工作绕组接入配电变压器中性点，二次绕组作为控制绕组由2个反向连接的可控硅短路，可控硅的导通角由触发控制器控制，调节可控硅的导通角在0～180°之间变化，使可控硅的等效阻抗在无穷大至零之间变化，输出的补偿电流就可在零至额定值之间得到连续无级调节。可控硅工作在与电感串联的无电容电路中，其工况既无反峰电压的威胁，又无电流突变的冲击，因此可靠性得到保障。
5.变压器中性点接地方式的选择
（1）配电网中性点采用传统的小电流接地方式。配电网采用小电流接地方式应认真地按DL/T620—1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》标准的要求执行，对架空线路电容电流在10A以下可以采用不接地方式，而大于10A时应采用消弧线圈接地方式。采用消弧线圈时应按要求调整好，使中性点位移电压不超过相电压的15%，残余电流不宜超过10A。消弧线圈宜保持过补偿运行。
（2）配电网中性点经低电阻接地。对电缆为主的系统可以选择较低的绝缘水平，以利节约投资，但是对以架空线为主的配电网因单相接地而引起的跳闸次数则会大大增加。
对以电缆为主的配电网，其电容电流达到150A以上，故障电流水平为400～1000A，可以采用这种接地方式。采用低电阻方式时，对中性点接地电阻的动热稳定应给予充分的重视，以保证运行的安全可靠。
（3）配电网采用自动跟踪补偿装置。随着城市配电网的迅速发展，电缆大量增多，电容电流达到300A以上，而且由于运行方式经常变化，特别是电容电流变化的范围比较大，用手动的消弧线圈已很难适应要求，采用自动快速跟踪补偿的消弧线圈，并配合可靠的自动选线跳闸装置，可以将电容电流补偿到残流很小，使瞬时性接地故障自动消除而不影响供电。而对于系统中永久性的接地故障，一方面通过消弧系统的补偿来降低接地点电流，防止发生多相短路；另一方面，通过选线装置正确选出接地线路并在设定的时间内跳闸，避免了系统设备长时间承受工频过压。因此，该接地方式综合了传统消弧线圈接地方式跳闸率低、接地故障电流小的优点和小电阻接地方式对系统绝缘水平要求低、容易选出接地故障线路的优点，是比较合理和很有发展前景的中性点接地方式。
（4）6～35kV配电网的接地方式选择。
1）以架空线路为主的城乡配网，架空线路发生接地故障70%为瞬间故障；只需按照50
规程要求，以系统电容电流是否大于10A来确定，选用中性点不接地或自动跟踪消弧线圈接地方式。
2）以电缆线路为主的城乡配网，变电所覆盖面较大，出线较多且一般为电缆线路，系统电容电流也较大，据有关文献和运行实践，电缆线路发生接地故障大约50%为瞬间故障。但由于电缆线路的特殊性，一般可选用小电阻接地方式，牺牲一些供电可靠性，来防止扩大事故。
3）以架空和电缆混合线路为主的城乡配网，兼顾架空和电缆线路的特点，使配网的接地方式选择在自动跟踪消弧线圈和小电阻两种方式上左右为难。
单相接地故障时，非故障相对地工频电压升高
3Ue，持续时间长，可能引起点绝缘击穿，事故扩大。
消弧线圈无法补偿谐波电流，而有些城市或工厂中谐波电流所占比例为5%～15%，仅谐波电流就足以支持电弧稳定燃烧。
寻找单相接地故障线路困难，目前许多小电流接地选线的动作率还不理想，往往仍采用试拉法。
电缆沟或电缆排管内的电缆发生单相接地时，寻找故障线路时间长，在带接地故障运行期间，容易引起人身触电。另外，采用小电阻接地方式，可能错误切除瞬间故障线路，造成对用户的供电中断，降低了供电可靠性，减少了供电量。