用电系统接地方式

针对发电厂厂用电系统的特点，分析了以往常用的几种中性点接地方式所存在的问题, 提出了一种基于现代先进技术的新型接地方式——快速消X弧线圈接地加快速选线(跳闸)，介绍了可实现该接地方式的产品——KDXH型智能化快速消弧系统和DDS型接地故障智能选线装置，并论述了该接地方式的优点和发展前景。

关键词：发电厂；厂用电系统；中性点接地；消弧线圈；小电流接地选线；故障检测

同配电网中性点接地方式一样，发电厂厂用电系统中性点接地方式的选择是一项重大的技术决策，它对发电厂供电可靠性影响很大。由于不同规程所作的相关规定不统一，而随着发电厂厂用电系统的不断扩大，在生产中又出现了新的问题，因此近来人们对此问题越来越关注，采用适应于厂用电系统的最佳接地方式的要求也越来越迫切。我们认为，接地方式的选择不仅受当时厂用电系统设备和结构的影响，而且受当时接地设备技术水平的制约。但相应的规程不可能与时俱进地修订，因此，应具体比较用当时各种接地设备所实现的接地方式的效果，并以此为基础选择接地方式，而不应完全受规程的约束。本文将就发电厂厂用电系统的中性点接地问题进行讨论，并提出一种基于现代高科技的新型接地方式。

1选择发电厂厂用电系统接地方式应着重考虑的因素

发电厂厂用电系统在电气原理上虽然与配电系统并无不同，但它们的

结构不同，服务对象不同，因此对中性点接地方式的选择就有不同的侧重。只有充分认识厂用电系统的特点，并针对该特点采用相应的中性点接地方式，才能收到较好的效果。

发电厂厂用电系统中电力设备多为电动机、电缆等，其绝缘较为薄弱，因此比配电网更应限制系统中可能产生的过电压，尤其是工频过电压，以防止发生绝缘击穿或由单相接地发展成多相短路的现象。对于设备陈旧的老电厂，这点尤为重要。

由于发电厂厂用电系统中的电力设备耐热能力相对较低，因此应限制单相接地时的故障电流幅值，以防止发生烧损；同时，对发生不可恢复性故障的设备应尽快将其退出运行，防止设备损坏或故障扩大。 由于发电厂厂用电系统主要为发电机的辅助设备(如风机、磨煤机等)供电，它们的故障将直接导致发电机停运，因此厂用电系统的可靠运行极为重要。为保障其运行可靠，对可恢复性故障应让其自动消除，防止因不必要的跳闸而降低供电可靠性；当发生不可恢复性故障时，必须尽快隔离故障设备，以免影响正常供电。因此，对接地故障支路的识别和隔离是很重要的。

发电厂厂用电系统中性点接地方式必须保证：系统过电压倍数较低并不出现工频过电压；单相接地故障电流较小；可恢复性故障可被自动消除；发生不可恢复性故障时能尽快隔离故障支路。 2几种常用的中性点接地方式

发电厂厂用电系统常用的中性点接地方式有不接地、直接接地、电阻(低阻、中阻和高阻)接地和消弧线圈接地等。它们在一定的适用条件

下具有相应的优点，但也存在一定的缺点，不能完全满足上述要求。

2.1中性点不接地方式

虽然有关规程允许电容电流较小(如小于7 A)的厂用电系统采用中性点不接地方式，但该方式存在较高的工频过电压和操作过电压，不利于系统中弱绝缘设备的可靠运行，尤其是对旧设备更可能构成威胁。此外，该方式允许系统在单相接地故障下运行，虽然跳闸率会大大降低，但是一旦发生不可恢复性的故障，则故障电流会长时间地流过故障设备。即使故障电流的幅值较小，对耐热性能较差的设备也是不利的。显然该方式不能满足发电厂厂用电系统的要求。 2.2中性点直接接地方式

在现实中有一些厂用电系统采用中性点直接接地的方式，当单相接地时，故障电流不再是电容电流而是单相短路电流，故障电流的幅值将很大(可达数百安培)，使继电保护装置得以动作跳闸，从而将接地故障支路隔离。该方式虽满足了低过电压的要求，但巨大的故障电流除可能灼伤设备外，还会引起一系列不良效应，如低压中性点电位的提高将对敏感的电子元件构成威胁，对通信造成干扰甚至危险，较大的跨步电压和接触电势不利于人身安全，等等。尤其是因各种原因引起继电保护装置不能正确动作时，故障电流不能很快被消除，则很可能损害故障设备，严重时甚至造成相间短路，其它不良效应也将更加突出。同时，由于该接地方式不论故障可否恢复都会跳闸，无疑增加了跳闸率，不利于提高系统的可靠性。可见，中性点直接接地方式存在

一定的缺点，不能完全满足发电厂厂用电系统的要求。 2.3中性点电阻接地方式

为了减少故障电流，往往在电容电流较大的系统采用了电阻接地的方式，即用电阻将短路电流限制在一定值内。低阻接地方式故障电流相对较大，一般可达上百安培；高阻接地方式故障电流相对较小，一般为数十安培；中阻接地方式则界于二者之间。 2.3.1低阻接地方式

低阻接地方式继承了直接接地方式无工频过电压和操作过电压较小的优点，却保留了故障电流较大、跳闸率较高的缺点。而且，低阻接地方式下接地故障电流已不是直接短路电流，但依然靠继电保护装置来隔离接地回路，继电保护装置同时承担着短路时的过电流保护和接地时的零序电流保护的任务。而短路电流的幅值受短路部位、短路阻抗的影响变化范围很大，接地时由于接地性质不同(金属性接地或高阻性接地)、接地部位不同，零序电流幅值也会在大范围内变动，这样，基于零序电量的继电保护装置就难以兼顾在大范围内都保证有足够的灵敏度和准确度，仅靠调节定值很难实现在较大的正常负荷电流下不误动而在单相接地时又不拒动，使其动作正确性的不利因素增加。特别是对于占绝大多数的高阻性接地，漏跳的可能性很高，实际上也发生过在单相接地时继电保护拒动的事例。一旦出现继电保护装置拒动的情况，则对设备、对人身安全都有很大危害。可见，低阻接地方式也不能满足发电厂厂用电系统高可靠性的要求。 2.3.2高阻接地方式

高阻接地方式利用高阻大大减少了故障电流，使低阻接地方式故障电流大的缺点得到一定程度的克服。但当系统电容电流太大时必须增加并联电感进行接地电流的补偿。采用高阻接地方式，在单相接地故障时可以运行，也可以立即跳闸隔离接地回路。如果同不接地方式一样在单相接地时继续运行，则同样具有较高工频过电压和操作过电压的固有缺点；若同低阻接地方式一样在单相接地时立即跳闸，则由于同样靠继电保护装置来隔离接地回路，使继电保护装置所存在的问题，即难以兼顾在较大的正常负荷电流下不误动而在单相接地时又不拒动的问题更为突出。虽然继电保护装置拒动时零序电流幅值已比低阻接地方式减少很多，但长时间的故障电流仍对设备和人身安全不利，且因未能找出并隔离故障支路，使潜在的危险依然存在。值得注意的是，若系统电容电流较小，采用高阻接地方式就使接地故障电流由电容电流变成短路电流，虽该电流被电阻限制到比直接短路时小很多，但往往反而比不接地时的电容电流还要大，亦即增大了故障电流，带来了不稳定的因素，在某些情况下可能会促成故障的发展，显然这是不可取的。由此可见，高阻接地方式也存在一定的问题，仍不能完全满足发电厂厂用电系统的要求。 2.4中性点消弧线圈接地方式

有些规程规定当系统电容电流较大时采用消弧线圈接地方式，即利用消弧线圈的电感电流来补偿电容电流，使单相接地时的故障电流减小为很小的残流，这是解决大故障电流的很好途径；而且因消弧线圈的投入使一些可恢复性故障得以自动消除，也降低了过电压倍数，可提

高系统的可靠性。因此，消弧线圈接地方式对于电容电流较大的厂用电系统很适用。但是，消弧线圈接地方式也存在一定的缺点：由于允许带接地故障运行，工频过电压和操作过电压都较高；由于消弧线圈发展过程中存在一些问题，例如不能自动跟踪系统电容电流的变化，不易调节，容易引起谐振等，使得它的应用受到限制；特别是由于故障电流减小为很小的残流后，接地支路的识别更加困难，这一难题一直未得到解决。因此，在大故障电流产生的环境问题尚未引起社会关注的时代，电力部门宁可采用较易隔离故障回路的低阻接地方式，而不采用虽不影响环境但给电力部门本身带来较多麻烦的消弧线圈接地方式。

3快速消弧线圈接地加快速选线(跳闸)的新型接地方式

在电力电子技术获得应用和发展的今天，可控消弧线圈和小电流接地选线装置的性能都有了突破性的改进，它们的相互配合解决了在很小的残流下准确选线的难题。这样，我们就有条件提出一种妥善地解决发电厂厂用电系统中性点接地问题的新型接地方式——快速消弧线圈接地加快速选线(跳闸)，即：用快速可控消弧线圈消除瞬时性接地故障；而在非瞬时性故障发生时，接地故障线路可被快速选出并可实行跳闸。

3.1新型接地方式的作用

在这种运行方式下，快速消弧线圈既能自动消除可恢复性故障，又能大大减小故障点无功电流(可降至1 A以下)，还因延缓了故障点电压的恢复时间而降低了弧光接地过电压。快速选线装置则保证在接地故

障点电流极小的情况下准确选出故障回路，至少能使其快速被确认，令调度员尽快处理，若实行自动跳闸则更能保证故障支路快速退出运行。在实行快速选线跳闸的前提下，该种接地方式使单相接地故障持续的时间非常短(远小于10 s)，这样，一来避免了单相接地运行时健全相的工频过电压的升高，二来可以象低阻接地方式那样采用80%的避雷器作为过电压保护，从而使系统中的暂态过电压倍数限制到低阻接地方式时的水平。

3.2快速选线装置与继电保护装置的性能比较

值得注意的是，对于实现接地故障回路的识别和隔离，采用性能良好的专用接地选线装置在很小的故障电流下寻找出故障回路并对其实行跳闸的措施，比采用电阻接地方式来加大故障电流然后利用继电保护装置来跳闸的措施更为优越。如上所述，继电保护装置难以兼顾在大范围内都有足够的灵敏度和准确度，高阻接地时容易发生漏跳的情况；而且，电容电流很小的厂用电系统在发生金属性接地的情况下，由于中性点电阻(尽管为高阻)的引入，反而加大了接地点的故障电流。性能良好的专用接地选线装置则可在残流很小、高阻接地等苛刻条件下准确地探测出接地回路，避免了上述问题。此外，为了获得继电保护设备足够的准确性，还需要对其进行某些改进，这对已运行的老电厂是较麻烦的。而专用选线装置自成独立系统，不需改动原有的继电保护设备，有利于各自的维护和管理。 3.3新型接地方式的特点

快速消弧线圈加快速选线(跳闸)的接地方式，既解决了接地故障所引

起的过电压问题，又解决了故障电流大的问题，实现了接地故障回路的识别和隔离，并综合了消弧线圈接地方式可自动消除可恢复性故障和低阻接地方式可跳开永久性故障这两者的优点，大大提高系统的运行可靠性。可见，该方式完全满足了上述选择发电厂厂用电系统接地方式应满足的要求，它兼具了以前常用的各种接地方式的优点，同时又避免了它们的缺点，是较理想的接地方式。 4实现新型接地方式的设备

实现新型接地方式的基本条件是具备性能良好的可控消弧线圈［1］和快速准确的选线装置。 4.1对消弧线圈的要求

消弧线圈必须有很快的响应速度，才能有效地抑制接地弧光，防止因空气电离而迅速发生的相间短路，才能消除相隔时间很短(例如1 s或更短)的连续多次的接地故障，而且在间隔中不发生谐振。消弧线圈的伏安特性必须在0～1.1倍相电压的全电压范围内为线性，才能在全电压范围内，尤其是在占接地故障大多数的高阻接地情况下，提供良好的补偿，减小残流，确保接地弧光能自动熄灭。消弧线圈还必须能由零起连续无级地输出电流，才能大范围地提供精确的补偿。 4.2对选线装置的要求

对选线装置的要求，除了在很小的残流下可以准确、快速地识别出接地支路外，重要的是其选线过程不得延误补偿电流的输出，选线和补偿必须同步进行，即并行选线是选线装置必须遵守的原则。 4.3实现新型接地方式的设备

广东省电力试验研究所研制成功的KDXH型智能化快速消弧系统［2］及与其相配合的广州智光公司研制成功的DDS型接地故障智能检测装置，成功地实现了上述所有性能要求。 4.3.1KD-XH型智能化快速消弧系统

KD-XH型智能化快速消弧系统的独特之处在于并不调节消弧线圈的励磁阻抗，而是在高短路阻抗变压器的二次侧用晶体闸流管来调节与控制其短路阻抗。图1给出了该消弧线圈的原理结构和等效电路。

变压器的高压绕组作为工作绕组(WN)接入配电网，低压绕组作为控制绕组(WC)由两个反向并联的晶体闸流管(VG)将其短路。该变压器的特点是其短路阻抗约100%(标幺值)，比通常的变压器大得多。工作绕组WN的等效感抗由改变晶体闸流管的导通角来控制。当导通角由0°至180°连续改变时，WN所输出的补偿电流就由零到额定电流无级连续变化。增加一个第3绕组作为补偿绕组接入相应的滤波器(通常为3次和5次滤波)，使因晶体闸流管工作而产生的谐波被限制到允许值内。由于晶体闸流管不与电容器连接而与线圈连接，工作于既无电压突变又无电流突变、无反峰电压的良好工况下，其安全性得到可靠保障。

基于先进结构原理的KDXH型智能化快速消弧系统，其产品经受

过大量的检验和现场试验［2］，丰富的现场实践经验［3］和大量的记录数据验证了其优良的性能：响应极快(5 ms内可输出补偿电流)，伏安特性线性优良(在0～1.1倍相电压的全电压范围内是一条过原点的直线)，输出电流可在零至额定电流范围内连续无级调节，实现随调控制因而不需装设防谐振的阻尼电阻，智能性强，结构简单，以及良好的消弧效果。

KDXH型智能化快速消弧系统已在国内迅速地扩大应用，近两年多来，超过470套产品安装在全国大部分省、市的电力部门，已投入运行的超过300套。无论是在以架空线路为主，还是在以电缆线路为主的场合，运行情况都良好。 4.3.2DDS型接地故障智能检测装置

DDS型接地故障智能检测装置与KDXH型智能化快速消弧系统相配合，采用了零序电量加小扰动的先进原理，大大提高了选线准确性。即在接地过程中短时小范围变化消弧线圈补偿度，对比各线路零序电量的变化，其中接地故障线路变化量必然最大，从而被选出。该法的关键是：a)短时，消弧线圈提供的补偿电流偏离谐振点的时间只有2～3个周期；b)小范围，补偿电流的变化所造成的接地电流的变化量不超过5 A。这两点保证了接地过程中电弧不会重燃。理论分析表明，高阻接地时非接地线路的零序电流与补偿度的关系曲线是对谐振点对称的，而接地线路则不对称。为了提高准确度，往往采用对称调节，即在谐振点左右对称地变化补偿度，则非接地线路零序电流基本不变，而接地线路零序电流则有较大的变化，从而较容易地被选出。

DDS型接地故障智能检测装置采用了先进的数字信号处理(DSP)技术和14位A/D芯片，在采样和数据处理上都大大地提高了速度。此外，该装置所配套使用的零序电流互感器在低电流下具有足够的精度。这些都保证了选线快速和准确。

该装置和响应极快的KDXH型智能化快速消弧系统结合进行并行选线，克服了其它选线方法的缺点，准确度得到大大提高。由于小扰动可以进行多次，所以在理论上该方法准确率可以达到100%。大量检测试验和现场人工接地试验也证明了这点。

该装置曾在四川省电力试验研究院进行了数十次的模拟金属性接地和高阻性接地时选线准确性的试验，结果每次选线都正确。在现场投运时，也进行过多次人工线路接地的试验，选线结果都正确。2003年3月在广东省东莞110 kV大龙变电站，专门为检验该装置选线的准确性进行了人工10 kV线路单相接地试验，结果表明，无论在金属接地还是在高阻接地情况下, 尽管在系统的电容电流很小(最小时只有5.9 A)、残流几乎为零、中性点电压由大到小呈周期性变化的苛刻条件下， 与KDXH型智能化快速消弧系统相配合的DDS型接地故障智能选线装置均能正确选出接地故障线路。此外，现场运行中已有多次选线准确的验证。 4.3.3系统装置的特点

上述说明，配置DDS型接地故障智能选线装置的KDXH型智能化快速消弧系统是实现快速消弧线圈加快速选线(跳闸)的接地方式的良好设备。该产品种类丰富，可以满足不同电厂的要求，还具有专

门适应小电容电流厂用电系统的成套装置。该型接地装置运行灵活，可以实现母线并联、分列运行的需要，不需要进行倒闸操作。该设备采用厢式结构，占地少(小于1.5 m×2.5 m)，安装方便，维护量极少。

5新型接地方式的发展前景

与配电网一样，基于现代先进技术的快速消弧线圈加快速选线跳闸的中性点接地方式对发电厂厂用电系统将带来巨大的经济效益和社会效益。如上所述，实现该方式能避免不必要的跳闸又可在很短的时间内确定并隔离故障支路，防止隐患和事故扩大，因此，大大提高了厂用电系统的运行可靠性。同时，厂用电系统运行时避免了过电压的威胁，有利于设备(特别是老旧设备)的安全。而且，防止了大故障电流对设备的损害，尤其是避免了大电流引起的一系列不良效应，在社会环保意识日益增强的今天，这种妥善解决大电流问题的做法必将越来越显示出其重要意义。此外，由于专用的选线装置与继电保护装置互相独立，使得继电保护的定值确定不再困难，既保障了安全又便于维护和管理。显然，该方式带来的效益将是巨大的，它将具有广阔的应用前景。

值得注意的是，即使在只对故障支路进行识别而不执行跳闸隔离的情况下，准确地快速选线也大大减少了寻找故障的时间，快速消弧线圈的使用又保留了所有相应的优点，因此该方式的实行仍会带来显著的效益。

显然，该方式不仅适用于电容电流较大的发电厂厂用电系统，而且适

用于电容电流较小、按规程可以不接地的系统。该类系统虽然不需要限制较大的故障电流，但仍应防止工频电压的升高和限制过电压倍数；同时，对接地故障支路的识别和隔离同样是很重要的，而KDXH型智能化快速消弧系统的使用又是保证DDS型接地故障快速检测装置选线准确的因素之一。因此采用快速消弧线圈加快速选线的接地方式仍是较佳的处理方法。

目前，在配电网采用快速消弧线圈加快速选线(跳闸)的接地方式已有很高呼声，在东莞大龙变电站已展开了使用KDXH型智能化快速消弧系统和DDS型接地故障智能选线装置实现该接地方式的试点工作，目前运行良好。在发电厂厂用电系统采用该接地方式也逐渐被人们所认识，近来广东省粤电集团有限公司已决定选点试运行。完全有理由相信，经过试点运行后，该接地方式的优点和效益将更清楚地显现出来，它将成为发电厂厂用电系统的最佳接地方式。 6结论

发电厂厂用电系统因在供电可靠性方面具有特殊的重要性，以及其中多为电动机、电缆等弱绝缘、低耐热设备，所以对中性点接地方式的选择应遵从低过电压、小故障电流、少必要性跳闸和独立识别故障支路等原则。受技术发展历程的限制，有关规程难以与时俱进地修订，以往常用的几种接地方式都有某些缺点。在当今电力电子新技术得到应用的条件下，接地设备技术已进入高新技术行列并取得巨大进步，使得快速消弧线圈加快速选线(跳闸)的接地方式成为可能，该方式是妥善解决发电厂厂用电系统中性点接地问题的理想方法，必将带来巨

大的经济效益和社会效益，经过试点运行后将成为发展趋势。配置DDS型接地故障智能选线装置的KDXH型智能化快速消弧系统为实现该方式提供了有力可靠的条件。

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