1.4 电力系统的中性点运行方式

1.4.1 简述

在电力系统中，中性点是指接成星形的三相变压器绕组或发电机绕组的公共点。目前我国中性点有三种运行方式：一种是中性点不接地，另一种是中性点经阻抗接地，还有一种是中性点直接接地。前两种合称为小接地电流系统，也称中性点非有效接地系统，或中性点非直接接地系统。后一种称为大接地电流系统，也称中性点有效接地系统。

我国的3～66kV系统，特别是3～10kV系统，一般采用中性点不接地的运行方式。如单相接地电流大于一定数值，即3～10kV系统中接地电流大于30A，20kV及以上系统中接地电流大于10A时，则应采用中性点经消弧线圈接地的运行方式。我国的110kV及以上的系统，则都采用中性点直接接地的运行方式。

我国的220/380 V低压配电系统，广泛采用中性点直接接地的运行方式，而且引出有中性线（代号N）、保护线（代号PE）或保护中性线（代号PEN）。

中性线（N线）的功能：一是用来接额定电压是相电压的单相用电设备；二是用来传导三相系统中的不平衡电流和单相电流；三是减小负荷中性点的电位偏移。

保护线（PE线）的功能：是为保障人身安全，防止触电事故用的接地线。系统中所有设备的外露可导电部分，如金属外壳、金属构架等，通过保护线接地，可在设备发生接地故障时减少触电危险。

保护中性线（PEN线）兼有中性线和保护线的功能。这种中性线在我国通称为“零线”，俗称“地线”。

根据我国GB9082.2的规定，低压配电系统按保护接地形式，分为TN系统、TT系统、IT系统三类。其中：第一个字母表示电力系统的对地关系，T表示中性点直接接地，I表示中性点不接地或经高阻抗接地；第二个字母表示电气装置外露可导电部分（设备金属外壳、金属底座等）的对地关系，T表示独立于电力系统接地点而直接接地，N表示与电力系统接地点进行电气连接。

TN 系统中的所有设备的外露可导电部分均接公共保护线（PE 线）或公共的保护中性线（PEN线）。这种公共PE线或PEN线也称“接零”。如果系统中的N线与PE线全部合为PEN线，则称此系统为TN-C 系统，又称三相四线制，如图1.11（a）所示。如果系统中的N 线与PE线全部分开，则称此系统为TN-S系统，又称三相五线制，此系统安全、稳定、可靠，是当前在工厂供电中积极推广的一种系统，如图1.11（b）所示。

如果系统前一部分的N线与PE线合为PEN线，而后一部分线路的N线与PE线全部或部分分开，则称此系统为TN-C-S 系统，此系统多为老企业将三相四线制改造为三相五线制的一种过渡过程的系统，应该注意的是：当PE线与N线分开后不允许再合上，否则仅能算做TN-C系统，如图1.11（c）所示。

TT系统中所有设备的外露可导电部分均各自经PE线单独接地，如图1.12所示。

IT系统中所有设备的外露可导电部分也都各自经PE线单独接地，如图1.13所示。它与TT系统不同的是，其电源中性点不接地或经1000Ω阻抗接地，且通常不引出中性线。

凡引出有中性线的三相系统，包括TN系统、TT系统，属于三相四线制系统。没有中性线的三相系统，包括IT系统，属于三相三线制系统。

电力系统电源中性点的不同运行方式，对电力系统的运行特别是在系统发生单相接地故障时有明显的影响，而且将影响系统二次侧的继电保护及监测仪表的选择与运行，因此有必要予以研究。

1.4.2 中性点不接地的电力系统

在三相交流系统的各相之间及相与地之间均存在着分布电容，这里只考虑相与地间的分布电容，而且用集中电容C来表示，如图1.14所示（图中的接地体是虚拟的）。系统正常运行时，三相交流电是对称平衡的，三个相的对地电流 IC0也是平衡的，因此三个相的电容电流相量和为零，没有电流在大地中流过。每相对地的电压就是相电压。当系统发生单相接地故障时，如C相接地（如图1.15所示），这时C相对地的电压为零，而A相对地的电压则成为A相对C相的电压，即，B相对地的电压也成为B相对C相的电压，即。由此可见，C相接地时，完好的A、B两相对地的电压都由原来的相电压升高到了线电压，即升高为原对地电压的倍。

C相接地时，系统的接地电流（电容电流）IC应为A、B两相对地的电容电流之和，其量值应为正常运行时每相对地的电容电流的3倍，即IC=3IC0。

由于线路对地的分布电容C不易计算，IC0和IC也不易根据C来确定，工程上一般采用经验公式来计算单相接地电容电流，即

式中，IC 为系统的单相接地电容电流（A）；UN 为系统的额定电压（kV）；loh 为同一电压UN的具有电联系的架空线路总长度（km）；lcab为同一电压UN的具有电联系的电缆线路总长度（km）。

必须指出：当中性点不接地的电力系统中发生一相接地时，系统的三个线电压无论相位和量值均未发生变化，因此系统中的设备，尤其是三相设备仍可照常运行。但是如果另一相又发生接地故障，则形成两相接地短路，将产生很大的短路电流，将损坏线路及其设备。因此我国有关规程规定：中性点不接地的电力系统发生单相接地故障时，可允许暂时继续运行2h，但必须同时通过系统中装设的单相接地保护或绝缘监察装置发出报警信号或指示，以提醒运行值班人员注意采取措施，查找和消除接地故障。若有备用线路，则可将负荷转移到备用线路上去。在经过2h后，若接地故障尚未消除，则应切除故障线路，以防故障扩大。

1.4.3 中性点经消弧线圈接地的电力系统

在上述中性点不接地的电力系统中，如果接地电容电流较大，将在接地点产生断续电弧，这就可能使线路发生电压谐振现象。由于线路既有电阻、电感，又有电容，因此发生一相弧光接地时，就形成一个RLC的串联谐振电路，从而使线路上出现危险的过电压（其值可达线路相电压的2.5～3倍），有可能使线路上绝缘薄弱地点的绝缘击穿。为了消除单相接地时接地点出现的断续电弧，按规定在单相接地电容电流大于一定值（如前所述）时，系统的中性点必须采取经消弧线圈接地的运行方式。如图1.16所示为消弧线圈的结构和接线示意图，消弧线圈实际上就是铁芯线圈，其电阻很小，感抗很大，可视做一个电感。当系统发生单相接地时，通过接地点的电流为接地电容电流IC与流过消弧线圈的电感电流IL之和。消弧线圈上有分接开关，可以调整电感电流IL，由于IC比UC超前90°，而IL比UC滞后90°，因此IL与IC在接地点相互补偿。如果接地点的电流补偿到小于最小生弧电流时，接地点就不会产生电弧，从而也不会出现上述的电压谐振现象了。

图1.17是中性点经消弧线圈接地的示意图，在中性点经消弧线圈接地的电力系统中，与中性点不接地的电力系统一样，在发生单相接地故障时，三个线电压不变，因此可允许暂时继续运行2h，但必须发出指示信号，以便采取措施，查找和消除故障，或将故障线路的负荷转移到备用线路上去。而且这种系统在一相接地时，另两相的对地电压也会升高到线电压，即升高为原对地电压的3倍。

1.4.4 中性点直接接地的电力系统

电源中性点直接接地的电力系统发生单相接地时，如图1.18所示，通过接地中性点形成单相短路，用符号k(1)表示。单相短路电流Ik(1)比线路的正常负荷电流大得多，因此在系统发生单相短路时保护装置应动作于跳闸，切除短路故障，使系统的其他部分恢复正常运行。

中性点直接接地的电力系统发生单相接地时，其他两相的对地电压不会升高，因此系统中供用电设备的绝缘只需按相电压考虑，而无须按线电压考虑，这对110kV及以上的超高压系统是很有经济价值的。因为高压电器特别是超高压电器，其绝缘问题是影响电器设计和制造的关键问题。电器绝缘要求的降低，将直接降低电器的造价，同时改善电器的性能。因此我国的110kV及以上的超高压系统的电源中性点通常都采取直接接地的运行方式。在低压配电系统中，我国广泛采用的TN 系统及国外较广泛采用的TT 系统，均为中性点直接接地的系统，而且引出有中性线或保护中性线，这除了便于接用单相负荷外，还考虑到了安全保护的要求，一旦发生单相接地故障，即形成单相短路，快速切除故障，有利于保障员工的人身安全。

电力系统的运行经验表明，系统中发生单相接地故障的概率很大，约占总故障的65%左右。当大电流接地系统中发生单相接地故障时，接地相的电源将被短接，形成很大的单相接地电流。此时断路器必须动作跳闸切除故障，从而造成系统停电事故。而当小电流接地系统中发生单相接地故障时，不会发生电源被短接的现象，系统可以继续带负荷运行一段时间（一般允许运行2h），从而给运行人员留有充足的时间转移负荷及做好故障处理的准备工作，然后再进行停电操作排除故障。由此可见，采用小电流接地运行方式可以大大提高系统的供电可靠性。