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关于电力系统中性点运行方式及接地的思考

关于电力系统中性点运行方式及接地的思考

作者: 别着急我来了 | 来源:发表于2015-09-30 13:58 被阅读778次

    摘要:本文主要叙述了关于复习电力系统中性点接地方式中出现的一些疑惑与自我解答,以及相关电气术语学习笔记,温习电路知识。

    注意:因电气学科的特殊性,本文仅代表个人观点,相关一切标准请参考GB/T和相应参考书,本文仅供相互学习与参考。

    在《工厂供电》和《电力系统分析》中均提到了电力系统中性点接地的问题,在《电力系统分析》中对中性点接地方式的选择问题有如下描述「中性点的接地方式是一个复杂的问题,它关系到系统的绝缘水平、供电可靠性、继电保护、通信干扰、接地保护方式、电压等级、系统接线和系统稳定性等很多方面的问题,须经合理的技术经济比较后确定电力系统的接地方式」。

    电力系统中性点的接地方式,可分为:

    大接地电流方式:①中性点有效接地方式;②中性点全接地方式,即非常有效接地方式;③中性点经低阻抗接地方式。这种方式一般用于高压系统(110kV及以上系统),或者低压系统单向有大电流情况(3 ~ 10kV系统中接地电流大于30A)。

    小接地电流方式:①中性点不接地方式;②中性点经消弧线圈接地;③中性点经高阻抗接地。主要用于3 ~ 66kV系统,特别是3 ~ 10 kV系统。

    这几种不同接地方式详细的定义和电路特点在此不赘言,可以查询教材以及相应参考书。只在此说几点对不同接地方式的特性的思考和疑惑,权当抛砖引玉。

    中性点不接地电路图

    在教材中对中性点不接地(小接地电流方式)的特点是这样说的:1.供电可靠性高;2.对人身和设备的安全性好;3.经济性差;4.易引起谐振过电压。即中性点不接地当发生接地故障的时候,故障相对地电压为0,非故障相电压由相电压升高到线电压,但三相用电设备的正常工作并未受到影响,两小时内排除故障,可以不停电。

    看到这的时候我脑袋里有点浆糊,怎么会升高到线电压呢……我想了又想,书上给出了相量图,但是还是不明白,一相接地,另两相就成了线电压了?而且本来是相电压升高到线电压居然对用电设备没有影响?把电路书翻出来,再加上百度一下,把三相电好好复习了一遍。

    把问题捋清楚:中性点不接地系统中,为什么当一相出现接地故障时,其余两相的电压为什么会升高到线电压?这个电压是相线和中性点的电压还是相线和大地之间的电压?为什么电压升高却对用电设备没有影响?

    试着解答:

    第一个问题:我们知道,三相电相位相差120°,所以当接三相负载,并且负载平衡的时候,三相电的中性点电位就是零电位(我们选取它为基准),当一相接地,故障相对地电压为0(这是绝对的),那么就在相量图上设故障相为0,中性点位移,很容易就看出来,其余两相电压升高了,形象一点就是电压抬高了,这个答案我想了很久才想明白,真是笨啊。其实也可以在时域里看三相的正弦波形图,相对于故障相,每一相成了两相的矢量和,故障相反相。每一相在变压器出来的电压没变,只是相对于原有的基准(三相平衡的中性点),相对的升高了,所以非故障相相对于中性点的电压,就成了线电压了。

    接地故障时相量图

    如图所示,C相发生了接地故障,中性点位移,很容易看出来其余两相电压幅值未变,只是由于参考零电位的变化,电压被抬高了。

    第二个问题:显而易见的,根据对第一个问题的思考,可以看出电压指的均是对地电压,只是在未发生接地故障时,三相中的电流相量和为零,地中没有没有电流流动,但是在这里我认为,也是对中性点的电压,因为三相平衡的情况下,中性点由基尔霍夫定律知任意时刻的相量和也为0(参考零电位)。接地故障时,中性点的电位不再是零(我认为此时的地就是那故障的一相,每一时刻的零电位都是浮动的),其余两相被抬高,对地电压由相电压升高至线电压,这么说不知道能不能说清楚?

    第三个问题:在这里先说一下对于三相电路的理解,我觉得我太死板了。我看到书上三相负载,就比如上面的那个图,怎么没有中性线?没有中性线怎么可以构成回路呢,电流不应该是 相线-中性线-相线这么流动吗?唉,一查,差点没把自己脸打肿,看来直流电的概念早已心中无法抹去……现在可是交流电,A-B-C三相相位相差120°,A-B-C三相总有电势低的,自然而然电流就会在三相电路里流动起来了。言归正传,在电路里虽然有一相发生了接地故障,但是,没有接地,电路中只有三倍于正常时的电容电流,并没有很大的压降,所以教材上说「线路的线电压无论相位和量值均为发生变化,因此系统中的三相用电设备仍能正常运行」,这也就解决了我的疑惑,一相接地,但这一相不会幅值为0(即电源仍在输出【每相与中性点之间的电压是由励磁电流,转速和发电机内部结构决定的】),如果列写方程式,可以看出对于三相用电设备来说,线电压的幅值和相位仍未改变,但是对于单相用电设备来说,由于对地电压升高为线电压,所以会受到影响。

    上面划线部分是因为偶然思考发现这么说是不对的,不符合事实,拼凑原因。(2015/10/1注)

    对第三个问题的补充:假如三相电路中,A、B、C三相,A相发生接地故障,中性点电压不能再看作为0,而升高到A相电压(但反相),B、C相电压(对地)上升为线电压(对中性点.也是对地来说),A相的相电压为0(A相电源未变,只是电源输出端由于接地故障强制为0,从而中性点电位(对地)升高到-Ua),所以书上说的没错,可以正常供电。

    看起来好像是我对自己提出的问题成功自洽。

    PS:对于小接地电流方式系统,由于非故障相的电压被抬高至线电压,所以线路的绝缘等级设计应按线电压设计,否则当故障接地情况出现时,可能会会出现安全事故。如果再有一相发生接地故障时,形成两相接地短路,短路电流很大,更加危险。(在查资料的时候还看到这样一条啼笑皆非的新闻:文革期间我国缺少输电材料,设计人员想出一个中心点不接地的送点方案:利用大地作为三相输电线路中的一相,只设置两相线路来送三相电,以减少投资。)

    再稍微补充一下大接地电流方式(非常有效接地):

    大接地电流方式

    大接地电流一旦出现单相接地,保护装置会立即切除故障相,其他部分仍以相电压运行。

    文中划线部分是因为对于三相电来说没有「升高」、「抬高」等等概念的,因为是交流电,没有正负高低之分,不能再按直流电的思路思考。

    总结:重新对强电(三相电)有了认识,在把基础复习好的前提下,重新了解强电的相关知识,尤其是基础性的,应温故而知新,不把问题留在明天。

    2015/10/6在《电气工程概论》课上老师又提到了这个问题,把这个问题详细地解释了一下,这次听课不像以前那样的茫然了,说明及时复习发现问题解决问题对学习很有帮助,更重要的是,在解决问题的过程中的成就感更是无可比拟的。

    不过在提出问题解决问题的过程中也遇到很多新名词:接地故障、电容电流、中性点位移、零序电流等。有些涉及到还未开的课程,比如《电力系统继电保护》,但这次先留个引子,下次文章解决。

    参考书籍及有帮助的网站:

    《工厂供电 第三版》(刘介才主编)

    《电力系统分析 第三版》(于永源主编)

    土木论坛 http://bbs.co188.com

    百度知道http://zhidao.baidu.com/

    北极星论坛http://bbs.bjx.com.cn/portal.php

    实例:http://zhidao.baidu.com/link?url=3dOE3NHo2zMnOBKlXveBOOTakVSWZS_wiQJ2HJaGScdNPUab05CiHP99xgowewWkfYk6KpvzdLR069u-bpbY1K

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