电力系统中性点运行方式的优化选择

电力系统中性点的运行方式，是一个涉及面很广的问题。它对于供配电可靠性、过电压、绝缘配合、短路电流、继电保护、系统稳定性以及对弱电系统的干扰等诸多方面都有不同的影响，特别是在系统发生单相接地故障时，有明显的影响。因此，电力系统的中性点运行方式，应根据国家的有关规定，并根据实际情况确定。

相关知识

一、电力的输送

1.并车与解列

一个电厂的装机容量是电力生产规模大小的标志，用千瓦（kW）或兆瓦（MW）表示。所谓装机容量，是一个电厂拥有发电机组的总功率。一般中、大型电厂，往往由多台机组构成，为了便于电力的集中输出和集中控制，一个电厂所有机组发出的电力通常都并联起来，形成集中的电力输出，把每台发电机发出的电力进行并联，该技术操作叫做并车。并车由专用的并车装置来完成，分自动和手动两种。在现代化电厂中，都采用自动的并车装置。并车的主要技术条件是：需并入电力网的发电机所发出的电力，其频率和相序应与网络上的频率和相序保持一致。把投入并车运行的发电机从电力网上解脱出来，这一技术操作叫做解列。

2.输送

电力网都采用高电压、小电流输送电力。根据焦耳楞次定律可知，电流通过导体所产生的热量，是与通过导体的电流I2 成正比的，所以采用低电压、大电流输送电力是很不经济的。电力系统的容量越大、输电距离越长，就要求把输电电压升得越高。此外，输电电压越高，输电的距离也就可以越长。

目前，在大型电网中，输电距离超过数百千米的已比较普遍。在一般情况下，输电距离在50 km 以下的，采用35 kV 电压；在100 km 左右的，采用110 kV 电压；超过200 km的，采用220 kV 或更高的电压。具体选用输电电压时，须就输电容量和线路投资等因素综合考虑技术经济指标。

3.升压

凡并入电网运行的电厂，所发的电力都要经过升压，这是由发电机的绝缘结构和安全等因素所决定的，发电机输出的电压往往不能很高。低压发电机的输出端电压400 V，高压发电机的输出端电压一般为6～20 kV。现代电厂的规模都很大，装机容量都在几十万千瓦，有的达几百万千瓦，电网的输电距离也愈来愈长。这样庞大的电力输送，必须经过升压才能把电厂所发的电力馈送出去。

电网的输电线路按电压等级分有高压级和超高压级两种。我国高压输电的标准电压35 kV，超高压输电电压有110 kV、220 kV、330 kV 和500 kV 等多种。输电线路一般都采用架空线路。超高压输电线路通常避免进入市区；35 kV 高压输电线路在市区边缘地带，通常也采用架空线路。电缆线路投资较大，但在跨越江河和通过市区以及不允许采用架空线路区域，则须采用电缆线路。

架空输电线路按不同电压等级采用不同的杆塔。对35 kV 线路，通常采用混凝土杆单杆架设，用悬式绝缘子或瓷横担来支撑导线。用悬式绝缘子时，一般在每个支撑点用2～4个悬式绝缘子串接。对110 kV 线路，有用铁塔架设的，也有用混凝土杆单杆或双杆（俗称龙门杆）架设的，通常都用悬式绝缘子串接后作为导线的支撑点，一般每个支撑点串接7～9 个悬式绝缘子。220 kV 及以上线路大多数采用铁塔架设，也用悬式绝缘子串接后作为导线的支撑点，通常每个支撑点串接13 个及以上数量的悬式绝缘子。220 kV 以上的架空输电线，除采用更高大的铁塔来架设导线外，还改用分裂导线。所谓分裂导线，就是每相架空线不是用单根导线，而是采用数根直径较小的导线，均匀地分布在圆环四周，这样能明显地扩大每相导线占有空间的直径，从而有效地减少产生电晕的损耗。

4.变电

变电的目的是变换电网的电压等级。要使不同电压等级的线路联成整个网络，需要通过变电设备统一电压等级来进行衔接。在大型电力系统中，通常设有一个或几个变电中心，称为中心变电站。变电中心的使命是指挥、调度和监视整个电网（或一大区域）的电力运行，进行有效的保护，并有效地控制故障的蔓延，以确保整个电网的运行稳定与安全。

变电分为输电电压的变换和配电电压的变换。前者通常称为变电站，或称一次变电站，主要是为输电需要而进行电压变换，但也兼有变换配电电压的设备；后者通常称为交配电站（所），或称二次变电站，主要是为配电需要而进行电压变换，一般只设置变换配电电压的设备。如果只具备配电功能而无变电设备的，则称为配电站（所）。变配电站馈送的电力在到主用户前（或进入用户后），通常还需要再进行一次电压变换。这级变电，是电网中的最后一级变电。电力从电厂到用户，电压要经过多级变换。经过变电而把电压升高的称为升压，把电压降低的称为降压。用来升降电压的变压器称为电力变压器。习惯上把高压配电线路末端变电的电力变压器称为配电变电器（简称配变）。在大型电网中，各级变电构成系统的概况如图2－1所示。

5.配电

电力的分配，简称配电。配电分电力系统对用户的电力分配和用户内部对用电设备的电力分配两种。电力系统的配电是围绕电力供应这一中心为目的的，故也可把配电称为供配电。为配电服务的设备和线路，分别称为配电设备和配电线路，配电线路上的电压等级，简称配电电压。对电力系统来说，也可分别叫做供配电设备、供配电线路和供配电电压。这里先介绍电力系统对用户的电力分配。

配电电压的高低，通常决定于用户的分布、用电性质、负载密度和特殊要求等情况。常用的高压配电电压有10 kV 和6 kV 两种，低压配电电压为380 V 和220 V。用电量大的用户，也有需要用10 kV 高压或35 kV 超高压直接供配电的。大多数用户是由10 kV或6 kV 高压供配电，或380／220 V 低压供配电。前者称为高压用户，后者称为低压用户。如图2－1所示。

图2－1　大型电网变电

供配电级别根据用户用电的性质和要求不同，供配电部门把用户的负荷（也称负载）分为三级：

（1）一级负荷。一级负荷用户突然停电，会造成人员伤亡或主要设备遭受损坏且长期难以修复，或对国民经济带来巨大损失，如炼钢厂、石油提炼厂、矿井和大型医院等都属于一级负荷用户。对一级负荷用户所提供的电力，应来自两个一次变电站（至少是来自一个一次变电站的两台变压器）；同时，电力的馈送必须采用双端（即双回路）的专线线路供配电。

（2）二级负荷。二级负荷用户突然停电，会造成大量产品（或工件）报废，或导致复杂的生产过程出现长期混乱，或因处理不当而发生人身和设备事故，或致使生产上遭受重大损失，如抗生素制造厂、水泥厂大窑和化纤厂等都属于二级负荷用户。对二级负荷用户所提供的电力应来自两个二次变电站（至少是来自一个二次变电站的两台变压器）；同时，电力的馈送必须采用双端线路（即双回路）供配电。

（3）三级负荷。除一、二级负荷以外的其他用户，均属三级负荷。对三级负荷所提供的电力，允许因电力输配电系统出现故障而暂时停电。

在用电量较大的城镇中，高压配电线路的结构类型往往都是环状的，有些地区把低压配电线路也连成环状。环状配电线路有多端电源连接点，且不是同接于一个变电站或同一台变压器，因此不致因某一变电站或某一台变压器发生故障而突然停电。对于用户集中、负荷密度较高的城镇地区，构成环状配电线路是防止事故性停电的较好措施。双端配电线路在一般城镇和负荷密度较高的农村均有较广泛的应用。双端配电线路是在其两端分别与两个变电站或两台变压器进行连接的，这样可显著减少故障停电。单端配电线路一般适用于无法连接两个变电站或两台变压器的地方，它只适用于对三级负荷的用户进行供配电。从变电站或配电变压器中馈送出来的高、低压配电线路，按不同支接形式形成不同的布局，有树干形、放射形和筋骨形等多种，如图2－2所示。图中的“1”是变电站或配电变压器，“2”是用户分布点。配电线路不管选用哪种布局形式，都以最短配电距离而能分布到最多的用户为原则。

图2－2　配电线路的布局形式

（a）树干形；（b）放射形；（c）筋骨形

6.用电申请

凡需取得电网系统的电力供应，必须提前向电业部门提出用电申请。用电提出申请，能使电业部门统一而有计划地分配电力，有效做到安全、节约、合理地为用户提供电力。故用户新装或改装（包括扩大用电量和移动电度表位置），均须事先向电业部门提出申请，经同意后才可引接电源。申请的内容：

（1）申请用电量。通常是以计算负荷电流提出申请的，而不是以用电设备功率的总和来提出申请。计算负荷电流依据下列三个因素求得：

①实际装接的用电设备的总功率。

②用电设备的实际利用率L，由式（2－1）求得

式中 Pt——同一时间中所启用用电设备的最高总功率（即各启用设备的功率之和）；

Pp——装接的所有用电设备的总功率。

③加上20%裕度，作为机动，以备增加用电设备时所需。

在计算负荷电流时，要把功率变换成电流。常用低压用电设备（电阻性电热设备、白炽灯和卤钨灯）、功率因数小于1 的照明设备、电动机、电焊变压器或X 光机的电流计算公式，分别如表2－1～表2－4所示。

表2－1　电热、白炽灯、卤钨灯（碘钨灯、溴钨灯）的电流计算公式

表2－2　功率因数小于1 的照明设备的电流计算公式

表2－3　电动机的电流计算公式

表2－4　电焊机、X 光机的电流计算公式

（2）申报用电设备的额定电压和相数。用电设备分有高压和低压两大类。高压的额定电压分有3 kV、6 kV 和10 kV 等多种，但以6 kV 的最为常用。低压的额定电压分有220 V和380 V 两种，其中220 V 是单相负载，380 V 有双相和三相两种负荷，以三相为大多数。

根据用户提出的用电申请，由电业部门决定供配电方式，如供配电电压、供配电相数和进户方式等。

（3）申报用电级别。根据本单位的实际情况申明生产或服务的行业性质及用电要求，以便电业部门判定用电级别。

所谓变配电，是指电网的末级变电和低压配电。末级变电是指高压级配电电压通过配电变压器（简称配变）降低到用电设备所需的较低电压等级，除少数高压用电设备需要3 kV 或6 kV 的以外，绝大多数都是低压用电设备，所需电压为380 V 或220 V。凡用电量较大的或有高压用电设备的用户，通常都须自行设立变配电所，电业系统称这类用户为高压用户。凡用电量较小而又没有高压用电设备的用户，通常由电业部门设立公用变配电所，直接提供所需的低压电源，这类用户称低压用户。由此可见，电网末级变电的目的是把电压降低到适合用电所需的电压等级。(www.xing528.com)

二、电力系统中性点运行方式合理选择

电力网是由变电所及各种不同电压等级的输电线路组成。电网是输送电能的设备，按照特征可分为许多种：按电流特征可分为直流电网与交流电网；按负荷性质可分为动力电网和照明电网；按电压等级可分为低压电网（1 000 V 以下）和高压电网（1 000 V 以上）。按线路结构可分为架空线路和电缆线路。架空线路的建设投资远比电缆线路低，并且容易发现故障和便于修理，所以得到广泛采用。架空线路的主要缺点是占用较大的空间，在空间条件不允许的条件下只有采用昂贵的电缆线路。按电网布置形式分为开式电网（只从一个方向向用户供配电）和闭式电网（可从两个或两个以上的方向向用户供配电），如图2－3所示。按电网的中性点对地绝缘状态不同，可分为中性点接地系统和中性点对地绝缘系统。

图2－3　开式电网和闭式电网

（a）、（b）开式电网；（c）、（d）闭式电网

导线接地是电网常见的故障。电网的中性点对地绝缘状态，决定着电网导线接地后的运行情况；关系着供配电的可靠性、线路的保护方法、人身安全等重要问题。正确地选择中性点对地的绝缘状态是供配电工作的关键。

电力系统中性点运行方式有中性点直接接地、中性点不接地和中性点经消弧线圈接地三种。

1.中性点直接接地方式

电压愈高的电网线路愈长，所以接地电流也愈大，同时电压愈高接地点愈容易产生断续的电弧，并且因此而产生的过电压对系统绝缘的威胁也愈大，目前110 kV 以上的电网，都采取中性点直接接地的方式运行，如图2－4（a）所示。中性点直接接地后，一线接地造成单相短路，接地电流甚大（所以称为大接地电流系统），立即引起系统中过电流保护装置动作，将接地线路的电源切断。为了减少因这种原因停电的次数，在中性点直接接地的系统中使用了单独动作的断路器和继电保护装置，并设有自动重合闸装置。因为某些接地故障在断电后会自动消除，因此在短时间断电后重新合闸有继续供配电的可能。如图2－4（b）所示。

图2－4　中性点接地方式

（a）中性点直接接地电力系统；（b）中性点直接一线接地电力系统

我国地面的低压电网（380／220 V 系统）也采取中性点直接接地的方式，并且中性点引出，可同时供给380 V 和220 V 两种电压。其中性点之所以接地，并非防止电弧接地的危险，而是预防高压串入低压系统的安全措施，中性点直接接地系统发生单相短路时，非故障相对地电压不变，电气设备绝缘水平可按相电压考虑。可以配出中性线N，即三相四线制，一般民用建筑均采用此种方法。

2.中性点不接地方式（中性点对地绝缘系统）

中性点不接地方式，如图2－5（a）所示。CU、CV、CW 代表各相导线对地电容，在三相绝缘良好的情况下，中性点电位与大地电位相等，三相导线对地的电压分别等于三个相电压，图2－5（b）是对称的三相电压，所以三相导线中的电容电流也是对称的，并且超前于对应的相电压90°。

图2－5　中性点不接地的电力系统

（a）电路图；（b）相量图

当发生一线（设为W 相）金属性接地时，接地导线将对地电容短接，其对地电压变为零，如图2－6（a）所示。其他两相导线对地电压等于线电压，较正常情况升高倍。根据矢量分析可知，接地电流将是正常情况下每相对地电容电流的3 倍，相位超前接地的那相电压90°，如图2－6（b）所示。

应该指出：中性点对地绝缘系统一线接地时虽然出现上述变化，但是系统的线电压仍保持对称，可以继续供配电。我国35 kV 以下的高压电网都采取中性点对地绝缘方式，就是为了减少因一线接地所造成的停电次数，提高供配电的可靠性。

图2－6　单相接地时中性点不接地的电力系统

（a）电路图；（b）相量图

中性点对地绝缘系统一线接地时，非接地线对地电压升高了倍，对线路中绝缘薄弱处有威胁，可能引起另一线接地而造成两线接地短路。所以在这种系统中出现一线接地时，设在变电所中的绝缘监视装置应发出警报，值班人员应迅速找到故障线路，并将其切除。

3.中性点经消弧线圈接地方式

电压越高，线路越长时接地电容电流越大。如果接地电容电流超过某一限度（3～10 kV系统约为30 A，35 kV 约为5 A），接地点会发出断续的电弧。由于电网中的电感与对地电容构成振荡回路，断续的接地电弧会引起振荡回路的瞬变过程，结果在系统中产生过电压，这种过电压可达正常电压的3～4 倍，可能在绝缘薄弱的地方造成绝缘击穿而形成短路故障。所以接地电容电流超过限度的高压电网，不宜采取中性点绝缘的方式运行，而采用中性点经消弧线圈接地方式，如图2－7所示。

图2－7　中性点经消弧线圈接地

（a）电路图；（b）相量图

消弧线圈是一个铁芯空气间隙可调节的线圈，其电阻很小，感抗很大，在正常情况下，三相对地电压对称而且分别等于相电压，中性点电位与大地电位相等，消弧线圈中无电流。

假设一相发生金属性接地，则中性点对地电压将与W 相电压大小相等相位相反。此时消弧线圈中有电流通过且滞后W 相电压90°与非接地的电容电流的矢量和反相，所以消弧线圈有降低接地电流的作用。如果适当调节消弧线圈的感抗值，就可将接地电流降低到不能建弧的程度。所以这种系统出现一相接地时仍可以继续供配电。上述两种系统的接地电流都较小，因此称小接地电流系统。

中性点接地绝缘系统中的接地电容电流，可用下述经验公式计算：

（1）架空线路的接地电容电流：

（2）电缆线路的接地电容电流：

式中 U——电网的线电压，kV；

L——同一电压等级中相连线路总长度，km。

消弧线圈对电容电流的补偿可以有三种方式：全补偿；欠补偿；过补偿。在电力系统中一般不采用全补偿的方式，而采用过补偿运行方式。

任务实施

电力系统中性点运行方式的选择及电压的测量

（1）常见电力系统中性点运行方式有哪些种类，适用范围如何？将其填写在表2－5中。

表2－5　电力系统中性点运行方式的选择

（2）电网电压为380V 电力系统中性点接地运行方式测量（表2－6）。

表2－6　中性点接地运行方式电压的测量

评价总结

根据“电力系统中性点接地运行方式电压的测量”，结合所填写的“电力系统中性点运行方式的选择”表和收获体会进行评议，并填写成绩评议表（表2－7）。

表2－7　成绩评议表