电网中性点接地方式与接地技术研究

一 本课题研究的背景随着煤矿生产用电量增大及矿井供电网路的不断延伸， 矿井电网单相接地电容电流不断增加。据统计，单相接地电流超过 20A 者占 70%以上，严重威胁着井下生产安全及矿工的人身安全。我国低压用电安全规程要求低压供电变压器的中性点必须直接接地， 中性点的接地电阻R≤ 4Ω 。而《煤矿安全规程》中已有明确规定“严禁井下配电变压器中性点直接接地，严禁由地面中性点直接接地变压器或发电机直接向井下供电” 。但是，目前我省各地方煤矿及个体小煤矿大都采用农用变压器直接向井下供电， 即使在全国范围内， 也是一种普遍存在的问题。此供电方式，为《煤矿安全规程》所不允许，严重地威胁着煤矿的安全生产，潜伏着巨大的事故隐患，也是近年来各地安全煤矿事故频繁发生的一种主要根源。本研究课题结合我国小煤矿生产及供电实际情况，以“矿山供电安全隔离消弧与保护”作为研究方向， 以解决煤矿变压器中性点直接接地和用电安全保护的问题， 从而达到 《煤矿安全规程》的规定要求，以确保煤矿供电安全及矿井生产安全。二 中性点接地方式三相交流电网中性点与大地间电气连接的方式， 称为电网中性点接地方式。 不同中性点接地方式对电网绝缘水平、过电压幅值及保护元件选择、 供电可靠性、 继电保护方式、 人身及设备安全、通信干扰、 电磁兼容、 投资费用等会产生不同的影响。因此中性点接地方式的选择是一个综合性问题， 必须根据系统情况、 电网结构、 电容电流大小综合分析才能合理选择中性点接地方式。1997 年电力工业部根据国内中性点接地的运行经验及新技术、新设备的发展，提出了有关中性点接地的新标准 DL/T 620-1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》 ， 其中关于中性点接地的规定如下 : 一． 3~10 kV 不直接连接发电机的系统和 35,66kV 系统，当单相接地故障电容电流不超过下列数值时，应采用不接地方式 ;当超过下列数值又需在接地故障条件下运行时，应采用消弧线圈接地方式 ; 1) 3~10 kV 钢筋混凝土或金属杆塔的架空线路构成的系统和所有 35 ,66 kV 系统，10 A 2) 3~10 kV 非钢筋混凝土或非金属杆塔的架空线路构成的系统，当电压为 3 kV 和6 kV 时， 30 A ; 10kV 时， 20 A;3~10 kV 电缆线路构成的系统， 30 A 二． 3~20 kV 具有发电机的系统，发电机内部发生单相接地故障不要求瞬间切机时，如单相接地故障电流不大于表 1 所示允许值时，应采用不接地方式 ;大于该允许值时，应采用消弧线圈接地方式，且故障点残余电流也不得大于该允许值。发电机故障电流允许值发电机内部发生单相接地故障要求瞬间切机时， 宜采用高电阻接地方式。 电阻器一般接在发电机中性点变压器的二次绕组上。三． 6~35 kV 主要由电缆构成的送、配电系统，单相接地故障电容电流较大时，可采用低电阻接地方式， 但应考虑供电可靠性要求、 故障时瞬态电压、 瞬态电流对电气设备的影响，对通信的影响和继电保护技术要求和本地的运行经验等。四． 6 kV 和 10 kV 配电系统以及发电厂厂用电系统，单相接地故障电流较小时，为防止谐振、间隙性电弧接地过电压等对设备的损害，可采用高电阻接地方式。虽然规程已有明确规定， 但在实际选择接地方式时还必须根据本地电网的各种实际情况来决定。三 配电网中性点不同接地方式的优缺点配电网中性点与参考地的电气连接方式， 按运行需要可分为中性点不接地、 经消弧线圈接地、经 (高、中、低值 )电阻器接地、经低值电抗器接地及直接接地等。这些中性点接地方式各具优缺点。配电网中性点不接地的优缺点变压器中性点不接地供电系统图配电网中性点不接地是指中性点没有人为与大地连接。 事实上， 这样的配电网是通过电网对地电容接地。(1)中性点不接地系统的主要优点包括 :电网发生单相接地故障时稳态工频电流小。在这种情况下 :如雷击绝缘闪络瞬时故障可自动清除，无需跳闸 ;如金属性接地故障，可单相接地运行，改善了电网不间断供电，提高了供电可靠性 ;接地电流小，降低了地电位升高。减小了跨步电压和接触电压，减小了对信息系统的干扰，减小了对低压网的反击等。经济方面 :节省了接地设备，接地系统投资少。(2)中性点不接地系统的缺点 :①与中性点电阻器接地系统相比， 产生的过电压高 (弧光过电压和铁磁谐振过电压等 )，对弱绝缘击穿概率大 ;②在间歇性电弧接地故障时产生的高频振荡电流大，达数百安培，可能引发相间短路 ;③至目前为止，故障定位难，不能正确迅速切除接地故障线路，有可能发展为多相短路接地。配电网中性点谐振《消弧线圈》接地的优缺点在变压器中性点与地之间接入电抗线圈的补偿方法配电网中性点谐振接地是指配电网一个或多个中性点经消弧线圈与大地连接， 消弧线圈的稳态工频感性电流对电网稳态工频容性电流调谐， 故称谐振接地， 目的是使得接地故障残流小，接地故障就可能自清除(1)中性点谐振 (消弧线圈 )接地的主要优点为 :①当系统电容电流增大时，单相接地电流已不能自熄，采用消弧线圈可补偿电容电流，当残流小于 10 A 时，电弧可以自熄 ;②由于残流较小，可以带故障运行，提高了供电可靠性 ;③降低了弧光接地过电压的概率 ;④如配置性能可靠的选线系统，可迅速切除故障。(2)中性点谐振 (消弧线圈 )接地的主要问题为 :①消弧线圈并不能降低弧光过电压的最大值，只能降低高幅值过电压的概率 ;②弧光过电压及接地故障电流是高频暂态过程，而消弧线圈工作是建立在工频基础上的。 电网电容和消弧线圈电感电流在高频下的频率特性是完全不同的，难以互相补偿 ;③系统电容电流很大时，难以保证残流小于 10 A; ④系统谐波电流难以补偿 ;⑤调谐不当易引起系统谐振 ;⑥接地选线问题至今尚未真正解决 ;⑦中性点谐振 (消弧线圈 )接地系统主要为自动跟踪消弧线圈，包括消弧线圈、自动跟踪装置、选线系统，其设备复杂，投资高 ;谐振接地方式的使用是否成功很大程度上还取决于消弧线圈、跟踪系统、选线装置本身的可靠性。配电网中性点直接接地的优缺点变压器中性点直接接地系统配电网中性点直接接地是指配电网中全部或部分变压器中性点没有人为阻抗加人的直接与大地 (地网 )充分连接。使该电网处达到 R0≤ X 1，和 Xo/X 1≤ 3。(1)中性点直接接地系统的优点有 :①内部过电压较低，可采用较低绝缘水平，节省基建投资 ;②大接地电流，故障定位容易，可以正确迅速切除接地故障线路。(2)中性点直接接地系统的缺点有 :①接地故障线路迅速切除， 间断供电。 ②接地电流大，地电位上升较高。在这种情况下，将增加电力设备损伤 ;增大接触电压和跨步电压 ;增大对信息系统的于扰 ;增大对低压网反击。配电网中性点电阻器接地的优缺点配电网中至少有一个中性点接人电阻器， 目的是限制接地故障电流。 中性点经电阻器 (每相零电阻 R0≤ X c0 每相对地容抗 )接地，可以消除中性点不接地和消弧线圈接地系统的缺点，即降低了瞬态过电压幅值， 并使灵敏而有选择性的故障定位的接地保护得以实现。 由于这种系统的接地电流比直接接地系统的小， 故地电位升高及对信息系统的干扰和对低压电网的反击都会减弱。 因此， 中性点电阻器接地系统具有中性点不接地及消弧线圈接地系统或直接接地系统的某些优点，和这两种接地方式的某些缺点。按限制接地故障电流大小的要求不同， 分高、中、 低值电阻器接地系统，具体的优缺点亦不同。中性点高值电阻器接地系统的优缺点中性点高值电阻器接地系统可限制接地故障电流水平在 10 A 以下，高电阻接地系统设计应符合每相零序电阻 R0≤ X c0 (每相对地容抗 )准则，以限制由于间歇性电弧接地故障时产生的瞬态过电压。(1)其优点包括 :①可防止和阻尼谐振过电压和间歇性电弧接地过电压，在 2. 5 P. U.及以下 ;②接地电流水平在 10 A 以下， 减小了地位升高 ;③接地故障可以不立即清除， 因此能带单相接地故障相运行。(2)其缺点包括 :使用范围受到限制，适用于某些小型 6~10 kV 配电网和发电厂厂用电系统。中性点低值电阻器接地系统的优缺点为获得正确迅速切除接地故障线路，就必须降低电阻器的电阻值。(1)其优点包括 :①内过电压 (含弧光过电压、谐振过电压等 )水平低，提高网络和设备的可靠性 ;②大接地电流 (100~1 000 A ) ，故障定位容易，可以正确迅速切除接地故障线路 ;③接地设备投资少，基本上免维护。(2)其缺点有 :①因接地故障人地电流 If 为 100~1000 A ，地电位升高比中性点不接地、消弧线圈接地、高值电阻器接地系统等的高。②接地故障线路迅速切除， 间断供电， 影响供电可靠性 ;③由于接地故障电流大，需验证对通信的干扰程度 ;④由于接地故障电流大，需验证地电位抬高，跨步电压及接触电势是否在规程规定之内。中性点中值电阻器接地系统的优缺点为了克服高值和低值接地系统的弊端而保留其优点， 而采用中值电阻。 接地故障电流控制在 50~100A ， 仍保留了内过电压水平低、 地电位升高不大、 正确迅速切除接地故障线路等优点，并亦具有切除接地故障线路间断供电等缺点。消弧线圈并联电阻的接地方式的优缺点在消弧线圈接地方式中，由于有功电流太小，加上零序 TA 的灵敏度和准确度等问题，选线准确性仍有一定问题。为了保证选线的准确性，在消弧线圈旁通过开关并联一个电阻，发生单相接地后， 如为瞬时性接地， 消弧线圈可以立即对电容电流进行补偿， 将残流控制在安全范围内，使故障得以自动消除。如果是永久性接地故障， ，延迟一段时间后投人并联电阻，通过零序 TA 的有功电流启动保护跳闸。电阻通流时间可根据系统实际情况整定，一般可取 is 至数十秒。消弧线圈并联电阻的方式既能获得使用消弧线圈的各种优点，当选线不成功时又可借助电阻跳开故障线路， 避免故障扩大， 避免停电范围扩大。 这对进一步提高供电可靠性有很大好处。缺点是投资大。加零序保护。根据经验，保护配置宜采用不同时限的零序电流保护，或采用零序方向保护。四 一种煤矿配电网中性点接地系统设计目前， 在我国的大中型企业煤矿中普遍采用如下图所示的系统， 采用人造中性点经消弧线圈接地的方式，而其本身中性点不接地，通过消弧线圈去补偿系统的容性电流。大中型煤矿企业采用的人造中性点经消弧线圈接地方式然而，就本课题所针对的对象—煤矿变压器中性点直接接地问题 (未经消弧线圈 )，即变压器既要向地面生活及生产系统供电， 又要以中性点隔离消弧形式向井下供电， 从而达到煤矿安全供电之要求。小型煤矿企业采用的一台变压器供电方式在我国的绝大多数个体小煤矿中普遍采用的是一台中性点直接接地的变压器既向地面用户供电，又向煤矿井下供电，这种供电方式，为《煤矿安全规程》所不允许，更严重地威胁着煤矿的安全生产。如上图所示。对于这样的系统，若直接在中性点加入消弧线圈，如下图所示 : 变压器中性点经消弧线圈接地供电方式这显然不符合我国低压用电安全规程中规定的“低压供电变压器中性点必须直接接地”的要求。本课题针对的就是这样的系统， 既要中性点直接接地向地面供电， 又要设法解决向井下供电的中性点不直接接地的问题， 使地面和井下都满足其供电要求。 采用矿井供电安全隔离与消弧技术实现变压器中性点不直接接地向煤矿井下供电， 以满足煤矿安全规程的要求， 从技术上保证矿井供电安全。该技术方案保留原地面变压器中性点直接接地， 三相四线制向村民供电。 下井供电线路串联矿井供电安全隔离与消弧装置后向井下供电。 当发生井下单相接地或短路故障时， 该装置在理想情况下，零序阻抗为无穷大，阻断故障时零序电流通路，使接地电流降到最小值 ;有效地降低了人身触电的危险程度并防止了接地点强电弧引起的煤尘和瓦斯爆炸对矿井的危害，对煤矿安全十分有利。实际上，串联电抗器后，从电气角度看，在理想情况下与变压器中性点绝缘方式完全一样 ;即使非理想状态， 也等效为变压器中性点经消弧线圈接地方式。而地面或村民用电发生单相接地仍属中性点直接接地方式下的故障，原保护功能仍可发挥，并未影响井下供电设备的正常工作 ;极端情况是地面井下同时发生单相接地故障，各故障相互独立， 地面故障为中性点直接接地方式， 而井下故障则成为中性点不直接接地或经消弧线圈接地方式，此为本技术方案最为突出的优点，其电气原理图如下图所示。串联零序电抗的电路图五 参考文献【 1】赖昌干主编 . 矿山电工学 . 北京：煤炭工业出版社， 2006. 【 2】朱同春 . 浅谈配电网中性点接地方式 . 《 全国电网中性点接地方式与接地技术研讨会论文集》 ， 2005. 【 3】煤矿安全规程 . 北京：中国法制出版社， 2005