1、中性点经消弧线圈接地系统的基本原理 第一版初稿 完成于成都 因初稿未经校对，文中肯定错误比较多，恳请大家批评指正！ 中性点经消弧线圈接地系统的基本原理 （第一版） 2015-6-11 于成都 中性点经消弧线圈接地系统的基本原理 第一版初稿 完成于成都 因初稿未经校对，文中肯定错误比较多，恳请大家批评指正！ 目录 1. 两种典型的谐振接地 3 2. 电网中性点位移 . 4 3. 中性点位移度、电网的不对称度、失谐度、阻尼率、调谐度与综合对地阻抗 . 7 4. 中性点位移模值 . 9 5. 单相接地故障分析 13 中性点经消弧线圈接地系统的基本原理 第一版初稿 完成于成都 因初稿未经校对，文中肯定
2、错误比较多，恳请大家批评指正！ 中性点经消弧线圈接地系统的基本原理 在中性点不 接地系统中 ，当单相接 地电容电流 超过允许值 时，电弧不 能自行熄 灭 。 为 了使故障点能自行熄弧， 可以在变压器中性点和发电机中性点装设消弧线圈 （又称为彼德逊 线圈） ， 以补 偿接地电容电流。 电网中的电容电流包括有电气连接的所有架空线、 电缆、 发 电机、变压器以及母线和电器的电容电流，并考虑电网 510 年的发展。 中性点经消弧线圈接地的电力系统，称为谐振接地系统（以前又称“ 共振接地” ）。采 用这种接地方式的电网有时被称为补偿电网电容电流， 使接地电弧瞬间自行熄灭。 消弧线圈 使单相接地电容电流瞬
3、间自行熄灭主要基于两点： 一、 单相接地电容电流被补偿到很小的数 値， 限制接地故障电流的破坏作用， 使残余电流的接地电弧易于熄灭； 二、 残余电 流经过零 熄弧后，还能减小故障相恢复电压的初速度及其幅值，从而减小了电弧重燃的可能性。 1. 两种典型的谐振接地 接地电容电流的中和与产生补偿电流方法没有直接关系，图 1 给出了两种典型的补偿 方式。 a b 图 1 两种典 型的谐振接地 图 1 ，a 表示 每相对地电容都并联一电抗器补偿本相容性电流， 而 b 表 示中性点接入消 弧线圈补偿系统容性电流。a 相对 b 有以下缺点： 接在故障相电抗器不起作用，不产生补偿电流； 健全相两电抗器产生补偿
4、电流相位差为 o 60 , 迭加后单只电抗器的 3 倍， 而不是 2 倍； 正常运行时，每相电抗器吸收容性无功同时消耗有功功率，增加电网电能损耗。 综上所述，可知中性点上装消弧线圈的补偿方式更具优越性。 中性点经消弧线圈接地系统的基本原理 第一版初稿 完成于成都 因初稿未经校对，文中肯定错误比较多，恳请大家批评指正！ 2. 电网中性点位移 电网中性点位移指的是正常运行情况下，中性点电压的位移量。三相对地电阻（电导） 简化分析计算中常作两种处理： 其一， 三相对地电阻 （电导） 相等， 因为在电网正常运行时， 电气设备三相绝缘运行条件和污秽情况基本相同； 其二： 忽略不计， 因为泄漏电导比电容电
5、 纳小的多。 为了更加精确分析中性点电压位移量， 通常采用认为三相对地电阻 （电导） 相等， 同时为了简化分析过程忽略导线相间电容。 电网中性点接地方式主要有直接接地、 不接地系 统、 经电阻接地与经消弧线圈接地。 直接接地可看成中性点接地阻抗为 0 ， 不直接接地可看 成中性点接地阻抗为无穷大， 经电阻接地可看成中性点接地电抗为无穷大， 因此， 这几种接 地方式补偿网络统一由图 2 谐振接 地系统等效电路来分析。 L r C C B C A C o r o r o r BC C AB C AC C C U B U A U C I B I A I L I 图 2 谐振接 地系统等效电路图 电网
6、正常运行时，中性点 O 的 KCL 方程： 0 LABC IIII 0 OO O A A O B B O C C UYUUYUUYUUY 式中： 11 j 1 1 1 O L AA O BB O CC O Y rL Yj C r Yj C r Yj C r A U 、 B U 与 C U 为相电压，则中性点的位移电压为： 2 aa AA BB CC AA AB AC O OABC OABC UY UY UY UY UY UY U YYYY YYYY 中性点经消弧线圈接地系统的基本原理 第一版初稿 完成于成都 因初稿未经校对，文中肯定错误比较多，恳请大家批评指正！ 2 aa 11 1 1 1 A
7、A B C O ABC LOOO UY YY U jC jC jC jLr r r r 2 aa 31 1 ABC O A ABC OL jC CC UU jCCCj rr L 取 A U 为基准电压U ，则有： 2 aa 11 ABC O ABC jC CC UU jCCCj RL 式中： 131 OL R rr 对地全电导， 13 a 22 j ， 2 13 a 22 j 。 几种特殊性情况下中性点位移分析 a) 中性点直 接 接地： 直接 接地可看成中性点接地阻抗为 0 ，即 11 = j O L Y rL ，此时 0 O U ， 2 aa LABCA AB BC CA ABC I I
8、I I UY UY UY U Y Y Y 电 流取绝于电网三相平衡程度。 特别地， 当电网三相电容平衡 （ ABCO CCCC ） 时， = ABC YYY ， 0 L I 。 注： 上面 0 L I 是基于电网三相负载平衡得出的。如果电网三相负载不平衡 且电网三相电容平衡时， 则 0 L I 。 若电网三 相负载与电容都不平衡时， L I 是 否等于 0 视 具体情况具体分析。 在电网分析中， 基本上默认三相负载处于平衡 状态。 b) 中 性 点 不接地 ： 不直接 接地可看成中性点接地阻抗为无穷大，即 ,j 0 LO rLY ，此时 0 L I ， 中性点经消弧线圈接地系统的基本原理 第一
9、版初稿 完成于成都 因初稿未经校对，文中肯定错误比较多，恳请大家批评指正！ 2 aa AA BB CC AA BB CC AA AB AC O OABC ABC ABC UY UY UY UY UY UY UY UY UY U YYYY YYY YYY 2 aa 3 ABC O ABC O jC CC UU jCCC r 。 此时，中性点电压位移称为电网中性点不对称电压 。 特别地，当电网三相电容平衡（ ABCO CCCC ）时， 22 aa 1 aa 0 33 3 ABC O O ABC O OO jC CC jC UUU jCCC jC rr 。 从上式可知在输电线路完全换位达到平衡时，
10、中性点电压位移为 0 ， 电 网末端 电压平衡。 输电线路换位可使相对电容平衡， 从而减少不平衡电压， 这也是输电线 路换位意义所在。 输电线 路的换位方式与不平衡电流计算是电力系统元件建模和输 电线路设计内容，且内容比较多，就不作详细介绍。 c) 中性点经 电 阻接地： 经 电阻接地可看成中性点接地电抗为无穷大 1 j= O L LY r ，根据 L r 值大小分为低电阻接地方式、中电阻接地方式 与高电阻接地方式。 低电阻与中电阻接地方式属于大电流接地系统， 高电阻接 方式属于小电流接发系统。 2 aa 31 ABC O ABC OL jC CC UU jCCC rr 中性点经消弧线圈接地系
11、统的基本原理 第一版初稿 完成于成都 因初稿未经校对，文中肯定错误比较多，恳请大家批评指正！ 3. 中性点位移度、电网的不对称度、失谐度、阻尼率、调谐度与 综合对地阻抗 中性点位移电压与相电压的比较值称为中性点位移度，如下： 2 2 aa 1 1 aa 1 1 O ABC ABC ABC ABC ABC ABC ABC ABC ABC ABC U U jC CC jCCC jCCCj L jRCCC jCCC CCC CCC CCC L j RCCC CCC jd 式中： 电网的不对称度, 2 aa ABC ABC CCC CCC ； 补偿网线的失谐度, 1 ABC CL ABC C CCC
12、I I L CCC I ; d 补偿网线的阻尼率, 1 R ABCC I R d CCCI ； K补偿网线的调谐度, 1 1 L ABCC I L K CCCI 。 中性点经消弧线圈接地系统的基本原理 第一版初稿 完成于成都 因初稿未经校对，文中肯定错误比较多，恳请大家批评指正！ 谐振接地系统三种运行方式 a) 全补偿： LC II ,1 ,0 K ； b) 欠补偿： LC II ,1 ,0 K ； c) 过补偿： LC II ,1 ,0 K 。 Z 综合对地阻抗， 3 ABC O Z jCCC r ， 当系统中性点不接地时， 22 aa aa = 3 ABC ABC O ABC O jC C
13、C jC CC UUU Z jCCC r 。 此时，中性点电压位移称为电网中性点不对称电压 。 注：式中取取 A U 为基准电压U 。 中性点经消弧线圈接地系统的基本原理 第一版初稿 完成于成都 因初稿未经校对，文中肯定错误比较多，恳请大家批评指正！ 4. 电网中性点不对称电压与中性点位移模值 中性点位移： 2 aa AA AB AC O OABC UY UY UY UU YYYY j d 式中： 2 aa ABC ABC CCC CCC ， 1 ABC CL ABC C CCC I I L CCC I ， 131 OL R rr ， 1 ABC R d CCC ， 13 a 22 j ， 2
14、 13 a 22 j 。 当电网相对地电容 = ABC CCC 时， 2 2 1a a aa =0 3 A ABC ABC A C CCC CCC C 。 分母的模 22 d 。 分子 的模推导过程： 三相对地电容平均值 3 ABC CCC C ，电网各相对地电容可以表示为： ; ; . AA BB CC CCC CCC CCC 且 30 ABCA B C ABC CCCCCCCCCCCCC ，则 有： 2 2 2 2 aa aa = a+ a 1 a+ a 33 ABC ABC ABC A B C ABC ABC CC CC CC CCC CCC CCCCCC CCC kkk C 式中 ,
15、C AB ABC C CC kkk CCC ，且 0 ABC ABC CCC kkk C 。 设 A 相电容偏差最大，最大电容偏差 A kk 则： 中性点经消弧线圈接地系统的基本原理 第一版初稿 完成于成都 因初稿未经校对，文中肯定错误比较多，恳请大家批评指正！ 2 2 22 2 2 11 1 3 1 3 a+ a 33 2 22 2 111 331 333 322 223 222 11 11 93 9336 34 34 ABCA B C ABC BC A BC ABC ABCB C kkkk jk jk kkkjkk kjkk kkk kkkk k 因 0 ABC kkk ，则有： 22 2
16、2 2 2 ABC A BC AB CBC kkk k kk kk kkk 。 把以上推导公式代入，则有： 222 22 22 11 11 9336=932 6 34 34 11 1 =1 21 2= 34 3 ABCB C AAB CB C AB CAB C kkkk k kkk kk k kk kkk k 2 22 22 11 1 33 3 AB C ABAB BA BA kkk kkkk kkkk 当 000 , 0, 0 ABCBACA kkkkkkk ，则 且 且 , 轴对称点 1 2 BA kk ，二 次项系数大于 0 ， 2 最小值在点 1 2 BA kk 取得，最大值在点 0
17、和 BA kk 取得。 2 2 22 min min 1 ()() 32 2 4 2 AAAA AA kkkk kk 2 2 22 max max 1 0* 0 33 3 AA AA kk kk 当 0 0 0, 0, 0, ABCBACA kkkkkkk ，则 且 且 ，轴对称点 1 2 BA kk ， 二次项系数大于 0 ， 2 最小值在点 1 2 BA kk 取得，最大值在点 0 和 BA kk 取得。 2 2 22 min min 1 ()() 32 2 4 2 AAAA AA kkkk kk 中性点经消弧线圈接地系统的基本原理 第一版初稿 完成于成都 因初稿未经校对，文中肯定错误比较
18、多，恳请大家批评指正！ 2 2 22 max max 1 0* 0 33 3 AA AA kk kk ； 综上可知： 2 3 AA kk ，即 2 3 kk （ 0.5 0.58 kk ） 。由 于 变化范 围比较小，因此，一般取其等于平均值 0.54k 。 由以上分析可知中性点电压位移模 22 22 0.54 O k UUU dd 。 思考：如果要估算中性点电压位移模范围怎么计算？ 由上式可知 、d 越小、电容偏差越大，都会使 O U 变大。为了保证中性点位移不致 于过大，可以采用以下措施： a) 采用大的失谐度 ： 当 与d 不变情况下， 越大， O U 越小。但是过大 将影响电弧熄灭。1
19、10kV 及以 上安装消弧线圈的电网脱谐度一般不大于 10% 。 b) 输电线路换位，减小电网相导线对地电容的不对称。 当采用全补偿（其它条件不变）时，中性点位移最大： max bd O U UU dd 式中 bd U 为消弧线圈投入前电网或发电机中性点不对称电压。 由第 3 节分 析可知： 2 2 aa aa = 33 1 ABC ABC ABC bd ABC OO ABC jC CC jC CC jCCC UUU jCCC rr jCCC 中性点经消弧线圈接地系统的基本原理 第一版初稿 完成于成都 因初稿未经校对，文中肯定错误比较多，恳请大家批评指正！ 2 aa 33 11 ABC ABC
20、 bd OO ABC ABC CCC CCC UUU rr jCCC jCCC 一般 5% d ，因此，一般情况下中性点位移不超过不对称电压 20 倍。 当 0 时，中性点位移与最大中性点位移比值 22 2 max 2 1 1 O O U U d U d U d 。 中性点经消弧线圈接地系统的基本原理 第一版初稿 完成于成都 因初稿未经校对，文中肯定错误比较多，恳请大家批评指正！ 5. 单相接地故障分析 电网的三相网络是对称， 因此， 只需 分析一相上单相接地过程即可。 假设电网 A 相的 K 点发生单相接地故障，其接地电阻是 r 。r 阻值 由接地电阻与电弧弧道电阻组成，若忽略接 地电阻与电
21、弧弧道电阻（r=0 ）称为金属性接地。现实接地故障是没有金属性接地，只是阻 值非常小， 忽略 r 对计算 结果影响很小， 但是忽略 r 可大大简 分析计算过程。 谐振接地系统 单相接地故障接线图，如图 3 所示 。其等值电路图如图 4 所示。 L r C C B C A C o r o r o r BC C AB C AC C C U B U A U C I B I A I L I 图 3 谐振接 地系统单相接地故障接线图 L r C C B C A C o r o r o r BC C AB C AC C C U B U A U C I B I A I L I r图 4 谐振接 地系统单相接
22、地故障等效电路 接地情况下的中性点电压位移的分析过程同第 2 节，这里就 不再赘述： 2 1 aa 131 1 ABC O A ABC OL jC CC r UU jCCCj rrr L 取 A U 为基准电压U ，则有： 中性点经消弧线圈接地系统的基本原理 第一版初稿 完成于成都 因初稿未经校对，文中肯定错误比较多，恳请大家批评指正！ 2 1 aa 11 1 ABC O ABC jC CC r UU jCCCj rR L 式中： 131 OL R rr 对地全电导， 13 a 22 j ， 2 13 a 22 j 。 2 12 1 aa 11 1 11 1 1 ABC O ABC ABC O
23、 k k OOO jC CC r UUU jCCCj jCCCj rR L rR L d UU dj jdd j d UUU 式中，外加阻尼率： 1 k ABCC U R r dd CCCr I r ， k R rd d 。 当发生金属性接地时， 0 r ， 1 r ，由极限理论可知： 2 1 aa 11 1 ABC O ABC jC CC r UU U jCCCj rR L ， 此时，等值电路为： L r B C o r L I C U B U A U A C o r o r C C A B C C I B I I A I 图 6 谐振接 地系统金属性单相接地故障等效电路 中性点经消弧线圈接
24、地系统的基本原理 第一版初稿 完成于成都 因初稿未经校对，文中肯定错误比较多，恳请大家批评指正！ 此时， 由于金属性接地 A 点直接与大地相联， 其电位为 0, 中 性点电压位移由以上分析 可知为 O UU ，现在三相电源处电压相量图如图 7 所示 ： C U B U A U O C A U U B A U U 图 7 谐振接 地系统金属性单相接地故障电源处电压量图 2 (a 1) 3 150 3 30 3 30 ooo BA A A A B UUU UU U U , (a 1) 3 150 3 30 3 30 ooo CA A A A C UUU UU U U 。 式中， 13 a 22 j
25、 ， 2 13 a 22 j 。 中性点 O 的 KCL 方程： 2 22 11 1 1 0 j 11 1 1 a1 a1 j 1111 a1 a1 a1 a1 j LABC OBC BC LOO B LOO B LOO IIIII IU U jCU jC rL r r IU U j CU rL r r IU U jC j rrrL 2 2 2 13 1 a1 a1 j 13 1 ja 1a 1 13 1 1a 1a j ()( d) C BC LO BC LO BC LO RCLC C IU U jC jC rr L IU U jC jC rr L IU Uj C C rr L IIj II
26、Ij 中性点经消弧线圈接地系统的基本原理 第一版初稿 完成于成都 因初稿未经校对，文中肯定错误比较多，恳请大家批评指正！ 上式，I 残余电流， R I 为单相接线系统入地电流有功分量， CL I I 为单相接线系 统入地电流无功分量。在确定电网中某时三相电容值是一定（导线对地电容会因为季节变 化） ，无功分 量显示容性还是感性取决于中性点消弧线圈电感量。因为电容电流有变化，所 以消弧线圈需要不同电感量，消弧线圈通过分接头变化其电感量来满足电网要求。 特别地， 当电网三相电容平衡 （ ABCO CCCC ） 时。 在电网设计时， 都会尽量保 证三相电容平衡。因此，在分析电网单相接地故障时，常近似
27、认为电网各相对地电容相等， 分析其电流无功分量得有用结果。 有用结论导出意思在于： 一、 减小对电气工程师水平要求， 电气工程师不需要具备分析整个电网的能力， 只需明白根据条件和得出有用结论就能出做分 析；二、简化分析过程，电气工程师无需做从基本理论到有用结论分析过程。 此时，残余电流： 2 2 13 1 1a 1a j 13 1 1a1a j 13 1 1 1 3j 3j R ()( d) OO LO O LO OO LO RCLC IU Uj C C rr L IU Uj C rr L IU UjC U UjC rr L L IIj IIIj 式中， 131 OL R rr 对地全电导；
28、补偿网线的失谐度, 11 3 3 ABC O CL ABC O C CCC C I I LL CCC C I ; d 补偿网线的阻尼率, 11 3 R ABC OC I RR d CCC CI 。 13 a 22 j ， 2 13 a 22 j ，且 2 1+a+a 0 。 注： 22 1a1a 11a a 111 3 OOO O CCC C ，这就是为什么单相 接地时电容电流是单相电容电流 3 倍原因。 中性点经消弧线圈接地系统的基本原理 第一版初稿 完成于成都 因初稿未经校对，文中肯定错误比较多，恳请大家批评指正！ 此时，电网单相接地故障等效电路如图 8 所示 ： 3 O C U I 图
29、8 电网单 相接地故障等效电路 当 1 30 O C L 时，电网发生谐振，谐振频率 1 23 O f CL ，谐振为并联谐振。 当正常运行时，r ， 1 0 r ，由极限理论可知： 2 2 1 aa aa 11 1 1 1 ABC ABC O ABC ABC jC CC jC CC r UUU jCCCj jCCCj rR L R L U jd 式中： 131 OL R rr 对地全电导； 电网的不对称度, 2 aa ABC ABC CCC CCC ； 补偿网线的失谐度, 1 ABC CL ABC C CCC I I L CCC I ; d 补偿网线的阻尼率, 1 R ABCC I R d
30、CCCI 。 特别地，当电网三相电容平衡（ ABCO CCCC ）且三相电压平衡时， 0 O U 。 三相对地电容电流平衡， 但三相电压不平衡时， 由对称分量法可把电压分解为正、 负与零三 种序网络。 正、 负序网络为对称网络， 容性电流不会流过消弧线圈。 因此， 流过消弧线圈 容中性点经消弧线圈接地系统的基本原理 第一版初稿 完成于成都 因初稿未经校对，文中肯定错误比较多，恳请大家批评指正！ 性电流只有零序分量。 因前面定义 O U 不平衡电压， 若用 0 U 表示零序电压不便其与 O U 区别， 因此，用 00 U 表示零序电压。正常运行时电网零序等效电路如图 9 所示： L r B C
31、o r 00 U 00 U 00 U A C o r o r C C 3 o r 3 o C L r 00 U 图 9 谐振接 地系统正常运行时电网零序等效电路 当 1 30 O C L 时，电网发生谐振，谐振频率 1 23 O f CL ，谐振为串联谐振。 注： 大部分电网谐振接地分析过程不计电阻分量， 仅分析无功部分。 对于这种情况， 将 上述电路中电阻分量去掉，相应公式中去掉电阻分量即可，这里就不再作详细分析。 下图为一上目前应用谐振接地 系统 图： 中性点经消弧线圈接地系统的基本原理 第一版初稿 完成于成都 因初稿未经校对，文中肯定错误比较多，恳请大家批评指正！ 还需整理内容 ： 1.
32、 电容电流计算 2. 电网电容电流测量 3. 消弧线圈分接头的配置 4. 消弧线圈在电网中配置台数与位置 5. 接地变压器的选择 6. 发电机中性点经消弧线圈接地配置方式 深入研究 内 容提要： 1. 高次谐波对消弧线圈接地系统的影响 2. 电弧的重燃与熄灭基理 3. 单相接地系统暂态过程 4. 间歇性电弧接地过电压计算 5. 消弧线圈接地系统相关过电压原理与计算 如有兴趣可以扩展学习本部分内容相关小电流接地选线原理 电力系统中性点接地技术博大精深， 涉及的问题也非常多，这里 只是讲述谐振接地方式的冰山一角来为交流。 本内容基于前人工作基 本上整理而来，在此感谢参考资料作者。 限于本人水平有限，文中有不妥或错 漏之处，恳请各位读者批评 指正，发邮件至 。 王刚 2015611 于成 都 Email:
