电力系统中性点运行方式的探析
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作者: 萧仲豪
摘要：在电力系统中有诸多运行系统，本文主要探讨供配电系统中的中性点运行方式。 中性点的接地方式对于整个电力系统网络的正常工作，电量供应的稳定性，过电压和绝缘部件之间的相互配合，包括继电保护等各个方面都起着至关重要的作用。另外，中性点的接地方式涉及到供电系统中不同导体之间的电位差异是否得到正确处理，这与供电系统中所使用的各类通讯及电子设备的正常运行息息相关，同时对工作人员的人身安全至关重要。
关键词： 供电系统，中性点，运行方式
电力系统中的中性点可以简单地理解为电力运行过程中出现的“零点”，即这些点在性质上是中性的。中性点不接地的电力运行系统能够很好地保证在整个电力输送过程中供电的可靠和稳定，但是却有一个很大的安全隐患，就是无法保证电力系统能够做到速断跳闸，此类功能上的缺陷很有可能给整个电力设备带来致命性的打击，导致很多损坏都是无法修复的。另外，在中性点不接地的电力系统中，当线路发生单相对地短路的故障时，整个接地相线的电位和大地是一样的，也就是说，没有办法和不接地的中性点之间形成回路，特别是在三相三线制的电路中，此时接地方式变成接零，导致与此有关的所有电器的罩壳部分与大地之间形成了相电压，不仅使整个电路的正常工作受到严重影响，更为可怕的是，此类中性点运行方式使整个相关电器的罩壳上都带了电，会对周围的人群带来严重的人身安全隐患。因此，正确处理电力系统的中性点运行方式至关重要。
1、电力系统中中性点运行方式的特点分析
对于电力系统中中性点运行方式的分析，应当从了解其运作特点出发。中性点的运作方式非常复杂，涉及到工程学，系统学，电力学等诸多学科的内容，需要了解的技术问题包含在系统短路上短时电流的大小，过电压的大小，整个电路系统能否保证供电的可靠性和稳定性，同时，还涉及到与电压电场有关的因素，例如如何正确有效地安装处理继电保护装置，如何屏蔽电磁波对整个系统中通讯和电子设备的有害影响，以及如何综合处理各部件之间的相互影响从而稳定整个系统的正常运行。也就是说，了解电力系统中中性点运行特点的过程其实就是确定其运行方式在技术上和经济上有效的过程。这需要长时间，细致的比较研究后才能确定。
1.1 电力系统中中性点不接地系统
在中性点不接地系统中，其运行特点相对比较简单。在这个系统中，相电压的大小由各点对地电压来确定，各对地电压是对称的，因此，整个线路在经过完成的换位后，会出现三相对地电容相等，也就是说，各点对地无论是电流还是电容都是相等且对称的，那么这个时候就不会产生电容电流流动的电位差，相对于大地来说，中性点不接地系统中的对地电压为零。
1.2 电力系统中中性点接地系统
相对于中性点不接地系统，中性点接地的系统则要复杂得多。一般来讲，中性点接地系统可以分为两大类：中性点经消弧线圈接地系统和中性点直接接地系统。这两类系统的运行特点都比较复杂，其中中性点经消弧线圈接地系统可以简单地理解为在系统中中性点上安装有消弧线圈，众所周知，中性点接地系统中会出现电容电流无法做到对地为零的情况，而消弧线圈的安装就是利用其电感电流对中性点接地电容电流进行相反的作用，从而使整个系统中性点的接地电容电流可以得到补偿和抵消，达到中性点不接地系统中接地电容电流为零的情况。中性点经消弧线圈接地系统主要是为了解决中性点不接地系统中单相接地电流过大、电弧不能熄灭的问题，通过消弧线圈的安装，就能保证接地点的电流达到安全值以下，并且其产生的电弧也能够很快消失。同样，在消弧线圈对中性点的处理方式上主要有以下三个特点：一是全补偿特点，即此时整个系统中接地电容电流为零，这是安装消弧线圈的理想状态，然后这种处理方式在实际操作过程中并不使用，原因是在实际的电力系统运行过程中，会有一系列可变及不可控因素导致系统中三相电压无法完全对称，那么随之而来的就是中性点位置出现正电压，这样就很有可能引起串联谐振过电压的问题；二是欠补偿特点，即在系统运行过程中，中性点接地处仍旧有未补偿的电容电流经过，按理说此时需要加强消弧线圈对于整个系统的作用，但是在实际操作过程中我们发现欠补偿的情况往往可以通过检修，或者系统在经过一段时间的运行后进行自我矫正，而通过消弧线圈的介入往往会使整个系统达到全补偿的状态，随之而来的就是我们前面提到的串联谐振过电压的现象。三是过补偿特点，即整个系统无法消化由于消弧线圈作用产生的相反电感电流的作用，从而使中性点接地处产生多余的电容电流，过补偿能够很好地避免串联谐振过电压的现象，因此具有很强的实际操作性，但是值得注意的是，消弧线圈的过补偿作用不能超过中性点接地处的安全值限度，否则产生的电弧就有可能失控而无法及时安全的熄灭。
除中性点经消弧线圈接地之外，还有中性点直接接地系统，该种系统的做法比经消弧线圈接地的系统操作更为直接，同样可以起到对系统发生单相接地故障时能够有效地抑制，但存在电弧无法自行熄灭的问题。中性点直接接地系统，顾名思义，就是直接将电力系统中的中性点直接接地，通过大地这个无限量的电容装置，将故障相中的电容电量通过短路的形式导出，同时，系统中的继电保护装置就会立即启动，从而将故障相中的短路线路立即切除，可以有效地保护系统中正常运行的设备，同时也能够防止中性点接地处产生持续稳定或者间歇性的电弧现象。中性点直接接地的另外一个优势在于中性点直接接入大地，当有故障产生时，中性点位置的电位也不会发生变化，这样就可以保证系统设备中的其他部件仍旧能够在当前的绝缘条件下处于正常的工作状态，也就是说，中性点直接接地系统大大地降低了在出现故障情况下，系统因保护其他正常设备所需要的绝缘条件，从而在相应的制造成本上具有更加可观的经济性。因此，中性点直接接地系统是目前被广泛采用的一种中性点处理方式之一。
2、电力系统中中性点的运作方式探析
根据以上的特点分析，我们可以归纳出电力系统中中性点的运作方式主要分为两大类：一类是中性点不接地系统；另一类是中性点接地系统。中性点不接地系统比较简单，但是有比较苛刻的使用环境和条件限制，而中性点接地系统虽然相对比较复杂，但是胜在适用环境更加广泛。其中中性点接地系统又可以分为中性点经消弧线圈接地系统和中性点直接接地系统两大类。下面我们将探析这三种不同中性点的运作方式。
2.1 中性点不接地系统运作方式
中性点不接地运作方式，也就是说整个系统中的中性点位置对于大地来说是绝缘的。该种运作方式对于系统的要求较低，构架也相对简单得多，不需要使用外置的或者配对的附加设备，而从可以很好的节约制造和使用成本。但是目前来讲，中性点不接地的运作方式受诸多使用条件的限制，其使用往往限制在小型的或者低电压要求的电力系统网络中，如我国绝大多数农村供电网络中所使用的10KV辐射形或者树状性的架空线路中。由于整个系统中的中性点对大地是绝缘的，所以当这种系统中出现有一相接地的情况时，整个系统中继电装置起保护作用，使得其他系统部件的运行不会受到严重影响。但是值得注意的是，一相接地的故障也需要及时地排除解决，否则虽然此时整个系统表面看上面其运作没有受到任何影响，但是实际上由于系统中有一相接地，在长期使用过程中就会产生非故障电压超出正常值的情况，而且这种情况会随着整个系统时间的增长而日益明显，当非故障电压超出幅度过大时，就很有可能产生系统中绝缘较薄弱的部位被过高电压击穿的风险，那么此时一相接地就变成了两相接地，从而导致系统设备的严重损坏。另外，中性点不接地系统中还存在比较明显的安全隐患，即当产生相接地的情况时，如果此时的电容电流较大，则在接地处产生的电流就很难自动熄灭，而且很有可能产生周期性熄灭与重燃的间隙电弧。由于电网是一个具有电感和电容的振荡回路,间歇电弧将引起相对地的过电压,其数值可达(2.5-3)UX,这种过压会传输到接地点有直接电连接的整个电网上,更容易引起另一相对地击穿,而形成两相接地短路。因此针对这种情况，为了确保这个电力网络对于周边环境及系统设备的安全，一般规定在3－10KV的电力网络中一相接地电流不得超过10A。
2.2 中性点经消弧线圈接地系统运作方式
在很多情况下，特别是在大型的城市输电网络系统中，电力网络中的一相接地电流往往会超过一般规定情况，而且会超出很多。因此我们看到中性点不接地系统在很多时候无法满足现实输电网络的要求，此时，中性点经消弧线圈接地系统就能够解决由于不接地系统带来的使用局限。
中性点经消弧线圈接地系统中关键的部件是我们上文提到的消弧线圈，其安装的位置是在中性点和大地之间，消弧线圈好像人为设计的一个反向流通阀，这个阀的主要组成部分是一个带有气隙的铁芯和环绕在铁芯上线阻。其特点是电阻很小而电抗很大，工作时会产生与中性点反向的电感电流。当然，消弧线圈的阻抗作用并不是一成不变的，否则就无法起到对整个系统进行消弧的作用。相反，在实际的操作环境中，电力系统自身存在很多可变因素从而导致中性点位置电容电流的变化。因此，消弧线圈必须具备可调节的特性，其实现是通过改变介入绕组的匝数从而调节阻抗的大小。如上文所述，在电力系统实际的运行状态中，通常利用消弧线圈的过补偿作用来保证中性点位置处于正常状态。
其具体的运行方式是当系统中产生单相接地故障时，处于工作状态中的消弧线圈就会感应到系统中电容电流的变化，从而自动产生出一个接地电容电流来进行平衡，从而使中性点接地处的电流迅速减小，也就使得产生的电弧能够自动熄灭。由于消弧线圈在设计上能够自动调节，产生与中性点相匹配的阻抗电容电流，因此其在使用运用中比一般的电阻接地方式更具可靠性和实效性。在中性点经消弧线圈接地的系统中,一相接地和中性点不接地系统一样,故障相对地电压为零,非故障相对地电压升高至倍,三相线电压仍然保持对称和大小不变,所以也允许暂时运行,但不得超过两小时,消弧线圈的作用对瞬时性接地系统故障尤为重要,因为它使接地处的电流大大减小,电弧可能自动熄灭。
2.3 中性点直接接地系统运作方式
中性点经消弧线圈接地的运作方式可以简单地理解为在中线点和大地之间接入了一个可变阻值的电阻来消灭产生的电容电流作用。而中性点直接接地系统的运作方式的主要优点在于当发生一相接地故障时，由于中性点直接接地，因此临近的非故障区域的电压并不会增高。也就是说，在电力系统对于电压要求越高的情况下，中性点直接接地系统的运作方式可以体大地降低系统对绝缘材料的要求，这种优越性在超高电压网络中就越发明显。另外，在中性点不接地或者经过消弧线圈接地的运作方式中，单相接地电流一般情况下都要大大地小于正常的负荷电流，那么要进行有选择性的保护就很困难。而在直接接地运作方式中，由于接地电流比其他两种方式大得多，大大增强了继电保护装置的探测灵敏度，从而能够使其迅速做出反应，保护整个电力系统。
总之，电力系统中性点运行方式涉及到系统本身使用寿命，周边环境安全以及经济效益等很多方面，因此，我们应当根据实际情况，仔细考察研究当地的电力网络系统的要求，选择使用合理而有效的中性点运行方式。
参考文献：
[1]童清艳，《关于电力系统中中性点问题的几点思考》[J]，北京：中国广播电视出版社，2002
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