1.3 電力系統的運行狀態和中性點運行方式

1.3.1 電力系統的運行狀態

電力系統的運行狀態由運行參數電壓、電流、功率和頻率等表征。

電力系統的運行狀態有多種，也有不同的分類方法。一種是將電力系統的運行狀態分為穩態和暫態。電力系統的穩態是指電力系統正常的、變化相對較慢較小的運行狀態；電力系統的暫態是指電力系統非正常的、變化較大的運行狀態，以致引起系統從一個穩定運行狀態向另一個穩定運行狀態過渡的變化過程。穩態和暫態的本質區別為：前者的運行參數與時間無關，其特性可用代數方程來描述；后者的運行參數與時間有關，其特性要用微分方程來描述。如本書講的負荷計算是供配電系統的穩態，短路計算是供配電系統的暫態。這種分類方法常用在電力系統分析中，分別稱為電力系統穩態分析和電力系統暫態分析。

另一種分類方法是將電力系統的運行狀態分為正常運行狀態、異常運行狀態、故障狀態和待恢復狀態。這4種狀態之間的關系如圖1-6所示。電力系統在絕大部分時間里都處于正常運行狀態，系統安全。如系統運行條件惡化，如過負荷、低電壓、單相接地等，系統便進入異常運行狀態，也稱報警狀態，系統不安全；系統處于異常運行狀態應采取有效措施，恢復正常運行狀態，若措施不當或又發生故障，系統便進入故障狀態。故障狀態又稱緊急狀態。系統處于故障狀態，保護裝置或自動裝置應快速動作，切除故障設備或線路，系統便進入待恢復狀態。采取措施修復故障設備或線路后，系統又恢復正常運行狀態。電力系統從正常運行狀態到故障狀態乃至待恢復狀態的過程非常短，通常只有幾秒到幾分鐘，但系統從待恢復狀態回到正常運行狀態，則要經歷相當長的時間。這種分類方法常用于電力系統安全分析中。

1.3.2 電力系統的中性點運行方式

三相交流電系統的中性點是指星形連接的變壓器或發電機的中性點。中性點的運行方式主要分兩類：小接地電流系統和大接地電流系統，又稱中性點非有效接地系統和中性點有效接地系統。前者又分中性點不接地系統、中性點經消弧線圈接地系統和中性點經電阻接地系統，后者為中性點直接接地系統。中性點的運行方式主要取決于對電氣設備的絕緣水平要求及供電可靠性和運行安全性要求。

我國3～63kV系統，一般采用中性點不接地運行方式；當3～10kV系統接地電流大于30A，20～63kV系統接地電流大于10A時，應采用中性點經消弧線圈接地的運行方式；110kV及以上系統和1kV以下低壓系統，采用中性點直接接地運行方式。

1.中性點不接地的電力系統

圖1-7所示為中性點不接地電力系統示意圖。三相導體沿線路全長有分布電容，為了方便分析，用一個集中電容C表示，并設三相對地電容相等。

系統正常運行時，線電壓對稱，各相對地電壓對稱，等于各相的相電壓，中性點對地電壓為零，各相對地電容電流也對稱，其電容電流的相量和為零，相量圖如圖1-7（b）所示。

系統發生單相接地時，如圖1-8（a）所示，接地相（C相）對地電壓為零，非接地相對地電壓升高為線電壓，），即等于相電壓的㊣-倍。從而，接地相電容電流為零，非接地相對地電容電流也增大㊣3-倍。因此，要求電氣設備的絕緣水平也提高，在高電壓系統中，絕緣水平的提高將使設備費用大為增加。

C相接地時，系統的接地電流（流過接地點的電容電流iC）應為A，B兩相對地電容電流之和。取接地電流的正方向從相線到大地，如圖1-8（b）所示，因此

在數值上，由于-，而- -，因此

即單相接地的接地電流為正常運行時每相對地電容電流的3倍。

單相接地電流IE也可用下式近似計算

式中，UN為系統的額定電壓（kV）；Loh為有電的聯系的架空線路總長度（km）；Lcab為有電的聯系的電纜線路總長度（km）。

從圖1-8（b）可以看出，中性點不接地電力系統發生單相接地時，雖然各相對地電壓發生變化，但各相間電壓（線電壓）仍然對稱平衡，因此，三相用電設備仍可繼續運行。但為了防止非接地相再有一相發生接地，造成兩相短路，所以規程規定單相接地繼續運行時間不得超過2小時。

2.中性點經消弧線圈接地的電力系統

如前所述，當中性點不接地系統的單相接地電流超過規定值時，為了避免產生斷續電弧，引起過電壓和造成短路，減小接地電弧電流使電弧容易熄滅，中性點應經消弧線圈接地。消弧線圈實際上就是電抗線圈。圖1-9所示為中性點經消弧線圈接地電力系統的電路圖和相量圖。

當中性點經消弧線圈接地系統發生單相接地時，流過接地點的電流是接地電容電流 和流過消弧線圈的電感電流之相量和。由于超前，.L滯后，兩電流相抵后，使流過接地點的電流減小。

消弧線圈對電容電流的補償有3種方式：①全補償IL=IC；②欠補償IL＜IC；③過補償IL＞IC。實際上都采用過補償，以防止由于全補償引起的電流諧振，從而損壞設備或欠補償由于部分線路斷開造成全補償。

中性點經消弧線圈接地系統發生單相接地時，各相對地電壓和對地電容電流的變化情況與中性點不接地系統相同。

3.中性點直接接地的電力系統

中性點直接接地系統發生單相接地時，通過接地中性點形成單相短路，產生很大的短路電流，繼電保護動作切除故障線路，使系統的其他部分恢復正常運行。因此，直接接地系統供電安全性較低。圖1-10所示為發生單相接地時的中性點直接接地電力系統。

由于中性點直接接地，發生單相接地時，中性點對地電壓仍為零，非接地相對地電壓也不發生變化。

4.中性點經電阻接地的電力系統

中性點經電阻接地，按接地電流大小又分為經高電阻接地和經低電阻接地。

（1）中性點經高電阻接地的電力系統

高電阻接地方式以限制單相接地電流為目的，電阻值一般為數百至數千歐姆。中性點經高電阻接地系統可以消除大部分諧振過電壓，對單相間隙弧光接地過電壓有一定的限制作用，但對系統絕緣水平要求較高。主要用于發電機回路，有些大型發電機的中性點采用經高電阻接地方式，以提高運行的穩定性。

（2）中性點經低電阻接地的電力系統

城市6～35kV配電網絡主要由電纜線路構成，其單相接地故障電流較大，可達100～1000A，若采用中性點經消弧線圈接地方式，無法完全消除接地故障點的電弧和抑制諧振過電壓，可采用中性點經低電阻接地方式。該方式具有切除單相接地故障快、過電壓水平低的優點。

中性點經低電阻接地方式適用于以電纜線路為主，不容易發生瞬時性單相接地故障且系統電容電流比較大的城市電網、發電廠用電系統及企業配電系統。