第三节 电力系统的中性点运行方式
一、高压、超高压与特高压电力系统
电力系统的中性点是指星形连接的变压器或发电机的中性点，其运行方式有不接地、经电阻接地、经电抗接地、经消弧线圈接地或直接接地等多种。我国高压、超高压、特高压电力系统目前所采用的中性点运行方式主要有不接地、经消弧线圈接地和直接接地。
（一）中性点不接地（绝缘）的三相系统
在我国电力行业标准DL/T 620《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》中规定，3～10kV不直接连接发电机的系统和35kV、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：
（1）3～10kV钢筋混凝土或金属杆塔的架空线路构成的系统和所有35kV、66kV系统，10A。
（2）3～10kV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：①3kV和6kV时，30A；②10kV时，20A。
（3）3～10kV电缆线路构成的系统，30A。
中性点不接地的电力系统，在正常运行时的电路图和相量图如图1-10所示。
图1-10 中性点不接地电力系统的正常工作状态
（a）电路图；（b）相量图
由于任意两个导体间隔以绝缘介质时，就形成电容，因此三相交流电力系统中的相与相之间及相与地之间都存在着一定的电容。为了讨论问题简化起见，假设图1-8（a）所示的三相系统的电源电压及线路参数都是对称的，而且把相与地之间的分布电容都用集中电容C来表示，相间电容对所讨论的问题无影响而予以略去。
系统正常运行时，三个相的相电压U.A、U.B、U.C是对称的，三个相的对地电容电流I.CO也是平衡的。因此三个相的电容电流的相量和为零，没有电流在地中流动。每相对地的电压，就等于其相电压。
系统发生单相接地故障时，例如C相接地，如图1-11（a）所示。这时C相对地电压为零，而A相对地电压U.′A=U.A+（-U.C）=U.AC，B相对地电压U.′B=U.B+（-U.C）=U.BC，如图1-11（b）的相量图所示。由此可见，C相接地时，非故障的A、B两相对地电压都由原来的相电压升高到线电压，即升高为原对地电压的倍。
C相接地时，系统的接地电流（电容电流）I.C应为A、B两相对地电容电流之和。由于一般习惯将从电源到负荷的方向取为各相电流的正方向，因此
由图1-11（b）的相量图可知，I.C在相位上正好超前U.C90°；而在量值上，由于
，因此
图1-11 中性点不接地系统的单相接地
（a）电路图；（b）相量图
即单相接地的电容电流为正常运行时每相对地电容电流的3倍。
由于线路对地的电容C不好确定，因此ICO和IC也不好根据C来精确计算。一般采用经验公式来计算电源中性点不接地系统的单相接地电容电流。此经验公式的数值方程为
式中 IC——系统的单相接地电容电流，A；
UN——系统的额定电压，kV；
lah——同一电压UN的具有电的联系的架空线路总长度，km；
lcab——同一电压UN的具有电的联系的电缆线路总长度，km。
由于中性点不接地电力系统发生单相接地时的接地电流较小，所以这种系统又称为小接地电流系统。
当发生不完全接地（即经过一些接触电阻接地）时，故障相对地的电压将大于零而小于相电压，而其他完好相对地的电压则大于相电压而小于线电压，接地电容电流也较式（1-9）计算值小。
应当指出，当中性点不接地的电力系统中发生单相接地时，三相用电设备的正常工作并未受到影响，因为线路的线电压无论相位和量值均未发生变化，这从图1-11（b）的相量图可以看出，因此三相用电设备仍然照常运行。但是这种系统不允许在单相接地的情况下长期运行，其原因是：①若另一相又发生接地故障时，则形成两相接地短路，从而产生很大的短路电流，可能损坏线路及用电设备；②单相接地电容电流可能在接地点引起电弧，形成间歇性弧光接地过电压，将威胁系统的安全运行。因此在中性点不接地的系统中，应该装设专门的单相接地保护或绝缘监察装置，在发生单相接地时，给予报警信号，以提醒值班人员注意，及时处理。
按规程规定：中性点不接地的电力系统发生单相接地故障时，允许暂时继续运行2h。运行维修人员应争取在2h内查出接地故障，予以修复；如有备用线路，就应将负荷转移到备用线路上去。在经过2h后接地故障尚未消除时，就应该切除此故障线路。
（二）中性点经消弧线圈接地的三相系统
在上述中性点不接地的三相系统中，在发生单相接地故障时，虽然可以继续供电，但在单相接地故障电流超过上述DL/T 620的规定时，可能会在接地点引起间歇性弧光接地，电弧周期性的熄灭和重燃，产生危险的间歇性弧光接地过电压（最大可达3.5倍相电压），导致电力设备绝缘损坏。为了防止单相接地时接地点出现间歇性弧光接地，当单相接地故障电流超过上述DL/T 620的规定时，应当采用中性点经消弧线圈接地的运行方式。
图1-12 中性点经消弧线圈接地
（a）电路图；（b）相量图
中性点经消弧线圈接地的电力系统及其发生单相接地时的电路图和相量图如图1-12所示。
目前电力系统装设的消弧线圈的类型如下。
1.人工调谐消弧线圈
这类传统式的消弧线圈是一个具有铁芯的可调电感线圈，装设在变压器或发电机中性点，如图1-12所示。当发生单相接地故障时，可形成一个与接地电容电流大小接近相等而方向相反的电感电流，这个滞后电压90°的电感电流与超前电压90°的电容电流相互补偿；最后使流经接地处的电流变得很小或者等于零，从而消除了接地处的电弧以及由它产生的危害。消弧线圈由此得名。
2.自动消弧线圈
这类消弧线圈是一种可自动调谐、自动检出与消除单相永久性接地故障的消弧线圈。它与前者相比具有显著的优越性：①避免人工调谐的诸多麻烦；②不会使电网的全部或部分在调谐过程中失去补偿；③调谐精度高，可使接地电弧瞬间熄灭，以限制弧光接地过电压的危害。
根据自动消弧线圈的调节方式，又可将其分为两类：
（1）预调式自动消弧线圈。它是在电网正常运行的情况下，即发生单相接地故障之前，根据跟踪测量电容电流的结果，预先将消弧线圈调整到合理的补偿位置。由于调谐时间允许稍长，一般可由机械传动机构来完成。此类消弧线圈主要有动匝式、动铁式和动圈式等。
（2）随调式自动消弧线圈。它是在电网发生单相接地以后，迅即自动将消弧线圈调整到合理的补偿位置。由于响应时间要求很短，所以必须由电气调节装置来实现。此类自动消弧线圈主要有调容式、调感式、磁阀式和直流助磁式等。
在中性点经消弧线圈接地的三相系统中，与中性点不接地的系统一样，允许在发生单相接地故障时暂时继续运行2h。在此期间内，应积极查找故障；在暂时无法消除故障时，应设法将负荷转移到备用线路上去。
中性点经消弧线圈接地的系统，在单相接地时，其他两相对地电压也要升高到线电压，即升高为原对地电压的倍。
（三）中性点直接接地的三相系统
图1-13 中性点直接接地的电力系统
中性点直接接地的三相系统也叫大电流接地系统。如图1-13所示，这种系统发生单相接地时，通过接地点k（1）的短路电流
很大，会烧坏电气设备。因此发生接地故障后，电网不能再继续运行供电，此时继电保护应瞬时动作，使断路器跳闸，及时切除故障。
电网采用中性点直接接地运行方式的主要优点是单相接地时中性点电位接近于零，非故障相的对地电压接近于相电压，可以使电网的绝缘水平和造价降低。目前我国110kV及以上的电网基本上都采用中性点直接接地运行方式。
二、低压供配电系统
（一）接地型式
1.TN系统
在TN系统中，按照中性线与保护线的组成情况，又分为TN-C、TN-S、TN-C-S三种系统，其接线图如图1-14所示。其中TN-C系统为三相四线制供配电系统，TN-S系统为三相五线制供配电系统，而TN-C-S系统为三相四线与三相五线的混合系统。
图1-14 TN系统
（a）TN-C系统；（b）TN-S系统；（c）TN-C-S系统
2.TT系统
TT系统的接线方式如图1-15所示，它也属于三相四线制供配电系统。
图1-15 TT系统
图1-16 IT系统
3.IT系统
IT系统的接线方式如图1-16所示。它属于三相三线制供配电系统。对上述字母的含义说明如下。
第一个字母表示电源对地关系：T为直接接地；I为不接地或经电阻接地。
第二个字母表示装置外露的可导电部分的对地关系：T为装置外露的可导电部分接地，并与供配电系统接地相互独立；N为装置外露的可导电部分接地，并与供配电系统直接连接。
（二）上述接地型式的特点与应用范围
1.TN-C系统
（1）特点。
1）电源中性点直接接地。
2）整个系统的PE线与N线是合一的，称为PEN线。
3）电气设备的外露可导电部分均接PEN线（通常称为“接零”）。
4）PEN线中可有电流流过，因而可对某些接PEN线的电气设备产生电磁干扰。
5）如PEN线断线，可使接PEN线的电气设备外露可导电部分带电，而造成人身触电危险。
6）由于PE线与N线合一，因而可节约有色金属和节约投资。
7）在发生单相接地故障时，线路的过电流保护装置动作，将故障线路切除。
（2）应用范围。在我国低压供配电系统中应用最为普遍，但不适用于对安全要求和抗电磁干扰要求高的场所。
2.TN-S系统
（1）特点。
1）电源中性点直接接地。
2）PE线与N线分开，电气设备的外露可导电部分均接PE线。
3）由于PE线与N线分开，PE线中无电流流过，因此对接PE线的电气设备不会产生电磁干扰。
4）PE线断开时，在正常情况下不会使接PE线的电气设备外露可导电部分带电，但在有电气设备发生单相接壳故障时，将使其他所有接PE线的电气设备外露可导电部分带电，而造成人身触电危险。
5）在发生单相对地短路时，过流保护装置动作，将故障线路切除。
6）由于PE线与N线分开，从而使有色金属消耗量和初投资费增加。
（2）应用范围。
1）对安全要求较高的场所，如潮湿易触电的浴池等地及居民生活住所。
2）对抗电磁干扰要求高的数据处理、精密检测等试验场所。
3.TN-C-S系统
（1）特点。
1）电源中性点直接接地。
2）该系统的前面部分全为TN-C系统，而后面有一部分为TN-C系统，另一部分为TN-S系统。
3）电气设备的外露可导电部分接PEN线或PE线。
4）该系统综合了TN-C系统和TN-S系统的特点。
（2）应用范围。此系统比较灵活，对安全要求和抗电磁干扰要求较高的场所采用TN-S系统供电，而其他情况则采用TN-C系统供电。
4.TT系统
（1）特点。
1）电源中性点直接接地。
2）该系统中无公共PE线，电气设备的外露可导电部分经各自的PE线直接接地。
3）由于各电气设备的PE线之间无电气联系，因此相互之间无电磁干扰。
4）当系统发生单相接地故障时，则形成单相短路，过电流保护装置动作，切除故障电气设备。
5）当系统出现绝缘不良引起漏电时，因漏电电流较小，不足以使过电流保护装置动作，从而使漏电设备的外露可导电部分长期带电，增加了人体触电的危险，因此为保障人身安全，该系统应装设灵敏的触电保护装置。
6）省去了公共PE线，较TN系统经济，但电气设备单独装设PE线，又增加了工作量。
（2）应用范围。该接地型式适用于安全要求及时抗电磁干扰要求较高的场所。国外这种系统应用较普遍，我国也开始推广应用。GB 50096《住宅设计规范》就规定：住宅供电系统“应采用TT、TN-C-S或TN-S接地方式。”
5.IT系统
（1）特点。
1）电源中性点不接地，或经高阻抗（约1000Ω）接地。
2）没有N线，因此不适用于接额定电压为系统相电压的单相用电设备，只能接额定电压为系统线电压的单相用电设备。
3）电气设备的外露可导电部分经各自的PE线分别接地。
4）由于各电气设备的PE线之间无电气联系，因此相互之间无电磁干扰。
5）当系统发生单相接地故障时，三相用电设备及接线电压的单相设备仍能继续正常运行。
6）应接设单相接地保护装置，以便在发生单相接地故障时给予报警信号。
（2）应用范围。对连续供电要求较高及有易燃、易爆危险的场所，宜采用IT系统，特别是矿山、井下等场所。