电力系统中性点接地方式的教学探索

谢芳芳（湖南工业职业技术学院电气工程系，湖南长沙410208）



电力系统中性点接地方式的教学探索

谢芳芳
（湖南工业职业技术学院电气工程系，湖南长沙410208）

摘 要：“电力系统中性点接地方式”是高职院校电气自动化技术专业供配电技术课程的教学难点。为提高教学效果，从中性点概念、接地方式分类、比较教学法、MATLAB／SIMULINK仿真等4个方面对此进行教学探索。实践表明，这些教学措施能使学生有效地理解和掌握基本知识与技能，为从事供配电系统的安装、调试、运行与维护等工作打下良好基础。

关键词：电力系统；中性点接地方式；比较教学；MATLAB／SIMULINK

高职院校电气自动化技术专业的就业方向之一是在企业从事供配电系统的安装、调试、运行与维护工作，供配电技术课程旨在为这些职业活动提供所必需的基本技能和知识，是一门综合性、实践性都很强的专业核心课程［1］。其中，“电力系统中性点接地方式”这部分教学内容是一个涉及面很广的综合性技术课题，涉及供电可靠性、过电压与绝缘配合、继电保护、通信干扰、系统稳定等方面［2］。这对电气类专业学生来说是一个学习难点，教学要求以理解与掌握基本概念为主。为提高教学效果，笔者从中性点概念、接地方式分类、比较教学法、MATLAB／SIMULINK仿真等4个方面进行教学探索与实践。

1 中性点概念的理解

《电工术语基本术语》（GB／T 2900.1－2008）中对“中性点（neutral point）”的定义是：“多相系统星形联结的公共点，或单相系统的接地中间点。”《电工术语发电、输电及配电通用术语》（GB／T 2900.50－2008）中对“多相系统中性点（neutral point in a polyphase system）”的定义是：“星形连接的设备中（例如电力变压器或接地变压器）的n绕组的公共点。”对于这两个定义，学生并不难理解。根据定义可知，对于星形连接的各类电力设备，譬如发电机、变压器、电动机、调相机、避雷器、电容器组、电抗器组、用电负载等，“电力设备的中性点”是指“电力设备的星形连接公共点”。

在以往教学中，一般都笼统认为“电力系统中性点”就是星形联结的发电机或变压器的中性点［3］。然而在工程和科研实践中，笔者深刻感受到，将“发电机或变压器的中性点”与“电力系统中性点”区分开来，视为两个概念是非常有必要的。在教学实践中，笔者通过以下两个实例来引导学生理解这两个基本概念。

实例1：图1是某0.4 kV电力系统简图［4］，该系统有两台变压器。图中A点是变压器1的中性点，B点是变压器2的中性点，那么系统中性点是哪一点呢？

图1　0.4 kV电力系统简图

学生经过讨论，得出4种意见：1）A点、B点都是系统中性点；2）C、D、E、F点都是系统中性点；3）D点是系统中性点；4）E点是系统中性点。

笔者分析如下：从理想电路拓扑结构的角度来看，A、B、C、D、E、F点没什么区别；但是从实际电路与施工运行的角度来看，这些点是有区别的。A、B点是变压器二次侧星形绕组的公共点，位于变压器室；C、D、E、F点则是配电盘PEN母排上的结点，位于配电室。从D点引出的线作为0.4 kV系统的中性线，从E点引出的线作为0.4 kV系统的保护线，因此D点才是0.4 kV系统中性点。从A点至D点、从B点至D点之间的这段导线则是变压器的保护中性线，其必须绝缘。

对实例1总结如下：国际电工委员会标准（简称IEC标准）为了区分“发电机或变压器的中性点”与“电力系统中性点”，将星形联结的发电机或变压器的公共点称为星形结点（star point）［4］。笔者认为，“发电机或变压器的星形结点”名称更为科学，但由于历史原因，国内习惯称作“发电机或变压器的中性点”。因此，必须明确，“发电机或变压器的中性点”与“电力系统中性点”是既有联系又有区别的两个概念。对于0.4 kV系统，不妨这样来理解：从发电机或变压器的中性点引出一根绝缘导线，根据具体需要，在这根绝缘导线上选择某点，即可作为系统中性点；若发电机或变压器没有中性点，而系统又需要中性点，则可利用接地变压器，得到一个系统中性点。

实例2：图2是某110 kV电力系统简图［5］，该系统有3台变压器。图中A、B、C点分别是3台变压器的中性点，3个点之间没有联结线。那么系统中性点是哪一点呢？

图2　110 kV电力系统简图

学生经过讨论，大部分认为A、B、C 3点都是系统中性点。

笔者分析如下：若此110 kV系统只有1台变压器，则系统中性点当然就是这台变压器的中性点；若此110 kV系统的3台变压器的中性点联结在一起，则可根据具体需要，在这根联结导线上选择某点，作为系统中性点。但是现在3台变压器的中性点没有联结在一起，因此系统中性点在物理上不会特指哪一台或哪几台变压器的中性点。

对实例2总结如下：对于110 kV及以上系统，在分析单相接地故障等实际问题时，可根据网络拓扑、网络元件参数得到一个等值电力系统。该等值电力系统就有一个中性点［6］。

2 接地方式的分类

中性点接地方式的分类方法有很多种，由此带来较多的名词术语，学生在看技术文档时，对这些术语常常觉得模糊不清。笔者在教学中抓住两点原则：一是将“电力系统的中性点接地方式”与“电力设备的中性点接地方式”区分开来；二是弄清术语的物理意义。

若讨论对象是某台具体的电力设备，则设备中性点接地方式的物理意义很直观、清晰。如变压器接地方式分类见图3。

图3　变压器接地方式分类

若讨论对象是某个地点范围、某个电压等级的电力系统，例如某钢铁厂的110 kV系统，其中性点运行方式的物理意义有时不是很直观。目前最常用的是按照接地短路时接地电流的大小，分为大电流接地系统和小电流接地系统［7］。为了突出物理意义，系统中性点接地方式的分类见图4。

图4　系统中性点接地方式分类

“中性点非常有效接地系统”在物理上是指系统的所有变压器都直接接地，也叫“中性点全接地系统”；“中性点普通有效接地系统”在物理上则是指系统的部分变压器直接接地，至少要有1台变压器直接接地。

对于现场电气技术人员，判别系统的接地制式具有实际意义。以图2为例，该系统有3台变压器。若3台变压器的中性点接地方式都一样，则系统中性点接地方式当然也就与之一样。若3台变压器的中性点接地方式不一样，则系统中性点接地方式又是怎样的呢？美国电机工程师学会（AIEE）第32号标准对此作出了明确的规定，该标准沿用至今，在国际上得到广泛的认同［6］。《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》（GB／T 50064－2014）中引用了这一标准。根据该标准可知，无论这3台变压器的中性点接地方式怎样，只要各种条件下系统的零序与正序电抗之比为正值，且不大于3，而且零序电阻对正序电抗之比不大于1，则该系统可被认为是中性点有效接地，否则就是中性点非有效接地系统。

笔者在教学中，一开始就将“发电机或变压器的中性点”与“电力系统的中性点”区分开来，让学生在脑海里建立起两个概念。相应地，将“发电机或变压器的中性点接地方式”与“电力系统的中性点接地方式”也区分开来。实践表明，这样做是有效果的，因为概念清晰明了，在进行供配电系统的安装、调试、运行与维护等实训时，可做到“知其然，知其所以然”，避免了很多操作失误。另外，在教学过程中，还有两个问题要让学生弄清楚。

1）某系统含有发电机。若发电机中性点直接接地，是否意味着该系统是中性点有效接地系统？若发电机中性点不接地，是否意味着该系统是中性点非有效接地系统？

判断系统是不是中性点有效接地系统，根本方法是前述的“各种条件下系统的零序与正序电抗之比为正值且不大于3，而且零序电阻对正序电抗之比不大于1”。但该方法需要计算，在运行维护现场不便运用。在系统网络不复杂的情况下，有时也可按发电机或变压器的中性点接地情况来判断，但是要注意，不能看发电机中性点，而应该看变压器二次侧中性点。发电机中性点不能直接接地，这已成定论。至于原因，文献［6］中有详细分析，教学中可简要介绍其中的原因。仅看变压器二次侧中性点是不够的，还得看一个条件［8］：当发生一相或多相的故障时，系统中某一选定点（一般是指设备安装点）的非故障相的对地最高工频电压方均根值与该点在故障排除后的工频相间电压方均根值的比值，不超过80%的就是中性点有效接地系统，否则就是中性点非有效接地系统。

2）在中性点有效接地系统中，变压器中性点能否就地直接接地？

此问题须具体情况具体分析。笔者根据标准和实践总结后得出以下结论。

①在中性点有效接地的低压系统中，不允许“变压器中性点就地直接接地”，须从变压器中性点引出1根导线，根据具体需要，在这根导线上选择某点直接接地。《交流电气装置的接地设计规范》（GB 50065－2011）对此有明文规定。至于原因，文献［4，9］中均有详细分析，教学中可简要介绍其中的原因。

②在中性点有效接地的高压系统中，迄今尚有争议，没有定论。施工实践中，有将变压器中性点就地直接接地的，也有从变压器中性点引出导线后再选择某点接地的。

3 比较教学法的运用

俄国教育家乌申斯基认为：“比较是一切理解和思维的基础，我们正是通过比较来了解世界上的一切。”“电力系统中性点接地方式”这部分内容非常适合采用比较教学法［10］，将每种接地方式从接线、特点、应用范围等方面进行比较，可以使学生更好地认识事物的本质与特征，获得的知识与技能更加鲜明、牢固。为此，笔者精心设计了3张表格：接线比较、特点比较、应用范围比较，在理实一体化课堂用多媒体展示。

对于电气类专业，该教学模块占4～6个课时，主要为供配电系统的安装、调试、运行与维护等教学内容打基础。因此，表格里的内容需要精心选择、组织，以实用结论为主。例如特点比较，笔者从供电可靠性、过电压、绝缘、防雷、继电保护、系统稳定、断路器工作条件、对电网结构的要求、故障点附近的生命危险等9个方面进行了比较［11］，见表1。

4 MATLAB／SIMULINK仿真教学

电气领域从业人员的重要工作内容之一是在现场进行电气故障诊断。各种电力系统在发生各种故障时，三相对地电压和线电压、线路零序电流、故障点接地电流的暂态波形和稳态波形是怎样的呢？目前在供配电实训装置或电力系统实训装置中无法通过实验观察得到，学生得不到直观、深刻的感性认识。考虑到这种情况，笔者在教学中采用MATLAB／SIMULINK仿真，让学生在计算机上完成，可增加其感性认识且不失趣味性。图5所示为10 kV中性点不接地系统仿真模型［12］，电源采用“三相电压”模块，输出电压为10.5 kV，内部接线方式为星形联结。4条输电线路均采用“三相π型等值电路”模块，线路长度分别为130 km、175 km、1 km、150 km。

表1　各种中性点接地方式的特点比较

图5　10 kV中性点不接地系统仿真模型

在图5的基础上，在电源中性点接入1个电感线圈，其他参数不变，可得到中性点谐振接地系统仿真模型。两种系统发生单相接地故障时的波形结果如图6、图7所示。对比分析波形可知，当单相接地故障的暂态过程结束后，中性点不接地系统的故障点接地电流幅值在29 A左右，中性点谐振接地系统则在4 A左右，学生由此可以非常直观地感受到，消弧线圈的补偿效果十分明显。

另外在图5模型的基础上，稍加改进还可以模拟同相两点接地故障、间歇性单相接地故障等。

5 结束语

上述教学方法经过几轮教学实践，已取得良好的效果。据在企业从事值班电工工作的学生反映，“电力系统中性点运行方式”的基本知识与技能，给供配电系统的安装、调试、运行与维护等工作打下了扎实基础。由此从教学中得到的几点心得体会如下。

1）基本概念很重要。对于学生来说，概念清晰了，在从事安装、调试、运行与维护等实际工作时，可做到“知其然，知其所以然”，避免很多操作失误。对教师来说，要努力让学生建构起正确的、清晰的概念，避免让模糊的，甚至错误的概念占据学生的大脑。

2）物理意义很重要。研究表明，高职院校学生的知、技、能的建构是经验型的，形象思维较强，抽象思维薄弱［13］。学生对“看得见摸得着”的东西容易接受，对“看不见摸不着”的东西不易接受。因此，教师在教学中应注重挖掘知、技、能的物理意义、实际意义和工程意义。

图6　中性点不接地系统的零序电压、零序电流、故障点接地电流波形

图7　中性点谐振接地系统的零序电压、零序电流、故障点接地电流波形

3）电力教学中应注意结合最新的国家或行业技术标准。譬如《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》（GB／T 50064－2014）已于2014 年3月发布，于2014年12月实施。这就要求教师与时俱进，及时学习，在课程教学中向学生传授。

4）充分应用MATLAB／SIMULINK。目前MATLAB／SIMULINK在国内本科电类专业教学中的应用已经很普遍，但在高职院校电类专业教学中的应用还不多。笔者坚信，在可汗学院、翻转课堂、云书包、微课、慕课等教育新生事物层出不穷的环境下，随着工业4.0时代的来临，MATLAB／SIMULINK在高职院校电类教学中的应用会越来越广泛。

参考文献：

［1］教育部职业教育与成人教育司.高等职业学校专业教学标准（试行）──制造大类［M］.北京：中央广播电视大学出版社，2012.

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［3］陈珩.电力系统稳态分析［M］.3版.北京：中国电力出版社，2007.

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［5］《钢铁企业电力设计手册》编委会.钢铁企业电力设计手册（上册）［M］.北京：冶金工业出版社，1996.

［6］要焕年，曹梅月.电力系统谐振接地［M］.2版.北京：中国电力出版社，2009.

［7］平绍勋，周玉芳.电力系统中性点运行方式及运行分析［M］.北京：中国电力出版社，2010.

［8］电气学会工厂配电常设专业委员会.工厂配电设计施工手册［M］.张新，译.北京：机械工业出版社，1990.

［9］王常余.电气接地防雷190问［M］.上海：上海科学技术出版社，2009.

［10］谢芳芳，郑剑.高职电气自动化技术专业单片机课程教学改革探讨［J］.中国电力教育，2014（15）：58－60.

［11］王建华.电气工程师手册［M］.3版.北京：机械工业出版社，2006.

［12］于群，曹娜.MATLAB／SIMULINK电力系统建模与仿真［M］.北京：机械工业出版社，2011.

［13］周国烛，马红麟，王文博.高职教学论［M］.北京：中国轻工业出版社，2009.

A Teaching Exploration of the Grounding Modes of the Neutral Point in Power System

XIE Fang-fang
（Department of Electrical Engineering of Hu'nan Industry Polytechnic，Changsha Hu'nan 410208，P.R.China）

Abstract：The grounding modes of the neutral point in power system are a teaching difficulty in the course of power supply and distribution technology for the major of electrical automation technology in vocational colleges.In order to make the teaching more effective，a teaching exploration has been made in the aspects of the concept of the neutral point，the classification of grounding modes，the comparative teaching method and the MATLAB／SIMULINK simula-tion.The practice has shown that the teaching measures can make the students effectively understand and grasp the basic knowledge and skills as well as laying a good foundation for them in the work of the installation，debugging，operation and maintenance in power supply and distribution system.

Key words：power system；grounding modes of the neutral point；comparative teaching；MATLAB／SIMULINK

作者简介：谢芳芳（1978－），副教授，研究方向为电力传动系统故障诊断与容错控制。

基金项目：湖南省科技厅科研项目（2011FJ4152）；湖南省教育厅科研项目（11C0482，13C218）

收稿日期：2015－07－20

中图分类号：G712；TM711

文献标识码：A

文章编号：1008-8032（2016）01-0006-06